提高光伏發(fā)電系統(tǒng)效率的一般方法

劉進(jìn)峰　劉振永　馮栓良

摘 要：為解決光伏發(fā)電系統(tǒng)中系統(tǒng)發(fā)電效率低等的問(wèn)題，分析探討了提高光伏發(fā)電系統(tǒng)效率提升的7種主要途徑并提出了如何通過(guò)改變現(xiàn)有光伏發(fā)電設(shè)備的結(jié)構(gòu)來(lái)提高發(fā)電效率的方法，分析結(jié)果表明最大功率的跟蹤法（MPPT）技術(shù)是目前降低光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電成本、提高發(fā)電效率的最直接、最有效的方法。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能光伏發(fā)電 效率提升 結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TK519 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）12（a）-0096-02

Abstract：In order to solve the photovoltaic power generation system， low efficiency of the system， analyzing explores seven major way to improve the efficiency of photovoltaic power generation system and the question of how to enhance existing photovoltaic devices by changing the structure to improve the power generation efficiency of the method， the results show that the maximum power tracking method （MPPT） technology is to reduce the cost of photovoltaic power generation system to improve the most direct and effective way of generating efficiency.

Key Words：Solar photovoltaic；Efficiency；Structure

光伏發(fā)電是太陽(yáng)能發(fā)電的一個(gè)主要方式，它利用太陽(yáng)光照射在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的光伏電池上產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)，將光能直接轉(zhuǎn)換成電能。光伏單件的轉(zhuǎn)換效率都在穩(wěn)步提升，其中光伏逆變器的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到了99%的水平[1]。面板、電池的效率一直都是光伏轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的重點(diǎn)。

目前比較常見(jiàn)的提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率手段主要有：提高光電轉(zhuǎn)換效率、提高光板有效接受面積和最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)等。該文將這些方法分別進(jìn)行闡述。

1 光電轉(zhuǎn)換率的提高

光電轉(zhuǎn)換率，是指在太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)中太陽(yáng)能電池板把太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化為電能的效率。光電轉(zhuǎn)換效率是指：在標(biāo)準(zhǔn)狀況下（大氣質(zhì)量為AM1.5時(shí)的光譜分布，入射的太陽(yáng)輻照度為1 000 W/m2，溫度為25 ℃），單位面積上產(chǎn)生電功率和太陽(yáng)輻射功率之比[2]。

從當(dāng)今應(yīng)用廣泛性來(lái)看，比較典型的晶體電池有：N型單體電池、P型單體電池、多晶電池、薄膜電池等。其轉(zhuǎn)化效率如表1所示。

從表1中我們可以清楚地看到轉(zhuǎn)換效率上，晶體硅電池較高而薄膜電池較低，其他材料如異質(zhì)結(jié)、多結(jié)、背結(jié)、高倍聚光電池等雖然其光電轉(zhuǎn)化效率能達(dá)到40%以上，但受制于成本限制等原因，尚難大批量應(yīng)用。而多晶硅為15%～18%；直拉單晶為18%～20%；區(qū)熔法制單晶電池能達(dá)到25%以上。但成本較高，應(yīng)用面較窄。

綜上要提高光伏電池光電轉(zhuǎn)換效率可以通過(guò)以下幾個(gè)途徑來(lái)努力。

（1）尋找、開(kāi)發(fā)光電轉(zhuǎn)化率更高的新材料，如：聚合物多層修飾電極型太陽(yáng)能電池、納米晶太陽(yáng)能電池等。

（2）對(duì)現(xiàn)有的加工工藝、技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和更新，使單晶硅等轉(zhuǎn)化率高的電池成本得到下降。

（3）使用高聚光材料加工電池。

（4）研究太陽(yáng)能光電池陣列的優(yōu)化組合算法，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能光電電池陣列的優(yōu)化組合。

2 光強(qiáng)跟蹤

為了使太陽(yáng)光入射角始終保持與太陽(yáng)能電池板的垂直，研制開(kāi)發(fā)了光強(qiáng)跟蹤系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)太陽(yáng)光強(qiáng)的跟蹤，使得太陽(yáng)能電池板的朝向比較精確地跟蹤太陽(yáng)位置的變化，從而提高太陽(yáng)能電池板的發(fā)電效率。根據(jù)跟蹤控制部件中控制信號(hào)產(chǎn)生的方式，廣義上可將跟蹤技術(shù)分為主動(dòng)式、被動(dòng)式和混合式3類[3-6]。

主動(dòng)式跟蹤是利用控制器中預(yù)先存儲(chǔ)的與當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度相關(guān)的太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的軌跡函數(shù)，由實(shí)時(shí)時(shí)鐘來(lái)獲得精確的時(shí)間信號(hào)，從而計(jì)算出不同時(shí)刻太陽(yáng)的高度角與方位角。該方法雖能提高太陽(yáng)能利用率，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本比被動(dòng)跟蹤器高。

被動(dòng)跟蹤系統(tǒng)則是采用光強(qiáng)控制法，利用光敏元件和傳感器進(jìn)行信號(hào)調(diào)節(jié)，被動(dòng)地跟隨太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)。被動(dòng)跟蹤信號(hào)時(shí)信號(hào)采集都是由傳感器完成，因此在多云或者陰天環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)無(wú)法跟蹤的問(wèn)題。此外由于光敏傳感器處在室外環(huán)境中，易受灰塵、熱斑等因素的影響，使暗電流發(fā)生變化，從而導(dǎo)致所提供的跟蹤信號(hào)不穩(wěn)定。

