对光伏发电系统效率提升的研究

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【摘要】在当今能源危机的形势下，光伏发电技术和产业得到了迅速地发展。虽然光伏发电系统的关键性技术日渐成熟，但成本高、效率低等问题仍制约其广泛发展与应用。因此如何提高光伏系统的效率日渐成为国内外人员研究的热点，本文对目前提升发电效率的技术进行了阐述，并说明了以后的发展趋势。

【关键词】光伏发电系统；效率提升；光电转换效率；有效面积；MPPT

1.引言

当今社会主要使用的是不可再生资源――化石燃料（天然气、石油、煤）和核能[1]。地球人口的急剧增长引起了惊人的能源消耗，导致了化石燃料的能源储备急剧减少，这就带来了一些威胁，如资源短缺、生态恶化、气候变化。面对这些能源问题，各国政府和科研人员都把目光投向了新能源的发展。新能源的发展，如太阳能、风能、地热能、潮汐能和生物质等的实际设备研究和投入生产，使得可持续发展的道路更加顺畅。

我国目前是开发太阳能产业的主要国家之一，也是重要的太阳能光伏电池生产国，虽然我国已经奠定了基本的光伏发电规模，但是发电系统效率偏低是大规模推广应用的瓶颈，因此如何最大限度地提升效率是关键问题所在[2]。

为提高光伏发电系统的发电效率，可通过提高光电转换效率、提高光板有效接收面积和最大功率点跟踪技术等技术手段。本文对所述的这三种方法进行了详细阐述。

2.光电转换效率

光电转换效率是指：在标准状况下（大气质量为AM1.5时的光谱分布，入射的太阳辐照度为1000W/，温度为25℃），单位面积上产生电功率和太阳辐射功率之比。

光伏电池从制作材料上分类有晶体硅电池和薄膜电池。砷化镓薄膜电池的光电转换率有百分之二十几，但由于其制作成本高、资源少等原因不能得到广泛使用。多晶硅的转换效率有百分之十几，但由于其低成本、制造污染程度小，在市场中使用的比率最高。

提高光伏电池光电转换效率的措施有以下几种[3]：

（1）寻找光电转换新材料。

（2）采用新的加工技术制造太阳能电池。

（3）使用聚光光学元件。

3.提高光板有效接收面积

目前提高光板有效面积最常用的方法是光强跟踪技术。它通过调节太阳能电池板与太阳光的相对角度，使太阳能电池板时刻与太阳光保持垂直角度，从而提高太阳能电池板的发电效率[4]。

自动跟踪系统可分成单轴、双轴跟踪等形式。不同形式跟踪系统的结构不同，与固定式电池板相比，提高的效率也各不相同。下面将会对这两种形式的跟踪系统进行详细描述。

3.1 单轴跟踪系统

单轴跟踪系统是通过围绕位于光伏方阵面上的1个轴旋转来跟踪太阳的，如图1所示。这个轴的方向可以取南北横向、东西横向等方向，图中旋转轴有了一定的倾角。[5]中对轴取南北横向方向的系统进行了自行设置，对倾角为0o和当地纬度的系统性能进行了比较，发现前者的成本稍低，相对于固定式系统发电量提高了23.5%；而后者的发电量提高了33.1%，倾角设为当地纬度的单轴跟踪系统与倾角设为0o的单轴跟踪系统相比性价比更好。

3.2 双轴跟踪系统

在双轴跟踪系统中，光伏阵列沿着两个旋转轴运动，能够同时跟踪太阳的方位角与高度角，理论上可以完全跟踪太阳的运行轨迹以实现入射角为0，如图2所示.在这个系统中，太阳能电池板的朝向是可以调节的，使其与阳光总是垂直，这样得到的太阳束辐照最大。Abdallah[6]在约旦南部进行了一项实验来研究不同类型的太阳跟踪系统对发电效率的影响，结果表明双轴跟踪系统与固定式系统相比，电功率提高了43.9%，南北朝向跟踪器的电功率相对固定式系统提高了34.4%。

