现阶段光伏阵列最大功率研究与前景的综述

【摘 要】由于现代科技的发展，化石能源已经成为当代生产其他能源的主要途径，但是在人类科技迅速发展的同时，化石燃料的快速消耗速度也在迅速增加，对环境带来的危害也显露出来。温室效应以及雾霾等环境问题以及开始影响现代人的生活。由于化石燃料都属于不可再生能源，人们开始寻找可再生的清洁能源，以太阳能作为新能源的课题成为人类研究的重点。

【关键词】光伏发电;光伏阵列;倾角;前景

中图分类号： TM615 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）27-0090-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.27.038

太阳能作为新能源的优点首先是因为太阳发出的能量足以供给人类几十亿年，几乎取之不尽用之不竭。其次，相比化石能源他不会产生废渣废料，也不会产生危害人类的气体，几乎没有任何污染。由于我国幅员辽阔，在中西部高原地区，南部云贵高原地区都拥有丰富的太阳能资源。但是太阳高度角，海拔高度、大气透明度、气候温度、电池组件的转换率、最大功率跟踪等问题直接影响着太阳能光伏发电的效率。这些问题的解决与否，关乎着未来全人类的能源使用与经济发展。

太阳能板作为太阳能发电系统最为关键的部分，作为核心的太阳能电池板是将太阳的辐射能转化为电能，或将其储存入蓄电池中。由于技术原因，太阳能电池板的发电量是十分有限的，此时人们只能通过几百或几千的电池板串并联形成光伏阵列一齐并入电网或蓄電池中。每个电池都是由半导体硅晶体二极管组成，根据PN结中电子与空穴的移动产生电流。太阳能产生的直流电存入蓄电池中，这又对蓄电池的保存条件有了新的要求。光伏系统中的DC-AC逆变器按激励方式，可分为自激式振荡逆变和他激式振荡逆变。主要功能是将蓄电池的直流电逆变成交流电。通过全桥电路，一般采用SPWM处理器经过调制、滤波、升压等，得到与照明负载频率f，额定电压UN等匹配的正弦交流电供系统终端用户使用。太阳能充放电控制器主要是控制充入蓄电池的功率，有效的延长了蓄电池的寿命。

太阳能光伏发电系统分为独立光伏发电系统、并网光伏发电系统、混合型光伏发电系统。独立光伏发电系统主要由光伏阵列、控制器、蓄电池、逆变器以及变换器组成，其作用就是把太阳照射的辐射能转换为直流电，通常只有在有太阳光照时才能输出能量。控制器通常由充电、放电电路以及最大功率跟踪控制构成。并网光伏发电系统与公共电网直接相连，逆变器可将光伏电池发出的电能转换成正弦电流接入电网中。其中，带有蓄电池储能的被称为可调度式并网光伏发电系统。在该系统中，逆变器配备了主开关以及重要的负载开关，因此该系统能够实现不间断供电，具有重要的应用价值。混合型光伏发电系统与上面其它两个系统的不同的地方是它增添了一台作为备用的发电机组。当光伏系统所发电量较少或蓄电池的储存的电量不够时，即可启用备用的发电机组。它既能为交流负载直接提供电能，也能经控制器为蓄电池进行充电。

在我国的光伏电站的选址与建设中，一般都选在朝南的平原地带。我国西北高原地带也是最适合大规模发展光伏发电的地方。但是由于人们生活水平的日益提高和西北地区常常发生的弃电等能源浪费现象，对于发达地区光伏发电的需求越来越高，因此将发电板设置在屋顶或者丘陵山坡上是最好的选择，这也对不同纬度光伏发电的效率有了极高的要求。

由于纬度因素、大气因素、地形因素，太阳的直射和散射都会影响光伏发电的效率，在纬度、地形、海拔等因素的影响下，地表反射率的不同会影响到光伏组件接收的太阳辐射量，因此在固定位置选择一个合适的角度对发电效率尤为重要。在光伏电池板的倾角方面国内许多专家在对单轴跟踪式、双轴跟踪式、固定式、 极轴跟踪式的光伏发电系统的基础上建立数学模型和试验研究得出不同的方案和计算结果，结合产品的生命周期评估倾角的角度提出了一种关于双周跟踪综合效益最佳的方案。随着时间推移，太阳辐射总量的计算方法也在不断地改进。典型的有Temps和Coulson模型、Hay模型，在考虑晴空指数的前提下对各向同性散射辐射模型进行了修正。

