提升光伏系统发电效率的技术研究

提升光伏系统发电效率的技术研究

董利科

（河南豫新太阳能科技股份有限公司，河南，安阳，455000）

【摘要】能耗危机日益严重的今天，提高可再生资源的利用具有重大现实意义。太阳能作为可再生清洁能源，其应用研究日益广泛，其中光伏发电技术近年来发展较为迅速。本文对光伏发电系统状况、效率影响因素等进行了充分分析，提出对应提高发电效率的手段。并综述了现阶段提升发电效率的新研究，如跟踪系统、阳光聚集系统，旨在为光伏系统的效率提升提供一定的理论借鉴。

【关键词】光伏发电系统；发电效率；冷却系统

引言：

光伏发电作为太阳能发电的重要方式，主要借助太阳光照射实现系统能量收集，将光能转变为电能，借助伏特效应电池进行光能的搜集。现阶段，光伏转换效率有所提升，其中光伏逆变器的转换效率已经达到99%，而面板、电池效率是光伏转换领域研究重点。光伏发电系统稳定性高、维护工作少、设备运行可靠，是前景广阔的新型能源技术。

一、光电转换效率提升分析

光伏电池组件的效率一般指太阳能电池板将光能转变为电能的效率，效率越高，同一功率下的电池板面积越小，这一状况取决于半导体材料、工艺制造水平的开发。现阶段，结晶硅电池的转换效率已经趋于稳定最大化，化合物太阳能电池的发展空间较为广阔，随着新型太阳能电池的不断研发，转换效率有可能达到40%，实现较为经济合理的太阳能电池，不同原材料的太阳能转化效率研发成果分析如表1所示。

二、光照辐射能力的增强

1、提高光板有效接收面积

太阳能电池板一般固定朝向进行能量获取，无法保证全年接收阳光的垂直入射，进而导致整体利用效率偏低，可借助单轴、双轴跟踪系统实现电池板朝向的控制。前者借助电池板方向的变化实现跟踪的目的，单轴跟踪系统中，轴的方向可为南北横向、东西横向两种形式，具有一定的倾角设计。根据当地实际日照情况，对轴取向、倾角等进行合理规划，相对于固定朝向的电池板，发电量提升24%左右，倾角一般设计为当地纬度的单轴跟踪系统性价比更高。该系统相比于固定系统，具有成本低、维护便捷的优势。

双轴跟踪系统借助高度角、方位角同时变化进行控制，保证整体吸收效率的增加。据报道，双轴跟踪系统可提高发电量约40%左右。该系统中，光伏阵列科研者两个旋转轴运动，可以实现对太阳能0入射角的能量吸收，保证效率较高的优势。该方法具有自动化程度高的特点，但是控制复杂、维护复杂、需要综合当地实际情况进行系统选取。

2、阳光聚集系统

所有光伏电池参数均在1000W/m2的辐照度条件下测得，这是地面上可能获得的最大阳光辐照度。但是实际在日照较强地区，太阳辐照度若按全年日夜平均则只有200W左右。而在冬季大致只有一半，能量密度是很低的。通过阳光聚集（SolarConcentration）技术，可提升电池板接受的阳光辐照度，从而提高其输出功率。

低倍聚光系统指的是2~10倍的聚光系统，如图3所示，该系统采用普通单晶硅光伏电池在无冷却条件下，通过聚光使辐照度达到3.3kW/m2，电池最大输出功率与辐照度仍然保持正比关系。10倍以上的聚光系统通常需要跟踪系统，例光电转换效率高达40.7%的三结砷化镓电池适合在强光下工作，聚光倍数可达500倍以上。

图3低倍聚光系统

三、最大功率点跟踪（MPPT）

该技术可保证对太阳能光伏阵列电压的实施监测，保证对应工作电压一直处于最大值处，从而实现电能最大输出。研究结果表明，最大功率点的影响因素包括温度、光照强度。温度一定的前提下，光照增强，电池的开路电压维持不变，短路电流有所提升，相应的输出功率增加。若光照稳定前提下，温度升高会导致开路电压下降，输出功率对应下降。现阶段，常用的最大功率跟踪方法包括下述几种

首先，固定电压法，该方法前期是固定电池板输出电压，该电压数值为某一温度下功率最大的电压值，该方法具有操作简单、工艺灵活的特点，但是整体精度效果一般。

其次，扰动观察法。工作原理为：定期对输出电压进行干扰处理，及时对电池的输出电压、电流进行采样分析，对应算出输出功率，将计算结果与上一次结果进行对比分析，若功率增加，则维持原状不变，若功率减少则需要进行反向处理。经过多次反复扰动的对应调整实现了功率输出的最大化维持，实现跟踪的最终目的。需要引起注意的是，初始电压、扰动间隔的设置，若间隔过长，容易导致最大功率点的偏离时间过长，降低了整体输出功率的有效值，为此，业内学者对扰动操作的设置进行了对应的分析研究。

再者，电导增量法。该方法的理论依据：光伏阵列中，P-V曲线的斜率与功率具有一定关系，斜率为﹢时，该点位于最大功率点的左端；反之为右端。由此可分析得出，电导斜率为零时，为最大功率点。该方法的优势在于光照强度变化时，对应阵列输出电压可以较为稳定的进行跟踪作业，相对来说震荡作用较小。缺点在步长设置中，无法充分考虑精度、跟踪速度的影响。

四、群控技术优化处理

优化逆变电路的拓扑与调制方式，其能够在很大程度上提升太阳能光伏系统的发电效率，可是这两种方法裙式变流器层面的，被称之为微观层面。而在宏观方面应该利用提升逆变环节工作效率的对策，通常是主变流器相关群控技术。光伏发电系统的应用仍处于初期阶段，整体系统尚未达到稳定化水平，为了实现光伏发电事业的稳定性控制，需要充分提高整体发电效率。可借助下列手段进行处理：首先，加强对太阳能电池新材料的研发，提高电池转化效率；其次，深入分析光伏发电相关软并网技术，在一定程度上降低光伏电能造成的电网冲击。最后，还应该充分应用光伏电池的最大功率跟踪技术，完成太阳关的最大功率有效跟踪。

结语：

在环保问题日益尖锐的今天，光伏发电系统具有重大现实意义，是维持可再生能源利用的重大举措。为此，光伏发电系统效率提升的研究十分必要，对新能源的应用发展具有重大影响作用。太阳能作为可再生的清洁能源，具有一定优势，但是其转换率低限制了该技术的广泛应用。加强新型技术结构、材料研发、优化措施控制对于现代能源危机的环节具有明显效果。

参考文献：

[1]郑晓斌，沈培辉.基于PLC的太阳能光伏聚光发电随动系统的研究[J].陕西科技大学学报（自然科学版），2012，30（5）：118-122.

[2]王一平，李文波，朱丽，等.聚光光伏电池及系统的研究现状[J].太阳能学报，2011，32（3）：433-438.

[3]刘进峰，刘振永，冯栓良，等.提高光伏发电系统效率的一般方法[J].科技创新导报，2015，34：96-97.