太陽能光伏陣列及光伏發電技術略論

付浩然

廣東電網有限責任公司惠州供電局 廣東 惠州 516003

引言

在全球經濟高速發展的背景下，社會發展、公民生活均對能源資源有更高的需求。在需求量不斷擴大的背景下，一些不可再生能源潛藏的危機逐步暴露出來，可再生能源進入人們視線，并成為人們重點探究內容。在不可再生能源日益減少的背景下，新能源開發、使用成為全球經濟發展、社會持續進步的關鍵內容與重要難點[1]。但在這一過程中，新能源的實際開發水平會對可持續發展造成直接影響，也會對我國科學發展、長久發展造成較大影響。太陽能是一種可再生能源，也是一種取之不盡、用之不竭的能源，充分滿足社會、人們發展的實際需求[2-3]。積極應用、轉變太陽能，充分提高其利用效率與利用途徑，是促進社會發展、公民生活質量提高的關鍵[4]。在新時期背景下分析，和傳統能源進行比較，太陽能不僅是可再生能源，還是清潔能源，采集、轉化與使用期間不會對周圍環境造成污染，還能滿足人們的能源實際需求。從1839年開始，太陽能發電就是重點研究內容，其中太陽能光伏發電是應用最廣泛、技術最成熟的技術之一，且在科學水平持續提高的背景下，太陽能的光伏發電成本持續下降。光伏發電系統由多種部件組成，包含太陽能電池陣列、逆變器、蓄電池以及負載等等，這些部件均是國內外對光伏發電技術的一種主要體現，具有極高的現實意義。

1 太陽能光伏陣列及光伏發電技術概述

1.1 陣列和數學模型

太陽能發電系統由多種部件組成，其中最核心的部件之一是太陽能光伏陣列（見圖1），能夠充分吸收太陽光，繼而進行有效的能量轉換，充分實現太陽能的有效應用。光伏列陣屬于半導體裝置，主要在電能轉換中應用。若單純使用晶體物理理論進行分析，很難明確光陣列的相應方程式，也無法全面反映光伏陣列的實際伏安特性，所以必須充分掌握光伏陣列原理，通過原理與實際情況合理創建太陽能光伏陣列的數學模型。鑒于光伏陣列是在光生伏特效應基礎上直接完成能量轉換的，所以在分析整體結構時可將其看作半導體光電二極管。正常情況下，于太陽光直射時，在半導體P-N結上形成相應的新空穴-電子對，受P-N結作用影響可有效實現電子流動，有效強化電能流動以及電路流通。

圖1 太陽能光伏電站系統框架圖

1.2 光伏發電技術

太陽能轉換過程中，太陽能光伏發電技術主要通過光生伏特效應達到將太陽能有效轉換電能的目的。不管是通過并網發電方式，還是獨立發電方式，進行功能操作時均需應用控制器與太陽能電池板等多種電子元器件，并讓這些期間充分發揮協同作用。從實際應用可發現，光伏發電設備實際應用期間，具有操作精煉，使用簡單等特點，所以可在多個場合、多個領域中廣泛應用，進一步強化光伏發電的實際效果。正常情況下，太陽能光伏發電方式一共有兩種，第一種是光熱發電，第二種是光伏發電。從實際應用可發現，光伏發電具有十分廣泛的應用范圍，應用頻率最高。站在電流輸送方式角度展開分析，太陽能光伏發電也有兩種模式，第一種是分布式光伏發電，第二種是獨立式光伏發電。利用太陽能光伏發電進行供電時，需及時配置相應的交流逆變器，應用該設備讓直流電逐步轉換成正弦交流電。分布式光伏發電應用期間，對外界環境有很高要，在該發電模式之下，可將太陽能光伏陣列的電能轉換作用充分發揮出來，繼而達到全面輸出剩余電能的目的。直流匯總箱能夠直接集中往直流配電柜中輸出剩余的電能，并網逆變器也能發揮剩余電能集中輸出的作用，還可將直流電有效轉換成交流電，在朝建筑物負載完成電流轉移之后，剩余交流電能夠順利完成并網處理工作。

2 太陽能光伏發電技術的具體類型

2.1 太陽能電池技術

該技術是比較典型的太陽能發電技術，可有效解決太陽能轉變成電能的相關儲存問題，還可有效減少不必要的能源損害，充分利用太陽能，促進太陽能技術發展。現今常用的太陽能電池有很多類型，包含硅太陽能電池與多元化合物薄膜太陽能電池等類型。但因為不同電池的特性、特點存在鮮明差異，所以電池實際分類存在較大差異。在太陽能發電技術持續發展、進步的背景下，很多新概念電池、新結構電池問世。在太陽能光電技術充分應用的背景下，電能轉化率高達93%以上。太陽能電池技術依然處于高速發展狀態，但發展過程中存在較多問題，第一個問題是成本過高問題?，F今制作太陽能電池時，必須應用硅原料，所以具有較高的造價成本。第二個問題是轉化效率問題，在技術持續提升的背景下，光電轉化率逐步提升，這也是技術發展、革新的主要發展方向、具體體現方式。第三個問題是太陽能電池的相關處理問題、相關技術發展問題，太陽能電池廢棄后也會對生態環境造成一定危害，如何減少太陽能電池對生態環境造成的影響，是未來研究的重點內容。

