太陽能光伏發(fā)電效率的影響因素

鄭樹枝

摘 要： 太陽能轉(zhuǎn)為電能的使用過程中，會遇到一些因素，導(dǎo)致太陽能光伏發(fā)電效率受到影響，需要對這些影響因素進(jìn)行探究，探討出提升太陽能光伏發(fā)電效率的措施，對于社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞： 太陽能光伏發(fā)電；晶硅材料；轉(zhuǎn)換率；措施

引言

“節(jié)能環(huán)?！笔钱?dāng)今社會所倡導(dǎo)的主題，社會限制使用像化石燃料這種對環(huán)境污染嚴(yán)重和不可再生性能源，而會會選擇一些如太陽能、地?zé)崮苓@樣的能夠循環(huán)利用、清潔環(huán)保能源。面對能源危機(jī)、霧霾、全球氣候變暖等問題，社會呼吁使用可循環(huán)的、可再生性能源，以此自然環(huán)境，節(jié)約對不可再生性能源的開發(fā)利用。太陽能正好具備新能源和可再生能源的優(yōu)勢，其使用特點為清潔環(huán)保、永不衰竭，在各地都受到青睞。

1太陽能光伏發(fā)電原理與特點

利用太陽能發(fā)電的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，其構(gòu)成部件有太陽能電池組件、充/放電控制器、逆變器、測試儀表、計算機(jī)監(jiān)控、蓄電池組以及一些輔助設(shè)備等，具體如下圖所示。

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在太陽光線照射到太陽電池組件上時，就會由硅材料吸收一部分光子，這部分光子將被轉(zhuǎn)換成電能，具體是光子的能量傳遞給了硅原子，推動電子的躍遷轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂呻娮樱纱耸沟肞-N 結(jié)兩側(cè)會出現(xiàn)電位差，在其外部接通電路的情況下，電壓的作用會使得電流在外部電路流過，從而產(chǎn)生輸出功率，實現(xiàn)光能到電能的轉(zhuǎn)換，這也叫光生伏打效應(yīng)。而太陽能電池起到了能量轉(zhuǎn)換的作用，根據(jù)發(fā)電需要，太陽能電池材料的主流是晶體硅和薄膜太陽能兩種電池片。

太陽能電池組件是將電池根據(jù)一定的陣列方式進(jìn)行排布的，連結(jié)方式有并聯(lián)或串聯(lián)，使得組件的直流電送至蓄電池組，蓄電池組將其所儲存太陽能電池方陣所接收的光照轉(zhuǎn)換為電能，然后向負(fù)荷供電。而獨立運行逆變器則會把直流電轉(zhuǎn)換成交流電，為負(fù)載使用，也可以在并網(wǎng)運行逆變器中把直流電轉(zhuǎn)換成交流電，通過控制裝置將交流電輸送至變壓器低壓端，經(jīng)三相變壓器升壓后，由輸電線路送入電網(wǎng)進(jìn)行供電。

太陽能光伏發(fā)電的特點具有無污染、可持續(xù)、容易接受的優(yōu)勢，只要有太陽光照的地方均可發(fā)電，然而會受到時間周期、地理位置、氣象條件、容量傳輸?shù)葪l件的限制，且經(jīng)常有光能轉(zhuǎn)換效率偏低的劣勢。

2太陽能光伏發(fā)電效率的影響因素

通常情況下，影響太陽能光伏發(fā)電效率的因素主要有四個方面，分別是太陽輻射量、光伏組件的特性與質(zhì)量、逆變器整機(jī)效率、最大功率峰值跟蹤對效率，具體如下：

2.1 太陽輻射量因素

地面上的太陽輻射量會因為方位角度、大氣透明度與海拔高度、日照時數(shù)等的影響，出現(xiàn)量的大小。當(dāng)太陽能光伏方陣的傾角越大時，此時的太陽輻射強(qiáng)度也就大，所受的太陽輻射量就強(qiáng)，相反，太陽輻射量就小。而地區(qū)上不同緯度位置的太陽輻射量也有不同，緯度越高的地方，太陽能光伏方陣的傾角越小，而太陽輻射強(qiáng)度也就小，而對于緯度越低的地方，太陽能光伏方陣的傾角和太陽輻射強(qiáng)度均大。計算太陽輻射強(qiáng)度的公式為，其中的是大氣質(zhì)量等于1 時的海平面太陽輻射強(qiáng)度。

大氣透明度與海拔高度。在朗朗晴天具有較高的大氣透明度，此時太陽光線到達(dá)地表的太陽輻射能量更多；而高海拔地區(qū)的空氣稀薄，空氣中的水汽和塵埃較少，具有較大的大氣透明度，太陽光線到達(dá)高海拔地區(qū)的太陽輻射能量更多。

日照時數(shù)。地表的太陽總輻射量受到日照時長的影響，對于時間越長的日照地區(qū)，其太陽總輻射量會更多，更有利于提高太陽能光伏發(fā)電效率。

2.2 太陽能光伏組件的特性與質(zhì)量因素

太陽能電池材料決定了太陽能光伏組件的特性和質(zhì)量，當(dāng)電池材料質(zhì)量越好，就更有利于提高太陽能到電能的轉(zhuǎn)換。當(dāng)前太陽能電池的制作材料以晶硅材料為主，其產(chǎn)量超過世界太陽能電池產(chǎn)量的90%，也有無機(jī)鹽多元化合物材料、功能高分子材料、納米晶材料等。晶硅材料又分為單晶硅和多晶硅材料的太陽能電池，這兩種晶硅材料的電池各有優(yōu)劣勢，其中單晶硅太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換率為16～24%，價格是多晶硅的4倍，價格高昂，占太陽能光伏發(fā)電工程總體投資的60%，且電池工藝技術(shù)成熟，有著可靠的性能和更長的使用壽命。而多晶硅材料電池的能量轉(zhuǎn)換率為14～16%，初次投資較少，這也是很多光伏發(fā)電企業(yè)使用的原因。

