現階段光伏陣列最大功率研究與前景的綜述

徐興浩

【摘 要】由于現代科技的發展，化石能源已經成為當代生產其他能源的主要途徑，但是在人類科技迅速發展的同時，化石燃料的快速消耗速度也在迅速增加，對環境帶來的危害也顯露出來。溫室效應以及霧霾等環境問題以及開始影響現代人的生活。由于化石燃料都屬于不可再生能源，人們開始尋找可再生的清潔能源，以太陽能作為新能源的課題成為人類研究的重點。

【關鍵詞】光伏發電;光伏陣列;傾角;前景

中圖分類號： TM615文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）27-0090-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.27.038

太陽能作為新能源的優點首先是因為太陽發出的能量足以供給人類幾十億年，幾乎取之不盡用之不竭。其次，相比化石能源他不會產生廢渣廢料，也不會產生危害人類的氣體，幾乎沒有任何污染。由于我國幅員遼闊，在中西部高原地區，南部云貴高原地區都擁有豐富的太陽能資源。但是太陽高度角，海拔高度、大氣透明度、氣候溫度、電池組件的轉換率、最大功率跟蹤等問題直接影響著太陽能光伏發電的效率。這些問題的解決與否，關乎著未來全人類的能源使用與經濟發展。

太陽能板作為太陽能發電系統最為關鍵的部分，作為核心的太陽能電池板是將太陽的輻射能轉化為電能，或將其儲存入蓄電池中。由于技術原因，太陽能電池板的發電量是十分有限的，此時人們只能通過幾百或幾千的電池板串并聯形成光伏陣列一齊并入電網或蓄電池中。每個電池都是由半導體硅晶體二極管組成，根據PN結中電子與空穴的移動產生電流。太陽能產生的直流電存入蓄電池中，這又對蓄電池的保存條件有了新的要求。光伏系統中的DC-AC逆變器按激勵方式，可分為自激式振蕩逆變和他激式振蕩逆變。主要功能是將蓄電池的直流電逆變成交流電。通過全橋電路，一般采用SPWM處理器經過調制、濾波、升壓等，得到與照明負載頻率f，額定電壓UN等匹配的正弦交流電供系統終端用戶使用。太陽能充放電控制器主要是控制充入蓄電池的功率，有效的延長了蓄電池的壽命。

太陽能光伏發電系統分為獨立光伏發電系統、并網光伏發電系統、混合型光伏發電系統。獨立光伏發電系統主要由光伏陣列、控制器、蓄電池、逆變器以及變換器組成，其作用就是把太陽照射的輻射能轉換為直流電，通常只有在有太陽光照時才能輸出能量。控制器通常由充電、放電電路以及最大功率跟蹤控制構成。并網光伏發電系統與公共電網直接相連，逆變器可將光伏電池發出的電能轉換成正弦電流接入電網中。其中，帶有蓄電池儲能的被稱為可調度式并網光伏發電系統。在該系統中，逆變器配備了主開關以及重要的負載開關，因此該系統能夠實現不間斷供電，具有重要的應用價值。混合型光伏發電系統與上面其它兩個系統的不同的地方是它增添了一臺作為備用的發電機組。當光伏系統所發電量較少或蓄電池的儲存的電量不夠時，即可啟用備用的發電機組。它既能為交流負載直接提供電能，也能經控制器為蓄電池進行充電。

在我國的光伏電站的選址與建設中，一般都選在朝南的平原地帶。我國西北高原地帶也是最適合大規模發展光伏發電的地方。但是由于人們生活水平的日益提高和西北地區常常發生的棄電等能源浪費現象，對于發達地區光伏發電的需求越來越高，因此將發電板設置在屋頂或者丘陵山坡上是最好的選擇，這也對不同緯度光伏發電的效率有了極高的要求。

由于緯度因素、大氣因素、地形因素，太陽的直射和散射都會影響光伏發電的效率，在緯度、地形、海拔等因素的影響下，地表反射率的不同會影響到光伏組件接收的太陽輻射量，因此在固定位置選擇一個合適的角度對發電效率尤為重要。在光伏電池板的傾角方面國內許多專家在對單軸跟蹤式、雙軸跟蹤式、固定式、 極軸跟蹤式的光伏發電系統的基礎上建立數學模型和試驗研究得出不同的方案和計算結果，結合產品的生命周期評估傾角的角度提出了一種關于雙周跟蹤綜合效益最佳的方案。隨著時間推移，太陽輻射總量的計算方法也在不斷地改進。典型的有Temps和Coulson模型、Hay模型，在考慮晴空指數的前提下對各向同性散射輻射模型進行了修正。

