张灿灿1 李钦杰2
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摘要：如今人们对能源需求越来越高，对生活质量的要求也越来越高。然而大量的能源消耗不仅造成了资源枯竭，更污染了环境，使得人们的这些要求成为了一对矛盾。光伏发电作为新能源发电的重要组成部分，无疑是解决这一矛盾的有效途径。当今各国已加大了研究和投资力度，大力发展这一产业。虽然太阳能无处不在、用之不竭，但将其作为主要的电力来源还有很多技术挑战。其中最大的瓶颈就是其效率问题。如何最大限度的利用太阳能，提高效率成为问题的关键所在。然而在研究如何提高效率之前，应先分析每一环节的效率和能量损失的机制，这样才能从每一部分入手，综合全面的理解效率问题，为提高效率打下基础。
关键词：光伏发电；效率研究
1 光伏发电概述
能源是推动世界经济发展和繁荣的车轮，20世纪至今，在世界能源体系中，煤、石油、天然气等非可再生资源成为人类社会文明进步的主要能源结构。随着社会进步历程的加速发展，人类社会对非可再生能源的需求量也不断地增加，由于人类对非可再生资源过度地开采利用以及一些不合理的维护等，致使了全球性的环境污染及资源枯竭。
21世纪的今天，人类在能源利用方面面对着巨大的挑战，这主要包括：大规模地开采及不合理地利用煤、石油、天然气等非可再生资源，造成了非可再生资源储量的锐减和枯竭；另一方面，以煤、石油、天然气等化石燃料为主的传统能源体系在人类强调走可持续发展道路的今天遇到了极大的限制。
太阳能资源是一种分布广泛、储量无限的清洁无污染能源，被科学家誉为是世界上最理想的绿色资源，是人类开发和利用新能源的首选资源。开发和利用太阳能的基本方式有：一是利用光热转换，将太阳能转化成热能；二是利用光伏阵列通过汇流装置间接将太阳能转为电能，即光伏发电。截止到今天，在开发利用太阳能的过程中，光伏发电已然成为其最主要的途径，从上世纪80年代起，光伏产业就成为世界上飞速增长的新型产业之一，随着各国不断地加强对可再生资源开发利用重视的力度，光伏这一产业的发展市场将会更加广阔。
光伏电池是光伏发电系统的核心部件，其输出电流、电压的大小和稳定情况不仅与电池本身结构等参数有关，而且还很大程度地随着环境温度、光照的改变而波动起伏。同时由于外界环境因素变化无常，致使光伏电池的输出特性表现为非线性，因而在一天当中某一特定工作条件之下，光伏电池功率输出存在唯一的最大值点。为了更有效地利用光伏电池，应当采取一定的控制技术，来确保光伏电池实时都能输出最大功率，这即是最大功率跟踪（MaximumPowerPointTracking，MPPT）技术。在实际光伏发电系统中，装设MPPT控制装置，能够有效提高光伏电池的发电效率。
2、光伏发电效率存在的问题
近年来光伏发电虽然从技术和市场上都得到了飞速发展,但值得注意的是,光伏发电自身存在一些问题需要亟待解决:
1）发电效率偏低,目前我国火电机组年利用小时数一般可达500小时以上,最高可达7000小时以上,水电年机组利用小时约在3500小时左右,而光伏组件只有2000小时左右。
2）发电成本偏高,目前生产一度电,火电成本约为0.4~0.5元,水电成本约为0.2~0.3元,核电成本约0.3~0.4为元,风电成本约在0.6元以上,而光状发电成本在1元以上;从上网电价看,风电上网电价约为火电1.3倍,而光伏上网电价约为火电的2.2倍。
要提高光伏发电在可再生能源应用中的比例,必须从提高效率和降低成本两方面入手,这就需要从光伏组件的材料与制作工艺、光伏阵列的配置优化、逆变器的拓扑与控制等多方面考虑,寻找一切尽可能提高光伏发电效率与降低成本的方法。
3 效率影响因素分析
3.1 自然环境因素
光辐照资源、温度太阳福射强度指太阳投射到组件单位面积上的福射功率,这里的温度是环境温度,光伏组件的工作温度一般比环境温度高。根据光伏组件的工作特性,其输出电压和电流都会随着太阳福射强度和温度的变化而变化,因此环境因素会影响光伏组件的工作性能,从而影响光伏组件的转换效率。