跟蹤系統(tǒng)有比固定式更高的功耗、有更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、有更高的制作成本。但實(shí)踐證明，跟蹤式比固定無(wú)跟蹤的功率輸出可以增加25%左右，雙軸式太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)增加40%左右，而極軸式太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)能夠簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本，使得效率要高于雙軸跟蹤系統(tǒng)。

3 聚光技術(shù)

聚光技術(shù)是將一定面積的太陽(yáng)光，通過(guò)聚光系統(tǒng)照射到太陽(yáng)能電池板上從而形成一個(gè)狹小的區(qū)域。增大了單位面積的光強(qiáng)，從而使太陽(yáng)電池組件始終工作在最大（或者盡可能大）功率狀態(tài)下，使得設(shè)備生產(chǎn)盡可能多的電力，減小太陽(yáng)能電池板使用量又提高了效率[7]。目前l(fā) cm2的聚光電池在標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下輸出功率僅12～14 MW，而同等面積的聚光為400～600高倍聚光電池的輸出功率可達(dá)6～10 W以上[8]。聚光技術(shù)的主要部件是聚光鏡，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中聚光鏡可分為以下兩種。

（1）折射式。法國(guó)物理學(xué)家菲涅爾所發(fā)明的菲涅爾透鏡，是現(xiàn)階段唯一可應(yīng)用于光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造的透射式聚光元件。普通菲涅爾聚光透鏡在使用中需精確跟蹤太陽(yáng)且容易使電池溫度過(guò)高而導(dǎo)致電池?zé)嵬嘶?、降低電池壽命需為電池配備散熱裝置。所以在實(shí)際中，基于邊緣光線原理的線聚焦菲涅爾聚光透鏡應(yīng)用更為廣泛。

（2）反射式。反射式聚光器利用光的反射原理進(jìn)行聚光，主要采用鍍鋁面或鍍銀玻璃為反射材料，薄膜反射面反射率高但應(yīng)用較少，反射式聚光器代表類型為碟式聚光器、拋物面聚光器與復(fù)合拋物面聚光器。技術(shù)成熟、應(yīng)用最為廣泛的是蝶式聚光器。

4 最大功率的跟蹤法（MPPT）

最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）控制策略是實(shí)時(shí)檢測(cè)光伏陣列的輸出功率，通過(guò)一定的控制算法預(yù)測(cè)當(dāng)前狀況下陣列可能的最大功率輸出，從而改變當(dāng)前的阻抗值使得陣列輸出的功率最大[9]。

常用的最大功率跟蹤方法有：功率匹配方法（Power matching scheme）；擾動(dòng)觀察法（Perturb and～observe method）；導(dǎo)納增量法（Incremental conductance algorithm）[10]。

（1）功率匹配方法（Power matching scheme）。

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)得到太陽(yáng)能陣列的輸出特性，使得特定的輻射和負(fù)載條件下達(dá)到功率的最大化，故存在一定的局限性。

（2）擾動(dòng)觀察法（Perturb and observe method）。

通過(guò)擾動(dòng)電池板的輸出電壓，判斷前后系統(tǒng)輸出功率的變化。易于實(shí)現(xiàn)、利用效率較高，但當(dāng)光強(qiáng)急劇變化的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生振蕩，系統(tǒng)工作點(diǎn)無(wú)法穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)上。

（3）導(dǎo)納增量法（Incremental conductance algorithm）。

通過(guò)對(duì)電池板的功率——電壓曲線進(jìn)行求導(dǎo)，得出最大的功率點(diǎn)。這種方法控制效果較好、穩(wěn)定度較高，而且不受時(shí)間的影響，但算法復(fù)雜，對(duì)系統(tǒng)要求高。

基于以上3種做法，又提出三點(diǎn)比較法、改進(jìn)的導(dǎo)納增量法、三點(diǎn)最小二乘法等，這些改進(jìn)算法可以有效地克服原來(lái)方法的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)比較穩(wěn)定的跟蹤。統(tǒng)計(jì)研究發(fā)現(xiàn)，MPPT技術(shù)能夠使得光電轉(zhuǎn)換效率提高20%以上、經(jīng)濟(jì)成本比較低，是目前降低光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電成本、提高發(fā)電效率的最直接、最有效的方法。

5 采用全新的構(gòu)思

傳統(tǒng)的太陽(yáng)能板集太陽(yáng)能收集和轉(zhuǎn)換于一體，由于材料和工藝的限制從而導(dǎo)致太陽(yáng)能吸收效率、轉(zhuǎn)化效率的不理想。如果將這兩個(gè)過(guò)程進(jìn)行分離，分別用一個(gè)高效的裝置去完成，將很大程度提高效率[11]。

探索并實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能光伏發(fā)電與建筑物建設(shè)相結(jié)合，從而大幅度地增大太陽(yáng)能電池的面積并可實(shí)現(xiàn)建筑物綠色發(fā)電與自我供電。

6 結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能是取之不盡、用之不竭的一種綠色能源。但是能量轉(zhuǎn)換率低的缺點(diǎn)，阻礙了太陽(yáng)能技術(shù)的推廣應(yīng)用。要想充分利用太陽(yáng)能，還需要不斷提出新的技術(shù)設(shè)計(jì)、新的結(jié)構(gòu)、發(fā)現(xiàn)新的材料，提高效率，降低成本，使其在生活中得到廣泛應(yīng)用，緩解能源危機(jī)帶來(lái)的壓力。也是我們作為能源消耗大國(guó)，確保國(guó)家能源安全的根本。

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