光伏發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀及控制方法研究

徐修衍

河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100

0 引言

我國正處于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展時(shí)期，各類項(xiàng)目對能源的需求不斷增加。傳統(tǒng)的煤炭等化石燃料能源儲(chǔ)存量逐漸減少，加劇了能源危機(jī)。因此，在未來的發(fā)展中，需加速能源發(fā)展，研究太陽能光伏發(fā)電技術(shù)。

傳統(tǒng)化石燃料會(huì)引起環(huán)境污染等問題，給人們的健康和日常生活造成嚴(yán)重困擾，因此需要引起全世界的重視。光伏發(fā)電技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用，不僅可以解決電力消耗問題，而且可以起到保護(hù)環(huán)境、促進(jìn)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的作用。

1 光伏發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 光伏發(fā)電材料的發(fā)展

1.1.1 晶硅材料

光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)是發(fā)電材料，人們發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體硅的發(fā)電原理后，光伏發(fā)電技術(shù)主要采用的是二極管發(fā)電技術(shù)。最初采用的是單晶硅發(fā)電技術(shù)，因?yàn)閱尉Ч璧木Щ瘯r(shí)間長，且對材料造成的損耗較大，導(dǎo)致發(fā)電效率較低、成本非常高，逐漸無法跟上工業(yè)規(guī)模。因此，人們探索出了一種新的結(jié)晶技術(shù)——多晶硅的晶化技術(shù)，多晶硅的晶化時(shí)間更短，能量消耗更低，提高了生產(chǎn)力。

在硅太陽能電池中，單晶硅的轉(zhuǎn)化效率最高，在大規(guī)模的應(yīng)用和生產(chǎn)中占主導(dǎo)地位，其極限轉(zhuǎn)化效率可達(dá)27%。多晶硅的理論轉(zhuǎn)化率為20%，實(shí)際轉(zhuǎn)化率一般在12%～14%。在化合物太陽電池，可以將Ⅲ/Ⅴ族化合物結(jié)合在三種不同的薄膜構(gòu)造上，理論極限轉(zhuǎn)化率可達(dá)67%，實(shí)際轉(zhuǎn)化率為30%，有望成為一種低成本、高轉(zhuǎn)化率的光伏發(fā)電材料。

1.1.2 非晶硅材料

隨著技術(shù)發(fā)展和人們的不斷探索和研究，非晶硅材料也逐漸用于光伏產(chǎn)業(yè)。非晶硅材料對原材料的消耗更少，結(jié)晶溫度更低，且大批量生產(chǎn)能耗更低。

1.1.3 有機(jī)半導(dǎo)體材料

目前，對有機(jī)半導(dǎo)體的研究也逐漸深入，并五苯和噻吩材料光伏陣列轉(zhuǎn)化率已達(dá)5%，其工藝簡單、實(shí)用性強(qiáng)、柔性強(qiáng)，應(yīng)用前景廣闊。薄膜電池近些年也引起廣泛關(guān)注，其可分為硅系、Ⅱ/Ⅳ族化合物等，目前用于光伏陣列的轉(zhuǎn)化率基本在20%左右。考慮到成本和工藝等因素，單晶硅和多晶硅仍是主要的材料來源。然而，薄膜光伏陣列、化合物電池及有機(jī)物電池等都已展現(xiàn)出優(yōu)良特性和性價(jià)比，在未來技術(shù)成熟時(shí)，將逐漸成為光伏陣列的主流材料[1]。

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

近幾年，國內(nèi)的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)雖然規(guī)模擴(kuò)大，但是總體發(fā)展還處于制造業(yè)范疇，大多數(shù)企業(yè)的創(chuàng)新研發(fā)能力有限，沒有自己的知識產(chǎn)權(quán)和特色產(chǎn)業(yè)，一旦危機(jī)來臨，產(chǎn)業(yè)鏈的成本增加，企業(yè)將進(jìn)入寒冬期。受原材料的限制，多晶硅和單晶硅價(jià)格都開始上漲，導(dǎo)致國內(nèi)的太陽能產(chǎn)品價(jià)格上漲，失去了以前的低價(jià)優(yōu)勢；同時(shí)，國外的市場只能消化一部分產(chǎn)能。目前，光伏發(fā)電主要朝著以下三個(gè)方向發(fā)展。