對于其他非晶體材料制作的太陽能電池，其穩(wěn)定性差、衰減性大，還會占用大量的建設(shè)面積，其使用受到限制。

2.3 逆變器整機(jī)效率因素

逆變器為大功率設(shè)備，滿載中的效率超過90 %。即使是低負(fù)荷供電，也要求逆變器要具備較高的效率。一旦逆變器的效率偏低，就會影響到太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的有效發(fā)電量和增加發(fā)電成本。專用逆變器需要采取降低自身功率損耗的方式來提升整機(jī)效率。而通用逆變器在實際的運轉(zhuǎn)中，其效率偏低，這是由于其電能損耗會占到太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)總發(fā)電量20～30%，由此，會通過降低逆變器的功率損耗來提升輸出效率。并網(wǎng)逆變器具備最大功率點跟蹤控制功能，能夠?qū)μ柲茌椛淠芰M(jìn)行跟蹤，從而控制自身的功率損耗，根據(jù)日出、日落條件來控制開關(guān)。

2.4最大功率峰值跟蹤對效率因素

光伏陣列的電流-電壓曲線上的某個點決定來輸入直流功率，逆變器的最佳工作狀態(tài)應(yīng)在太陽能光伏陣列的最大功率峰值上，該峰值會隨著一天的時間、太陽光的輻射與溫度的不同而改變，此時，逆變器就需要對最大功率峰值進(jìn)行跟蹤運算，從而找到直接與光伏陣列相連的理想狀態(tài)，使得能量轉(zhuǎn)化達(dá)到最大。而運算法主要以“微擾觀察法”為基礎(chǔ)，由于光伏陣列運行電壓微擾所導(dǎo)致小的電壓增量（ΔV），通過時間的變化會帶來功率改變（ΔP），這就是該算法的運算測量條件。當(dāng)ΔP 為正，就會得出下一個電壓微擾增量為正的結(jié)果，反之，ΔP 為負(fù)，會得到相反的結(jié)果。然而當(dāng)太陽光輻射在日出和日落的時候會變得很低，此時的功率曲線較為平滑，這就限制了該運算法去尋找最大功率峰值，難以跟蹤到最大功率峰值。此外，當(dāng)逆變器的 ΔP 在功率峰值點附近振蕩時，而太陽光輻射急劇改變，此時也會導(dǎo)致該運算法對跟蹤捉摸不定，出現(xiàn)難以找到真正的功率峰值點的現(xiàn)象。但此時也可以通過微擾的不同次數(shù)來解決最大功率峰值跟蹤運行困難的問題。

3 提升太陽能光伏發(fā)電效率的措施

全世界的太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展尚停留在初級階段，需要通過提高太陽能光伏發(fā)電效率來促進(jìn)太陽能光伏發(fā)電的應(yīng)用和行業(yè)的發(fā)展。由此，需要采取如下措施：

3.1升級太陽能電池新材料

由于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中費用最高的就是電池材料，并且電池材料決定了光電轉(zhuǎn)化效率，由此，需要研制出新的太陽能電池材料，并且要適當(dāng)控制電池材料的價格，便于更多的用戶使用太陽能光伏發(fā)電，促進(jìn)太陽能光伏發(fā)電的應(yīng)用與行業(yè)的發(fā)展。

3.2研究和修正計算公式，優(yōu)化組合算法

由于太陽能光伏電池最大功率跟蹤算法在日出和日落的時候難以跟蹤到最大功率峰值，這就需要研究和修正以“微擾觀察法”為基礎(chǔ)的運算方法，使得太陽光最大功率跟蹤能夠準(zhǔn)確，從而更有利于找準(zhǔn)最大功率峰值，提高能量轉(zhuǎn)化效率。

太陽能光伏電池陣列的組合算法也需要優(yōu)化，這樣才能使得電池陣列的組合得到優(yōu)化。由于電池組件的輸出在一些外因的影響下而降低，此時再用計算公式計算太陽能電池組件難以滿足光伏發(fā)電系統(tǒng)用電的需求，由此需要修正計算公式。隨著時間的增長，泥土、灰塵覆蓋在組件上會降低太陽能電池的輸出，此時需要將太陽能電池組件輸出減少10%。而蓄電池在充放電時由于鉛酸蓄電池的電解水產(chǎn)生氣體，導(dǎo)致部分電流流失耗散，此時需要增加10%的負(fù)載來滿足蓄電池的庫侖效應(yīng)。

結(jié)語

綜述，對于取之不盡、用之不竭的太陽能自然能源，需要加大對其利用，減少石化能源造成的環(huán)境污染，然而當(dāng)下必須要通過提升太陽能光伏發(fā)電效率來促進(jìn)太陽能光伏發(fā)電的應(yīng)用，讓更多的人都能用上太陽能發(fā)電。

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