在大規模使用光伏陣列的同時，還需考慮前后排布組件之間產生的遮擋問題，在電池被遮擋時，會引起局部電壓偏置導致光伏組件部分溫度升高發熱而引起熱斑效應。發熱量取決于偏置電壓與流經被遮擋電池電流的乘積。如果遮擋面積比例較小，則熱斑效應幾乎沒有影響。因此在設計時也應該確定好最佳的光伏板間距。

1 大規模使用光伏發電所需要的努力

（1）光電轉化率作為最基本的問題，由于材料的光譜特性、內部載流子造成的限制極大影響了光電轉換效率。現代科學家正在從通過改變內部結構來提高光電轉化率的方向努力。

（2）由于我國對光伏發電技術經驗還不夠成熟，對于設備運營安全方面做的仍然不夠到位，現在已經逐步引入清潔機器人對太陽能板進行清潔，但是由于短路造成的火災監控還沒有得到有效的解決。

（3）對于大型光伏陣列的運營廠商應選擇業內可靠信譽高的廠商，從原材料到電池組件、設備、逆變器、升壓變壓設備，還有一些輔助的材料包括光伏電纜的質量都應該有可靠的保障。

（4）國家應出臺相關政策與法律，積極加大對于光伏發電產業的資金投入以及出臺對相關企業的有效的產品專利保護，調動企業積極性。

（5）目前由于光伏發電屬于新型產業，多數企業仍不清楚其在未來的發展潛力，加大宣傳清潔能源也是有效使光伏發電發展加速的必要條件。

2 存在問題

我國幅員遼闊，寧夏、青海海西、甘肅、新疆等高原地區都具有光照資源豐富，空氣灰塵少的特點，而且有效的解決電力資源匱乏問題。但是，若想立刻大規模直接普及光伏發電是不可能的。人類仍然需要解決許多問題。如：

2.1 光電轉化率低，電板成本高

就太陽能板的材料分類就分為硅光伏電池、有機半導體光伏電池、化合物半導體光伏電池。硅光伏電池也分為單晶硅與多晶硅和非晶硅。其中單晶硅光伏電池的轉化率最高，高達13%～17%，而非晶體硅光伏電池轉換效率只有6%～8%。化合物半導體光伏電池很多具有毒性，并且還極易造成環境污染。但由于硅晶片需要多達十幾種精細的工業步驟以及大量的成本和不高的光電轉化率成為了如今光伏發電不能大規模推廣的障礙。

2.2 占地面積巨大

由于不高的光電轉化率，大面積的布置光伏陣列才能提供有效的供電量。雖然人們已經逐步的利用屋頂以及荒漠無人區等閑置位置逐漸解決此類問題，但是仍然是杯水車薪。

2.3 地域依賴性強

受氣候影響大，都限制著光伏發電的發展。就受氣候溫度對光生電流以及二極管的影響根據收集的數據和matlab仿真后得知，光生電流以及功率會根據溫度的升高而降低，與此同時蓄電池容量會溫度降低。在一些長期降水霧霾的地區不能大規模的推廣。

若與傳統的發電比較：

圖1

火力發電廠建廠周期短、選址簡單、成本低廉、現代技術成熟，是現在使用最多的發電途徑，但是由于化石燃料的不可再生性和造成環境的污染成為人們不得不解決的問題。水力發電則綠色環保，利用水的重力勢能帶動發電機發電，而且還可以控制河流，防洪灌溉，發電穩定，成本比火力發電略高。水力發電對環境要求極高，對下游環境極易造成破壞，而且不得不強制使下游居民移民。

3 結語

光伏具有建設周期短、易運輸安裝、體積小、維護簡單等優點，但光電轉化率低以及成本高昂成為發展阻力。能源產業是國民經濟的命脈，若是我國對光伏發電產業能夠達到國際領先水平，將會極大的推動經濟的發展，解決即將到來的能源危機。

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