（1）引入光伏發(fā)電競爭機(jī)制。激發(fā)光伏發(fā)電企業(yè)的競爭意識，提高各企業(yè)創(chuàng)新研發(fā)能力。

（2）加強(qiáng)對可再生能源的利用，解決棄光難題。為響應(yīng)綠色、清潔能源的發(fā)展號召，光伏發(fā)電企業(yè)要加強(qiáng)對可再生能源的開發(fā)及利用，提高可再生能源在發(fā)電能源中的占比。企業(yè)應(yīng)減小火力發(fā)電的規(guī)模，抑制棄光問題的出現(xiàn)，并加大對配電網(wǎng)及輸電通道等設(shè)施的資金投入。

（3）提高光伏發(fā)電的環(huán)保性。雖然太陽能是清潔能源，但是光伏發(fā)電會(huì)對環(huán)境產(chǎn)生一定的影響。我國不僅要及時(shí)建立光伏發(fā)電對環(huán)境影響的評估體系，還要對光伏材料進(jìn)行回收再利用，提高光伏材料的利用率及太陽能的轉(zhuǎn)化率[2]。

1.3 國外發(fā)展現(xiàn)狀

在國外，光伏行業(yè)的發(fā)展一般先由政府扶持，提供前期助力。政府通過免稅降稅、財(cái)政補(bǔ)貼、降低出口關(guān)稅等經(jīng)濟(jì)或政策手段幫扶，當(dāng)企業(yè)能夠基本生存之后，再引進(jìn)民間資本，逐漸擴(kuò)大行業(yè)規(guī)模，從而產(chǎn)生收益，使企業(yè)開始良性循環(huán)。

從各個(gè)國家的發(fā)展經(jīng)歷來看，無論是政府還是民間資本的投入，光伏產(chǎn)業(yè)的回報(bào)比都不高，再加上經(jīng)濟(jì)危機(jī)、財(cái)政壓力等問題，對光伏產(chǎn)業(yè)的扶持力度不如之前[3]。但在全球氣候變暖的大背景下，在“碳中和”和能源問題的驅(qū)動(dòng)下，對于光伏產(chǎn)業(yè)的扶持又逐漸提上日程。

2 太陽能電池的光伏發(fā)電原理

光伏發(fā)電可以基于半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)，將光能直接轉(zhuǎn)化為電能，如圖1所示。太陽能電池的芯片是一種具有光電效應(yīng)的半導(dǎo)體器件。半導(dǎo)體的PN結(jié)受到太陽光照射后，被吸收的光激發(fā)，使束縛的電子處于高能級狀態(tài)，成為自由電子。這些自由電子在晶體內(nèi)部向各個(gè)方向移動(dòng)，產(chǎn)生“光生電子—空穴”對，剩余的空穴在晶體周圍飄移。自由電子（-）聚集在N結(jié)，空穴（+）聚集在P結(jié)，在電池兩端積累起異性電荷，產(chǎn)生電動(dòng)勢，即光生電動(dòng)勢。

圖1 光生伏特效應(yīng)

當(dāng)多個(gè)太陽能電池串聯(lián)或并聯(lián)時(shí)，可以形成輸出功率較大的太陽能電池方陣。光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的直流電流經(jīng)過一系列逆變、檢測、控制、保護(hù)等過程，最終并入電網(wǎng)。

3 光伏陣列的輸出特性

研究光伏陣列的輸出特性，可以更好地利用光伏陣列提高能量的轉(zhuǎn)化率。不同光伏陣列在不同條件下有不同的輸出特性，一般研究的是25 ℃，1 000 W/m2時(shí)的特性曲線，結(jié)合不同阻值時(shí)的輸出電壓和輸出電流，可以得到光伏陣列的輸出伏安特性和功率特性[4]，如圖2、圖3所示。

圖2 25 ℃、1 000 W/m2的I-U曲線

圖3 25 ℃、1 000 W/m2的P-U曲線

在圖2、圖3中，短路電流Isc為太陽能光伏陣列兩端短路時(shí)所測得的電流大小；開路電壓Uoc為太陽能光伏陣列完全不帶負(fù)載時(shí)測得的兩端電壓值；負(fù)載電阻變化會(huì)導(dǎo)致太陽能光伏陣列的輸出功率改變，而當(dāng)負(fù)載電阻等于太陽能光伏陣列的內(nèi)阻時(shí)，測得的輸出電壓和輸出電流就是最大功率點(diǎn)的輸出電壓Um和輸出電流Im，此時(shí)得到的功率就是最大輸出功率Pm[5]。