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3.2 光伏组件
光伏组件的光电转换效率、组件标称功率偏差、组件的光照人射率和组件初始光致衰退效应这4个方面因素影响光伏电站效率。光伏组件的转换效率越高、标称功率正偏差越大、光照人射率越高、光致衰退效应越小，光伏电站效率越高。如果光伏组件衰减越慢，电站长期效率越高。
3.3 光伏组件匹配
由于制造工艺限制，同型号的光伏组件存在制造误差。当组件构成方阵时，会产生组件匹配损失，组件串联时会产生电流损失，组件并联时会产生电压损失。组件匹配损失范围在1.5%一3％，典型值为2％。
3.4 电池温度
光伏电池的工作温度对光伏方阵的输出功率响重大影响，单晶硅电池功率温度系数为一0.5％/℃即电池工作温度上升1℃，电池输出功率降低0.5％。如果由于环境温度和太阳辐射使得电池工作温度由于标准条件工作温度35℃，使得电池功率下降17.5％，进而光伏电站效率也至少下降17.5％。
3.5 MPP损耗
MPP所造成的功率损失包括静态和动态跟踪损失。静态跟踪损失是指最大功率点跟踪算法并不能跟踪到真正的最大功率点造成的能录损失,如目前采用的的扰动观察法和电导增量法,这两种算法由是基于扰动步进行最大功率点踪,所以在最大功率点附近会产生振荡,从而造成能量损失。动态最大功率点跟踪损失是指在进行最大功率跟踪过程中,外界环境辐射强度、温度等发生变化时,最大功率点跟踪算法不能跟踪到真正的最大功率点造成的能量损失。
3.6 线损、变压器损耗
光伏发电系统内部的各个环节都需要使用电缆来进行电能传输,因此传输过程中必然存在阻抗损耗。对于大型光状发电系统,交流电能并网前需要变压器升压,其系统损耗相对于小型光伏发电系统多了变压器损耗。
4、优化
4.1、建筑物表面对光伏发电的影响。对于地面大型光伏电站,光伏阵列基本能采用最优倾角和方位角进行安装,但对于分布式光伏发电系统,尤其是建筑光伏,其朝向和倾角就有各种各样的可能,如光伏幕墙、斜屋顶等。对于建筑光伏,组件倾角和方位角朝向的选择需考虑建筑的美观度、阵列安装的复杂度以及建筑物的朝向等,因此在设计安装应在保证安装可行的基础上尽量降低建筑物对光伏阵列发电量的影响。
4.2、优选设备，特别是优选组件和逆变器。在试验电站里，对比不同组件或逆变器的发电量，进而确定最佳性价比的设备。
4.3、积极进行系统集成研发工作，主要目标是提高效率、降低成本，包括开展系统解决方案的研发和推广;新技术、新产品的跟踪和应用;光伏电站及其环节的(效率)检测和分析;技术信息化(数据库)以及工程共性难题研究和解决。
4.4、逐步提高光伏电站设计技术水平，能够根据地理位置、气候条件、污染情况、客户需求、风险控制和生态环境等条件设计最佳的光伏发电系统。
4.5、加强光伏电站效率检测和工程评价工作。构建电站效率检测、优化方案研发、示范电站测试、工程项目推广等环节组成的循环机制，不断提高光伏电站性能。
结语
影响光伏电站效率的因素非常多，且各因素是不断变化的。其效率受天气、环境、所选设备型号、负载情况、控制策略等因素影响，因此效率无法固定在某一个值上。以上分析只是选取了某些条件，并且忽略的诸多因素得出的结果，其具体效率应当结合工程实际来计算，过程也会复杂的多。但是其分析过程和损耗产生的机理，对于研究如果提高光伏电站的效率仍具有借鉴意义。
参考文献：
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[2]陈祥.基于机理模型的并网光伏电站实时效率分析[J].太阳能，2012，12（3）：43-47.
论文作者:张灿灿1,李钦杰2
论文发表刊物:《防护工程》2018年第10期
论文发表时间:2018/9/19
标签：光伏论文; 组件论文; 效率论文; 电站论文; 电池论文; 损失论文; 宣城论文; 《防护工程》2018年第10期论文;