提高光伏发电系统效率的一般方法

刘进峰　刘振永　冯栓良

摘 要：为解决光伏发电系统中系统发电效率低等的问题，分析探讨了提高光伏发电系统效率提升的7种主要途径并提出了如何通过改变现有光伏发电设备的结构来提高发电效率的方法，分析结果表明最大功率的跟踪法（MPPT）技术是目前降低光伏发电系统发电成本、提高发电效率的最直接、最有效的方法。

关键词：太阳能光伏发电 效率提升 结构

中图分类号：TK519 文献标识码：A 文章编号：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

光伏发电是太阳能发电的一个主要方式，它利用太阳光照射在光伏发电系统中的光伏电池上产生光生伏特效应，将光能直接转换成电能。光伏单件的转换效率都在稳步提升，其中光伏逆变器的转换效率已经达到了99%的水平[1]。面板、电池的效率一直都是光伏转换领域的重点。

目前比较常见的提高光伏发电系统的发电效率手段主要有：提高光电转换效率、提高光板有效接受面积和最大功率点跟踪技术等。该文将这些方法分别进行阐述。

1 光电转换率的提高

光电转换率，是指在太阳能光伏系统中太阳能电池板把太阳光能转化为电能的效率。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1 000 W/m2，温度为25 ℃），单位面积上产生电功率和太阳辐射功率之比[2]。

从当今应用广泛性来看，比较典型的晶体电池有：N型单体电池、P型单体电池、多晶电池、薄膜电池等。其转化效率如表1所示。

从表1中我们可以清楚地看到转换效率上，晶体硅电池较高而薄膜电池较低，其他材料如异质结、多结、背结、高倍聚光电池等虽然其光电转化效率能达到40%以上，但受制于成本限制等原因，尚难大批量应用。而多晶硅为15%～18%；直拉单晶为18%～20%；区熔法制单晶电池能达到25%以上。但成本较高，应用面较窄。

综上要提高光伏电池光电转换效率可以通过以下几个途径来努力。

（1）寻找、开发光电转化率更高的新材料，如：聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池等。

（2）对现有的加工工艺、技术进行改进和更新，使单晶硅等转化率高的电池成本得到下降。

（3）使用高聚光材料加工电池。

（4）研究太阳能光电池阵列的优化组合算法，实现太阳能光电电池阵列的优化组合。

2 光强跟踪

为了使太阳光入射角始终保持与太阳能电池板的垂直，研制开发了光强跟踪系统。通过对太阳光强的跟踪，使得太阳能电池板的朝向比较精确地跟踪太阳位置的变化，从而提高太阳能电池板的发电效率。根据跟踪控制部件中控制信号产生的方式，广义上可将跟踪技术分为主动式、被动式和混合式3类[3-6]。

主动式跟踪是利用控制器中预先存储的与当地经纬度相关的太阳运动的轨迹函数，由实时时钟来获得精确的时间信号，从而计算出不同时刻太阳的高度角与方位角。该方法虽能提高太阳能利用率，但结构复杂，成本比被动跟踪器高。

被动跟踪系统则是采用光强控制法，利用光敏元件和传感器进行信号调节，被动地跟随太阳转动。被动跟踪信号时信号采集都是由传感器完成，因此在多云或者阴天环境下会出现无法跟踪的问题。此外由于光敏传感器处在室外环境中，易受灰尘、热斑等因素的影响，使暗电流发生变化，从而导致所提供的跟踪信号不稳定。

跟踪系统有比固定式更高的功耗、有更为复杂的结构、有更高的制作成本。但实践证明，跟踪式比固定无跟踪的功率输出可以增加25%左右，双轴式太阳能跟踪系统增加40%左右，而极轴式太阳能跟踪系统能够简化结构、降低成本，使得效率要高于双轴跟踪系统。

3 聚光技术

聚光技术是将一定面积的太阳光，通过聚光系统照射到太阳能电池板上从而形成一个狭小的区域。增大了单位面积的光强，从而使太阳电池组件始终工作在最大（或者尽可能大）功率状态下，使得设备生产尽可能多的电力，减小太阳能电池板使用量又提高了效率[7]。目前l cm2的聚光电池在标准光强下输出功率仅12～14 MW，而同等面积的聚光为400～600高倍聚光电池的输出功率可达6～10 W以上[8]。聚光技术的主要部件是聚光镜，在实际应用过程中聚光镜可分为以下两种。

