盘点提高光伏发电系统转换效率的几种方法

盘点提高光伏电池转换效率的若干方法OFweek 太阳能光伏网讯：我们这几天打开网站，搜索光伏行业相关新闻，铺天盖地的都是关于美对华的 “双反” 初裁， 各位是不是有种视觉疲劳的感觉呢？下面， 咱就换换口味，随小编一起来了解下提高光伏发电效率的几种方法吧。在这之前， 我们先了解下光伏发电系统的基础知识。 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。 典型的光伏发电系统主要由光伏阵列组件、 充放电控制器、 储能装置和负载等组成。经过光伏组件得到的电能受外界环境因素的影响很不稳定，需要经过 DC-DC 转换器将不稳定的直流电源转换成稳定的直流电源， 从而输送到蓄电池进行保存或者直接供给负载使用。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。光电转换效率一直以来， 光伏发电行业都是以半导体行业为标准， 但事实上， 半导体超高纯度的标准远远超出太阳能电池制造所需要的标准， 这种情况造成了晶硅电池生产的高成本。 而且光电转换效率较低， 占市场份额最多的晶体硅光伏电池， 转换效率最高可接近 25%， 另一方面光伏电池容易受外界环境因素的影响而导致功率损失。 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。从表中可以看出， 除了砷化镓薄膜太阳能电池外， 晶硅太阳能电池的转换效率较薄膜太阳能电池高， 然而由于原材料多晶硅的供应能力有限， 加上国际投资者的炒作， 导致国际市场上多晶硅价格一路攀升， 虽然近几年来价格有所下跌， 但这种震荡的现状给光伏产业的健康发展带来影响。 而砷化镓电池的人理论转换效率可以达到 40%， 但是其较硅质在物理性质上要更脆的特性，使得其加工时比较容易碎裂。在应用上常把其制成薄膜， 并使用衬底 （常用 Ge[锗 ]） ，来对抗其在这一方面的不利，但是也增加了技术的复杂度。附上晶硅电池的产业化最高转换效率统计表。受制作工艺水平以及成本的影响， 太阳能电池组件的光电转换效率提升空间不大， 因此可以在其他方面提升系统的发电效率。提高光板有效接受面积制约太阳能光伏发电的主要因素除了上文所提的光电转换成本高外， 还有发电量波动大以及不适合远距离输送等因素。 采用提高光板有效接受面积的手段可以延长太阳能发电时间，增加发电量，一定程度上降低发电量的波动，从而降低太阳能发电成本。跟踪原理： 光电强度与光入射时与电池板表面的夹角有关， 当其夹角越接近直角时， 光电转换效率越好。 因此， 使太阳能入射角始终保持与太阳能电池板的垂直， 可以提高太阳能电池板的发电效率。 而太阳能自动跟踪系统的主要部分通常由控制部件和转动调级部件组成。控制部件的作用是将太阳即时位置坐标参数直接或间接输出给转动调级部件。 转动调级部件的主要作用是将控制部件给出的信号进过调级处理或分解后用于驱动光线采集器的采集面——也就是太阳能电池组件始终与太阳光线垂直。技术分类： 根据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、 被动式和混合式三类。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回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。另外，根据转动调集部件中所含转动轴的个数，将跟踪技术分为单轴跟踪和双轴跟踪。通常的单轴跟踪都是控制方位角， 即光线采集器跟踪太阳由东向西旋转以达到跟踪目的。 与双轴跟踪相比， 单轴跟踪结构简单， 制造成本低， 但太阳高度角的变化需要人工调整。 双轴跟踪通常同时控制方位角和高度角， 即将控制部件中输出的太阳方位角信号和高度角信号分别经转动调级部件处理后同时控制光线采集器既跟踪太阳由东向西旋转， 又跟踪太阳在一年四季中仰角的变化。附上跟踪式发电量与固定式发电比较统计表。对光伏发电系统来说，采用跟踪系统可增加发电量 20%~40%，有利于降低发电系统成本以及电网波动。 但现有报道很少涉及有跟踪系统而附加的电力消耗。 并且由于光线采集器的应用目的和环境不同，对跟踪器的要求也不同，所以对跟踪器的选用不能一概而论。