光伏發電的效率計算

許 暉 尹忠東

(新能源電力系統國家重點實驗室 〈華北電力大學〉，中國 北京102206)

0 引言

如今人們對能源需求越來越高，對生活質量的要求也越來越高。然而大量的能源消耗不僅造成了資源枯竭，更污染了環境，使得人們的這些要求成為了一對矛盾。光伏發電作為新能源發電的重要組成部分，無疑是解決這一矛盾的有效途徑。當今各國已加大了研究和投資力度，大力發展這一產業[1]。雖然太陽能無處不在、用之不竭，但將其作為主要的電力來源還有很多技術挑戰。其中最大的瓶頸就是其效率問題[2]。如何最大限度的利用太陽能，提高效率成為問題的關鍵所在。然而在研究如何提高效率之前，應先分析每一環節的效率和能量損失的機制，這樣才能從每一部分入手，綜合全面的理解效率問題，為提高效率打下基礎。

1 光伏電站的效率分析

光伏電站由這幾部分組成：光伏陣列——匯流箱——逆變器——升壓變壓器。每一個環節都有能量損失，因此最終的效率將是經過4處損耗后的效率。

太陽能電池利用的是P-N 結的光生伏打效應將太陽能轉化為電能。當由于入射了太陽光子使得P-N 產生正向電壓時，內電場就會使P 層的空穴移動到N 層。在穿過P-N 層的過程中，P 型材料中的空穴漂移電流就變成了N 型材料中的電子電流；而N 型材料中的電子漂移電流變成了P 型材料中的空穴電流。空穴和電子電流的總和就是總電流密度。而當空穴接近P-N 結時，其與電子復合，抵消了一部分電量，降低了總的電流密度，這也是導致其效率降低的因素之一。太陽能電池中材料體的電阻和界面處載流子的電阻還有材料之間的接觸電阻可等效為串聯內阻。串聯內阻對太陽能電池最大功率點的位置有著較大影響，且太陽能電池效率隨串聯內阻呈指數減少的趨勢[3]。此外，電池片的遮光面積、光伏陣列表面沉積的灰塵、原材料本身的缺陷等，都能導致其光電轉換效率降低。再考慮了以上因素后，光伏陣列的效率約為84%。

匯流箱的作用是將一定數量、規格相同的太陽能電池所發出的電能匯聚起來，再通過后續配套的設配與光伏發電系統連接，實現并網。匯流箱的運行需要電源，其有兩種供電方式：外部供電和自供電。其中，自供電是匯流箱內部直接取用直流電，并通過電源開關轉換為所需的工作電壓（通常為24V）。因其電量小，所造成的損耗非常小，可以忽略不計。

衡量逆變器效率有兩個常用的指標：最大轉換效率和歐洲效率。最大轉換效率是指逆變器所能達到的最高效率。歐洲效率指按照在不同功率點效率根據加權公式計算出的效率。對逆變器的設計而言，歐洲效率的最大化更為重要。因為逆變器受天氣變化和其他因素的影響，不可能時時運行在最大效率點。而歐洲效率考慮了光強的變化，能更加準確的衡量逆變器的性能。它是由不同負載情況下的效率，按照加權累加得到的。其中50%負載率時的效率占了其最大組成部分。為了提高歐洲效率，僅僅降低額定負載時的功率損耗是不夠的，必須要同時提高不同負載率是的效率。由于大多數逆變器使用的開關器件是IGBT，它的導通壓降是非線性的，其不會隨電流的增加而顯著增大。這樣可以保證逆變器在最大負載率的情況下，仍然保持較低的損耗和較高的效率。但是歐洲效率中占比重最大負載率的卻是負載較輕時的效率。而輕載時，IGBT 的導通壓降并無明顯降低，這相當于降低了歐洲效率。而MOSFET 的導通壓降呈線性，負載越輕，損耗越小。并且它還具有很好的高頻工作能力。因此MOSFET 被越來越多的應用到新型逆變器的設計當中。

逆變器作為光伏發電中的核心環節，其效率起著舉足輕重的作用。逆變器的損耗由3 部分組成：功率器件的導通損耗、功率開關器件的開關損耗和輸出濾波電感損耗。導通損耗是指當開關器件上流過電流時，在其內阻上會產生一定的導通壓降，這一導通壓降和其流過的電流的乘積就產生了功率損耗。在一個基波周期內，將所有開關器件的功率損耗累加，再除以工頻周期，就是導通損耗功率。所以在計算導通損耗時，需要知道功率器件上的導通壓降、導通時間和電流。

開關損耗是指在IGBT 開通關斷和反并聯二極管關斷的過程中，因電壓電流不能突變，需要一定時間，這就產生了交疊面積，從而形成了開關損耗。其大小可由下式求得：

其中，Vdc為逆變器實際輸入的直流電壓，Vdc*為數據手冊給出的開關損耗測試參考直流電壓。

輸出濾波電感損耗可分為兩部分：磁芯損耗和繞線損耗。磁芯損耗可根據廠商提供的磁芯損耗曲線查到。繞線損耗可由下式求得：

其中，IArms為負載電流iA的有效值，rCu為銅線電阻率，NCu為并繞股數。

逆變器的這三類損耗中，開關損耗占主要部分，頻率越高，其所占的比例越大。在頻率為5kHz 時，開關損耗占總損耗的40%。而在頻率為20kHz 時，開關損耗可達總損耗的78%。導通損耗不隨頻率的改變而變化，占總損耗的12%。濾波電感損耗隨頻率的增高而降低，所占總損耗的比重較小。因此，要提高逆變器的工作效率，關鍵在于減小功率器件中的開關損耗。

變壓器損耗主要為兩部分：空載損耗和負載損耗。空載損耗也稱鐵耗，由磁滯損耗和渦流損耗構成，它的大小是固定的，不隨負載而變化[4]。負載損耗也稱銅耗，是由變壓器的電阻產生的，其大小與電流的平方成正比。當變壓器的銅損等于鐵損時，其效率最高[5]。這是的負載率稱為最佳負載率。計算式為：

其中，K 為變壓器的無功損耗對網絡造成的有功損耗系數, 一般取 0.02-0.1；P0為空載損耗，Pk為銅耗。

經以上分析并計算，可得整個光伏電站的總體效率約為：

2 結束語

影響光伏電站效率的因素非常多，且各因素是不斷變化的。其效率受天氣、環境、所選設備型號、負載情況、控制策略等因素影響，因此效率無法固定在某一個值上。以上分析只是選取了某些條件，并且忽略的諸多因素得出的結果，其具體效率應當結合工程實際來計算，過程也會復雜的多。但是其分析過程和損耗產生的機理，對于研究如果提高光伏電站的效率仍具有借鑒意義。

［1］趙爭鳴,雷一,賀凡波,魯宗相,田琦.大容量并網光伏電站技術綜述[J].電力系統自動化,2011,35(12)：101.

［2］陳祥.基于機理模型的并網光伏電站實時效率分析[J].太陽能,2012,12(3):43-47.

［3］魏晉云.太陽電池效率與串聯電阻的近似指數關系[J].太陽能學報,2004,25(3):356-358.

［4］胡景生.變壓器能效與節電技術[M].北京:機械工業出版社,2007.

［5］李安人.配電變壓器負載率、效率與經濟運行的探討[J].電工技術雜志,2001(4).