（1）折射式。法国物理学家菲涅尔所发明的菲涅尔透镜，是现阶段唯一可应用于光伏系统设计、制造的透射式聚光元件。普通菲涅尔聚光透镜在使用中需精确跟踪太阳且容易使电池温度过高而导致电池热退化、降低电池寿命需为电池配备散热装置。所以在实际中，基于边缘光线原理的线聚焦菲涅尔聚光透镜应用更为广泛。

（2）反射式。反射式聚光器利用光的反射原理进行聚光，主要采用镀铝面或镀银玻璃为反射材料，薄膜反射面反射率高但应用较少，反射式聚光器代表类型为碟式聚光器、抛物面聚光器与复合抛物面聚光器。技术成熟、应用最为广泛的是蝶式聚光器。

4 最大功率的跟踪法（MPPT）

最大功率点跟踪（MPPT）控制策略是实时检测光伏阵列的输出功率，通过一定的控制算法预测当前状况下阵列可能的最大功率输出，从而改变当前的阻抗值使得阵列输出的功率最大[9]。

常用的最大功率跟踪方法有：功率匹配方法（Power matching scheme）；扰动观察法（Perturb and～observe method）；导纳增量法（Incremental conductance algorithm）[10]。

（1）功率匹配方法（Power matching scheme）。

根据相关数据得到太阳能阵列的输出特性，使得特定的辐射和负载条件下达到功率的最大化，故存在一定的局限性。

（2）扰动观察法（Perturb and observe method）。

通过扰动电池板的输出电压，判断前后系统输出功率的变化。易于实现、利用效率较高，但当光强急剧变化的时候，会产生振荡，系统工作点无法稳定在最大功率点上。

（3）导纳增量法（Incremental conductance algorithm）。

通过对电池板的功率——电压曲线进行求导，得出最大的功率点。这种方法控制效果较好、稳定度较高，而且不受时间的影响，但算法复杂，对系统要求高。

基于以上3种做法，又提出三点比较法、改进的导纳增量法、三点最小二乘法等，这些改进算法可以有效地克服原来方法的缺点，实现比较稳定的跟踪。统计研究发现，MPPT技术能够使得光电转换效率提高20%以上、经济成本比较低，是目前降低光伏发电系统发电成本、提高发电效率的最直接、最有效的方法。

5 采用全新的构思

传统的太阳能板集太阳能收集和转换于一体，由于材料和工艺的限制从而导致太阳能吸收效率、转化效率的不理想。如果将这两个过程进行分离，分别用一个高效的装置去完成，将很大程度提高效率[11]。

探索并实现太阳能光伏发电与建筑物建设相结合，从而大幅度地增大太阳能电池的面积并可实现建筑物绿色发电与自我供电。

6 结语

太阳能是取之不尽、用之不竭的一种绿色能源。但是能量转换率低的缺点，阻碍了太阳能技术的推广应用。要想充分利用太阳能，还需要不断提出新的技术设计、新的结构、发现新的材料，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。也是我们作为能源消耗大国，确保国家能源安全的根本。

参考文献

[1] 中国储能网新闻中心.TMEIC光伏逆变器最大转换效率达到99%[OL].中国储能网，2014-10-08.

[2] 马慧卿，杨风，杨丹丹.对光伏发电系统效率提升的研究[J].电子世界，2014（10）：38-39.

[3] 高亮，蔡世俊，高鹏，等.跟踪式光伏发电系统的性能分析[J].半导体技术，2010，35（9）：938.

[4] 柴亚盼.光伏发电系统发电效率研究[D].北京：北京交通大学，2014.

[5] 王魏.光伏发电双轴跟踪系统的轨迹设计与控制[D].上海：上海交通大学，2013.

[6] 汪源，王连胜，张岩，等.光伏模块方位与太阳能转换效率关系的研究[J].科技资讯，2012（5）：6-8.

[7] 石乐萌.多镜面聚光型太阳能光伏系统研究[J].消费电子，2014（18）：232.

[8] 张海燕，张崇巍，王建平.获得最大日照度的协调控制方法的研究[J].太阳能学报，2008，29（11）：1338-1343.

[9] 陈丹阳.光伏发电系统最大功率点跟踪技术的研究[J].硅谷，2014（6）：29，31.

[10] 刘靖.光伏技术应用[M].北京，化学工业出版社，2011：138-140.

[11] 田晓飞，杨海洋，周慧.光伏发电中光电转换效率问题的探讨[J].科技创新导报，2008（22）：115.