太阳能跟踪系统在应用中主要考虑以下几个因素：跟踪精度、系统成本、耗电量和后期维护费用。评价一个跟踪系统，应该从以上几个方面综合考虑。单轴跟踪系统能够得到比固定式系统更高的电功率，系统成本、耗电量都很低，后期维护方便；双轴跟踪系统能够最有效地利用太阳辐射能量，自动化程度高，但其控制复杂、成本高、耗电量大、系统维护费用高，因此我们在实际应用当中，应该仔细评估所在环境适用的系统，使其性价比达到最高。

4.最大功率点跟踪（MPPT）

最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking）就是指能够实时的检测到太阳能光伏阵列的电压，使其工作电压一直都能保持在功率值最大时刻的电压值上，其所要达到的最终目标就是让光伏阵列输出最多的电能。最大功率点主要受温度和光照强度等外部环境的影响。当温度保持不变时，随着光照强度的不断增强，光伏电池的开路电压却基本不变，但是短路电流的增加会明显，最大输出功率会增加。当光照强度稳定时，随着温度的升高，光伏电池的开路电压随之降低，因此输出功率就会降低。

目前有几种最大功率点跟踪方法，最具有代表性的基本方法有：固定电压法、扰动观察法、电导增量法等，下面将会对这几种方法进行详细的说明。

4.1 固定电压法

固定电压法的具体实现是将电池板的输出电压控制在一个固定值，这个固定值是在一定温度功率最大时的电压值。这种方法比较简单、容易实现，但是跟踪精度比较低。

4.2 扰动观察法

扰动观察法的基本原理是每隔一定的时间扰动输出电压，并且实时地对光伏电池的输出电压和电流进行采样，计算出输出功率后与上一时刻的功率进行对比，根据功率变化量为正，则继续按原来的方向调整；反之则按相反的方向调整。这样就保证了光伏电池的输出功率向增加的方向变化，如此反复扰动、测量与比较，直到功率变化量为零时就实现了最大功率跟踪。

如果对扰动初始电压和扰动步长的设置不当的话，可能会需要很长的时间才能达到最大功率点，甚至会偏离最大功率点[7]。因此目前很多研究者在扰动观察法的基础上，提出了一些改进方法。

4.3 电导增量法

电导增量法判断的依据是：光伏阵列的P-V曲线的斜率为零时说明在最大功率点处；斜率为正时在最大功率点左边；斜率为负时在最大功率点右边。从此依据中得到取得最大功率点的条件是：输出电导的变化量是负值时达到最大功率点。

电导增量法最大的优点是在光照强度发生变化时，光伏阵列的输出电压能以平稳的方式跟踪其变化，而且稳态的振荡也比扰动观测法小。但是在步长的选择时无法兼顾控制精度和跟踪速度。[8]提出的模型参考电导增量法在外界环境发生剧烈变化时可以快速跟踪光伏阵列的最大功率点，还基本消除了稳态时的功率振荡，具有较高的控制精度和稳定性。

5.结语

太阳能取之不尽，用之不竭，是一种理想的能源。但要想充分利用太阳能，还需要不断提出新的技术，提高效率，降低成本，使其在生活中得到广泛应用，缓解能源危机带来的压力。

参考文献

[1].光伏发电系统效率优化问题的研究[D].北京交通大学硕士学位论文，2009.

[2]朱艳伟.但扬清.提高并网光伏发电系统效率策略研究[J].新能源，2013，7（314）：53-54.

[3]庾莉萍.提高太阳能电池效率的主要措施[J].光源与照明，2009（4）：39-40.

[4]李枝玖.太阳能光伏电站自动跟踪系统的研究[D].华北电力大学硕士学位论文，2010.

[5]蒋华庆，田景奎，姜在骏，等.采用自动跟踪系统对光伏电站电价的影响[J].电力建设，2009，30（6）：76-78.

[6]Abdallah S.The effect of using sun tracking systems on the voltage-current characteristics and power generation of flat plate photovoltaic.Energ Convers Manage 2004，45（11-12）：1671-9.

[7]刘莉，张彦敏.一种扰动观察法在光伏发电MPPT中的应用[J].电源技术，2010，14（2）：186-189.

[8]刘萌，王印松，宋雨倩.基于模型参考电导增量法的光伏电池MPPT控制[J].新能源技术，2013，29（1）：16-20.

作者简介：马慧卿（1989―），女，中北大学计算机与控制工程学院在读硕士研究生。