分布式光伏电站发电效率提升策略研究

分布式光伏电站发电效率提升策略研究

阎誉榕

新南威尔士大学 山西省太原市 030000

摘要：随着我国经济高速发展,能耗大幅增加,能源和环境对可持续发展的约束越来越严重。发展可再生能源发电，特别是太阳能光伏发电将成为减少环境污染的重要措施,同时也是保证我国能源供应安全和可持续发展的必然选择。本文分析了影响光伏发电效率提升的因素，从三个方面提出了提升光伏电站发电效率的途径。本文的研究为光伏发电效率提升及并网项目提供了宝贵的参考。

关键词：分布式；光伏电站；发电效率

0 引言

光伏发电是将光伏阵列发出的直流电，经过逆变转换成交流电的过程，其过程需要有逆变器、汇流器、汇流箱等设备。光伏发电与光照强度、季节、温度、天气的晴朗程度等因素密切相关，因此光伏发电表现出随机性、间歇性的特点。光伏发电系统的主要优点是系统可靠性高，故障率低、维护方便，无噪声污染，清洁能源对环境无影响，能量获取容易不受地域限制等，其缺点主要有系统造价高，光伏阵列能量转换效率低。在国家相关产业政策支持下，我国光伏发电发展迅猛、潜力巨大，对优化能源结构布局、推动节能减排提效、实现经济可持续发展具有重要意义。光伏发电技术作为一种新兴的能源技术，可以同时满足能源需求、减少温室效应和提高供电可靠性，是世界能源技术未来发展的重要方向。

1 影响光伏发电效率提升的因素分析

影响光伏发电效率的因素众多，主要可以归纳为自然因素、设备因素等。

1.1 自然因素

（1）太阳辐射量。光伏电池组件的光电转换效率在一定的情况下，太阳的辐射强度决定了光伏系统的发电量。光伏系统对太阳辐射能量的利用效率仅有10%左右，光伏电站的发电量取决于太阳辐射强度，太阳的辐射强度及光谱特性是随着气象条件的变化而改变的。

（2）方向角因素。从倾斜面上的太阳辐射总量和太阳辐射的直散分离原理可推断出：倾斜面上的太阳辐射总量是由天空散射量、直接太阳辐射量和地面反射辐射量三部分组成。太阳光照与太阳能光伏电池板之间的角度随时间的变化在不断变化，这也将直接影响组件的功率输出。在黎明时，“组件”的输出功率为零值，随时间推移逐渐上升，并随着太阳入射角的变化，相同纬度的条件下，阵列朝向东方的组件产生的功率将会是朝正南方向的84%。

（3）温度因素。光伏组件的输出功率随着组件温度的升高而相应减小。温度每上升1℃，晶体硅太阳电池的最大输出功率将下降0.04%，开路电压也随之下0.04%，而短路电流将上升。夏季当太阳光直射光伏组件时，组件内部温度将会达到50-70℃。对多晶硅组件而言，温度的升高将导致组件功率下降至实际功率的90%。

（4）冬季及降雪。我国北方冬季漫长且降雪较多，堆积在电池组件上的厚雪无法自行融化，将使项目发电量大幅降低，甚至直接降为0。因此，降雪成为影响冬季光伏电站发电效率的重要因素。

1.2 设备因素

（1）设备自身因素。分布式光伏电站主要是由逆变器等设备组合而成，在发电过程中，如果任一设备发生故障，就会使整个发电系统受到影响。因此，设备自身因素是影响分布式光伏电站效率提升的一个重要因素，在分布式光伏电站的运行中，其设备的运行受到光伏电池板以及电力转换系统的影响，所以需要加强对电站运行中的设备进行选择，保障设备的运行能够满足电力供应的设备应用需求。

（2）设备之间转换因素。太阳能光伏电池组件产生的直流电必须经过光伏逆变器才能转换成交流电输入电网。在这个转换过程当中将损失部分能量，同时直流电从组件传到逆变器的线路时，也将损失部分能量。目前，太阳能光伏发电系统中使用的逆变器的峰值效率一般都在98%左右，这是光伏逆变器生产厂商给出的峰值效率，一般是在工厂相当良好的环境控制条件下测得的。然而控制器的充电回路、放电回路压降均不得超过系统电压。目前主流逆变器标称效率在80％～95％之间。

2 提升光伏电站发电效率的途径

2.1 光照辐射能力的增强

2.1.1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。单轴跟踪系统借助电池板方向的变化实现跟踪的目的，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。双轴跟踪系统可提高发电量约40%左右。该系统中，光伏阵列可沿着两个旋转轴运动，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。

2.1.2阳光聚集系统

所有光伏电池参数均在1000 W/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（Solar Concentration）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，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3.3 kW/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。

2.2. 最大功率点跟踪

最大功率点跟踪（Maximum power point tracking,简称MPPT）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，从而实现最大功率的输出。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面三种：

（1）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。

（2）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。因此，学者对扰动操作的设置进行了对应的分析研究。

（3）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，斜率为正时，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。

2 3 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，这种方法被称之为微观层面。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。

3 结语

随着全球传统能源储量的日益减少，以太阳能、风能为代表的新能源受到了越来越多的重视。分布式光伏发电因其无污染、投资小、并网简单等特点成为各国研究和发展的重点。本文分析了影响光伏发电效率提升的因素，主要归纳为自然因素和设备因素，从光照辐射能力的增强、最大功率点跟踪、群控技术优化处理三个方面提出了提升光伏电站发电效率的途径，为分布式光伏电站发电效率提升给予了参考。

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