2.2 聚光光伏技術

這也是比較常見的太陽能發電技術，主要是通過太陽照射特點研究出來的一種技術。太陽照射存在較強、較明顯的分散性，所以很容易導致能量損耗，最終對發電功率造成影響。想要進一步提升太陽能的實際轉化效率，必須提高對太陽能照射密度的重視，主動進行聚光處理，之后實施發電操作，才能有效解決相關問題，充分利用太陽能。聚光光伏技術就是這樣一種技術，能夠幫助太陽光實現高轉化，也是現今比較重要的一種光伏發電技術。聚光光伏能夠有效處理光轉化效率問題，在規模效應出現后，聚光光伏發電還會有成本優勢凸顯出來。聚光光伏系統還存在占地面積小，幾乎無須耗費水資源等優勢，能夠充分凸顯其節水特點，符合環保綠化與節省能源的新時期發展原則，所以該技術迅速成為新時期最看重的一種太陽能發電技術?，F今，聚光光伏被市場上與研究領域稱作第三代太陽能光伏發電技術，和以往使用的晶體硅太陽能電池以及薄膜太陽能電池比較，技術優勢更為突出。在技術持續升級與提高后，聚光光伏技術還能在各個領域推廣普及，充分發揮技術優勢，充分提高太陽能的有效利用率。

2.3 光伏陣列最大功率點跟蹤技術

光伏發電功效能夠將太陽能有效轉化成電能，可輔助相關領域充分利用新能源，還可實現新能源的再次利用，繼而形成資源可持續發展的新局面，有利于發電領域發展和進步。但從實際能量轉化可發現，鑒于輸出電壓電流會被外界環境的光源強度、實際濕度、氣候溫度等多種因素影響，所以光伏陣列存在非線性特征。為有效減少相應的負載壓力，必須盡可能對光伏陣列系統輸出最大功能，繼而有效維持光伏陣列系統的平衡。在這一過程中，最大功率點跟蹤技術顯得十分重要。最大功率點跟蹤技術是現今比較推崇的太陽能發電技術，但其技術控制方法存在鮮明差異，所形成控制結果也有較明顯差異?，F今多采用最大功率點跟蹤技術有效解決相應的發電系統高效率運轉問題，也是實現系統高效率運轉的主要技術。但是，在這一過程中，如何持續性、有效性的為光伏陣列系統輸入最大功率，成為該領域的重點研究內容。針對上述問題，現今研究出多種方法，如利用敏感性較強信息化技術有效控制光伏陣列，達到實時監控、管理光伏發電的相關情況，還可結合電功率實際變化有效調整電池陣列實際輸出功率，繼而維持電池陣列高功率狀態，最大程度上發揮太陽能發電作用。

3 太陽能光伏發電技術的實際體現

3.1 并網光伏發電系統

在太陽能電池陣列應用期間，必須解決輸出電能轉變為和電網相匹配交流電這一問題，積極應用并網光伏發電系統無疑可解決問題，系統還可發揮其他作用，及時將產生的多余電能利用電網傳輸模式傳遞到其他電能供給不足系統中，幫助該系統解決電能不足的問題，系統的實際應用靈活性與有效性較好。并網光伏發電系統現今多在城市并網光伏電站中應用，能夠有效調節電網電能含量，滿足城市居民的實際用電需求，保證城市始終正常合理運轉。既往太陽能光伏發電具有較高的成本，主要體現在太陽能電池的成本過高這一方面，這是限制該技術推廣普及的主要原因。但在新時期背景下，新技術持續問世并普及，新型光伏材料廣泛應用、積極推廣，所以太陽能光伏法定成本以及穩定性持續下降，發電轉化率明顯提升。并網光伏發電系統由多種部件組成，包含電子器件以及微處理器等，這些部件也在積極發展創新，性能水平明顯提高，這些變化都是讓并網光伏發電系統進一步發展、有效完善的關鍵原因。

3.2 獨立光伏發電系統

現今應用的太陽能發電系統較多，部分系統屬于孤立發電系統，比如獨立光伏發電系統。和一般并網發電系統進行比較，該系統主要在部分偏遠地區供電站使用，獨立性是該系統的典型特征，也是避免偏遠地區用電被其他地區影響的有效方法，能夠承擔該偏遠地區居民的實際用電需求。但從實際應用可發現，獨立光伏發電系統存在較多影響因素，應用期間容易被外界氣候與電能負荷等多重因素影響，繼而導致系統穩定性一般，難以保證偏遠地區居民的穩定、安全、持續、有效用電。為有效解決獨立光伏發電系統這一問題，可在系統中添加適宜的能量管理設備或是能量儲存設備，繼而有效應對用電問題，提高系統的穩定性。獨立光伏發電系統有兩種類型，一種是直流發電系統，一種是交流發電系統。其中直流發電系統存在有蓄電池、無蓄電池兩種類型。交流發電系統主要在基礎設施建設、道路施工建設中應用，尤其是限定區域中的路燈改造環節、能源節能節約環節等范圍中，可發揮重要作用。

4 結束語

在全球經濟化背景下，公民用電需求日益升高，電能是否供應充足，直接影響各個國家、各個地區的科學發展、經濟發展、居民生活質量，但在能源有限的情況下，積極研究并使用太陽能等可再生清潔能源，將其高效率的轉化為電能，是非常有必要的。