轉(zhuǎn)換率η指在最大功率輸出點(diǎn)的轉(zhuǎn)化率，其大小等于太陽能光伏陣列輸出功率比光伏陣列表面所接收到光照功率。溫度補(bǔ)償系數(shù)α和β分別為開路電壓的溫度系數(shù)和短路電流的溫度系數(shù)，都受到溫度T的影響：

4 光伏發(fā)電的控制方法

4.1 建立光伏陣列等效模型

光伏陣列的等效模型如圖4所示。當(dāng)光照強(qiáng)度不變時(shí)，在工作條件下的光伏陣列產(chǎn)生的光生電流不隨時(shí)間變化而改變，可將其視為理想的恒流源。部分流入外電路負(fù)載RL的光生電流為I；在此電流作用下，負(fù)載上形成路端電壓U；路端電壓反過來流向偏置于PN結(jié)的等效二極管，產(chǎn)生的暗電流Id與光電流相反；材料本身具有一定的電阻率，電壓流入外電路時(shí)電阻增大，電阻在等效電路中等效為一個(gè)串聯(lián)電阻Rs；由于制作金屬化電極的電池片邊緣漏電、微裂紋和劃痕等處形成的金屬橋漏電，使得應(yīng)該流過負(fù)載部分的電流短路，在等效電路中等效為一個(gè)并聯(lián)電阻Rsh。因此，光伏陣列可以等價(jià)于一個(gè)五參數(shù)模型，參數(shù)分別為光電流Iph、二極管反向飽和電流Io、曲線擬合因子a、串聯(lián)電阻Rs及并聯(lián)電阻Rsh。

圖4 光伏陣列等效模型

4.2 基于數(shù)學(xué)模型的間接控制方法

間接控制方法的典型代表是恒定電壓法（CVT）、短路電流比例系數(shù)法和插值計(jì)算法等。其中，恒定電壓法是指在系統(tǒng)控制要求不高或外界環(huán)境條件變化不大的情況下，最大功率點(diǎn)的電壓波動(dòng)范圍小，光伏電池的最大輸出電壓Um與開路電壓Uoc間存在近似的線性關(guān)系，通過調(diào)節(jié)開路電壓Uoc即可快速追蹤到最大功率點(diǎn)[6]。

4.3 基于采樣數(shù)據(jù)的直接控制方法

采用直接控制方法可以實(shí)時(shí)采集光伏電池輸出的電壓值和電流值，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際狀況實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。這類方法主要有擾動(dòng)觀察法（P&O）和電導(dǎo)增量法（INC）等。

擾動(dòng)觀察法是通過對光伏電池的輸出電壓不斷施加擾動(dòng)，觀察其輸出特性的變化，以此判斷其功率大小及下一步的變化情況，直到使系統(tǒng)跟蹤到最大功率點(diǎn)并穩(wěn)定運(yùn)行。

相較于擾動(dòng)觀察法，電導(dǎo)增量法可以通過實(shí)時(shí)測量和比較，快速準(zhǔn)確地預(yù)估出最大功率點(diǎn)的大致位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤，避免了電壓調(diào)整的盲目性。但是電導(dǎo)增量法的計(jì)算量較大，其穩(wěn)態(tài)精度和計(jì)算速度成反比[7]。

4.4 基于非線性特性的智能控制方法

光伏電池的輸出特性曲線具備明顯的非線性，傳統(tǒng)的算法難以滿足其控制要求。對此，可以使用模糊邏輯控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法。模糊邏輯控制算法不需建立光伏發(fā)電系統(tǒng)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，具有魯棒性強(qiáng)、跟蹤精度高等特點(diǎn)。

基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的跟蹤最大功率點(diǎn)算法計(jì)算工作量小、響應(yīng)速度快，具有強(qiáng)大的推理和記憶能力，但是缺點(diǎn)是對于不同的光伏發(fā)電系統(tǒng)，需要對樣本進(jìn)行針對訓(xùn)練且訓(xùn)練時(shí)間較長[8]。

5 結(jié)束語

在能源短缺及環(huán)境污染的背景下，豐富的太陽能資源將為解決人類的能源問題作出巨大貢獻(xiàn)。其中，光伏發(fā)電技術(shù)吸引了越來越多能源專家及能源企業(yè)的研發(fā)與投資。光伏電池的最大功率點(diǎn)主要受光照強(qiáng)度和溫度的影響，如何實(shí)現(xiàn)太陽能光伏電池最大功率輸出將成為研究的重點(diǎn)。