跟踪方式 测试方法 能量增加单轴 实测 20.00% 单轴 实测 20.00%/d 单轴 实测 18.20%/a 单轴 实测 33.10%/d 单轴 电脑模拟 (10%~20%)/季度单轴 实测 20.00%/a单轴 实测 30%~45% 双轴 实测 40.00% 双轴 实测 30.00%/d 双轴 实测 40.00% 双轴 实测 23.90%/a 双轴 实测 25.30%/a 双轴 实测 33.90%/d 双轴 理论计算 39.70% 双轴 实测 41.34%/a 双轴 实测 46.46% 双轴 实测 43.87/a 最大功率点跟踪技术最大功率点追踪（ Maximum Power Point Tracking, MPPT ）系统是一种通过调节电气模块的工作状态， 使光伏组件能够输出更多电能的电气系统， 能够将太阳能电池组件发出的直流电有效地储存在蓄电池中。 可有效地解决常规电网不能覆盖的偏远地区及旅游地区的生活和工业用电， 不产生环境污染。 从电子系统方面考虑， 对光伏组件进行最大功率点跟踪是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。 因此，光伏组件的最大功率点追踪算法研究一直是光伏发电系统的重要难题和关键技术之一。 或许很多人不能理解这话的含义。部分遮挡环境下的光伏阵列组件输出功率曲线首先，我们要知道，光伏阵列组件的输出功率曲线在理想光照环境下是一个单峰曲线，而在部分遮挡环境下则会出现多峰现象。 光伏电池的输出功率与 MPPT控制器的工作电压有关，只有工作在最合适的电压下，它的输出功率才会有个唯一的最大值。以一个最大输出电压为 10.8V 的光伏阵列组件为例， 如果采用额定电压为 12V 的蓄电池， 则光伏发电系统采用采用升压式 DC-DC转换器（ BOOST） ，它的转换公式为 Vin=（ 1-D） Vout ，其中， Vin 是 BOOST电路的输入电压，即光伏阵列组件的输出电压， Vout 是 BOOST电路的输出电压，即蓄电池的输入电压，前面提过蓄电池的额定电压为 12V，所以上式可以简化为Vin=12* （ 1-D） ，改变占空比 D，即改变了光伏阵列组件的输出电压 Vin 即控制电压。下表给出了在 Proteus 实验平台中，不同占空比下，光伏阵列组件的输出功率统计。从表中可以看出，随着占空比 D 的增大，光伏阵列组件的输出功率先是增大，后减小，并且变化显著，因此从个表中我们可以看到光伏发电系统最大功率点跟踪的重要性。人们在光伏阵列组件部分遮挡环境下最大功率点跟踪控制策略方面提出了很多算法， 主要归纳为两个方面来介绍。第一种是基于传统跟踪控制方法，主要有扰动观察法（ Perturbation and Observation, P&O） 、 恒定电压控制法 （ CVT） 、 增量电导法 （ Incremental Conductance Method, IncCond 法）等。这些已被广泛地应用于商业光伏发电。20 世纪 80 年代，日本学者提出了恒压法，它是众多 MPPT方法中最简单的一种。这种控制方法将光伏阵列组件的输出电压保持在一个恒定的电压值， 其特点是控制简单， 稳定性强， 硬件易于实现。 外太空中日照强度及温度变化比较缓慢， 因此很多人造卫星中都使用恒压法。扰动观察法也成为爬山法（ P&O） ，扰动的参考变量可以是电压，电流或占空比。其工作原理是给一个扰动输出电压信号（ U + ?U） ，再测量并计算其功率 P2的变化，并与扰动之前的功率值 P1相比， 根据比较结果调整扰动方向。 这种方法的特点是算法简单， 实现容易，没有涉及复杂的计算。 然而， 它无法稳定在最大功率点， 会随着参数的改变在稳定功率附近摆动。扰动观察法是使用较广泛的一种 MPPT方法。增量电导法（ IncCond 法） ，根据在最大功率点附近功率对电压的导数接近于零这一原则来进行判断。 这个方法避免了扰动观察法的盲目性， 同时可以判断出工作点电压与最大功率点电压之间的关系。 这种控制算法的最大优点是光伏阵列组件的输出端电压能以平稳的方式随着日照强度的变化而变化， 其电压摆动的幅度相对扰动观察法来说要小。 但是该算法实现起来相对复杂，且检测精度和速度在一定的程度上会影响跟踪的精度和速度。而另一种思路的算法是基于数学或数值模型提出来的。比如由 Ahmed 团队提出的斐波那契数列（ Fibonacci sequence numbers ）法，是一种通过对斐波那契序列号码的不断定义和改变搜索范围来获得最大功率点的峰值搜索方法。还有一种方法是根据 Kobayashi 等人提出的技术，然后通过测量开路电压、短路电流，估计最佳运行电阻 Rpm。另一方面，目前开发了一种新的基于使用 Lambert W-function 的部分阴影条件下的光伏电池板数值模型。 但是目前为止， 以上这些方法还没有应用于光伏发电系统最大功率点的跟踪， 因为它们都没有达到最优的效果。