在大规模使用光伏阵列的同时，还需考虑前后排布组件之间产生的遮挡问题，在电池被遮挡时，会引起局部电压偏置导致光伏组件部分温度升高发热而引起热斑效应。发热量取决于偏置电压与流经被遮挡电池电流的乘积。如果遮挡面积比例较小，则热斑效应几乎没有影响。因此在设计时也应该确定好最佳的光伏板间距。

1 大规模使用光伏发电所需要的努力

（1）光电转化率作为最基本的问题，由于材料的光谱特性、内部载流子造成的限制极大影响了光电转换效率。现代科学家正在从通过改变内部结构来提高光电转化率的方向努力。

（2）由于我国对光伏发电技术经验还不够成熟，对于设备运营安全方面做的仍然不够到位，现在已经逐步引入清洁机器人对太阳能板进行清洁，但是由于短路造成的火灾监控还没有得到有效的解决。

（3）对于大型光伏阵列的运营厂商应选择业内可靠信誉高的厂商，从原材料到电池组件、设备、逆变器、升压变压设备，还有一些辅助的材料包括光伏电缆的质量都应该有可靠的保障。

（4）国家应出台相关政策与法律，积极加大对于光伏发电产业的资金投入以及出台对相关企业的有效的产品专利保护，调动企业积极性。

（5）目前由于光伏发电属于新型产业，多数企业仍不清楚其在未来的发展潜力，加大宣传清洁能源也是有效使光伏发电发展加速的必要条件。

2 存在问题

我国幅员辽阔，宁夏、青海海西、甘肃、新疆等高原地区都具有光照资源丰富，空气灰尘少的特点，而且有效的解决电力资源匮乏问题。但是，若想立刻大规模直接普及光伏发电是不可能的。人类仍然需要解决许多问题。如：

2.1 光电转化率低，电板成本高

就太阳能板的材料分类就分为硅光伏电池、有机半导体光伏电池、化合物半导体光伏电池。硅光伏电池也分为单晶硅与多晶硅和非晶硅。其中单晶硅光伏电池的转化率最高，高达13%～17%，而非晶体硅光伏电池转换效率只有6%～8%。化合物半导体光伏电池很多具有毒性，并且还极易造成环境污染。但由于硅晶片需要多达十几种精细的工业步骤以及大量的成本和不高的光电转化率成为了如今光伏发电不能大规模推广的障碍。

2.2 占地面积巨大

由于不高的光电转化率，大面积的布置光伏阵列才能提供有效的供电量。虽然人们已经逐步的利用屋顶以及荒漠无人区等闲置位置逐渐解决此类问题，但是仍然是杯水车薪。

2.3 地域依赖性强

受气候影响大，都限制着光伏发电的发展。就受气候温度对光生电流以及二极管的影响根据收集的数据和matlab仿真后得知，光生电流以及功率会根据温度的升高而降低，与此同时蓄电池容量会温度降低。在一些长期降水雾霾的地区不能大规模的推广。

若与传统的发电比较：

图1

火力发电厂建厂周期短、选址简单、成本低廉、现代技术成熟，是现在使用最多的发电途径，但是由于化石燃料的不可再生性和造成环境的污染成为人们不得不解决的问题。水力发电则绿色环保，利用水的重力势能带动发电机发电，而且还可以控制河流，防洪灌溉，发电稳定，成本比火力发电略高。水力发电对环境要求极高，对下游环境极易造成破坏，而且不得不强制使下游居民移民。

3 结语

光伏具有建设周期短、易运输安装、体积小、维护简单等优点，但光电转化率低以及成本高昂成为发展阻力。能源产业是国民经济的命脉，若是我国对光伏发电产业能够达到国际领先水平，将会极大的推动经济的发展，解决即将到来的能源危机。

【参考文献】

[1]张玉，黄睿，张烈平，魏书豪.固定式光伏阵列最佳安装角度研究.河南科技大学学报，2019，40（1）：687-690.

[2]梅晓妍，王民权，邹琴梅，黄文君.任意朝向的光伏电池板最佳安装倾角的研究.电源技术，2014，04：687-690.

[3]董庆来，任治豪，曾晓楠，梅哲太阳能光伏电池板铺设方案的优化设计与研究.河南科学，2012，12：1788-1791.

[4]张美玲.复杂地形下光伏电站优化设计方法研究.华北电力大学.2018.