光伏發電的發展現狀及控制方法研究

徐修衍

河海大學 能源與電氣學院，江蘇 南京 211100

0 引言

我國正處于經濟快速發展時期，各類項目對能源的需求不斷增加。傳統的煤炭等化石燃料能源儲存量逐漸減少，加劇了能源危機。因此，在未來的發展中，需加速能源發展，研究太陽能光伏發電技術。

傳統化石燃料會引起環境污染等問題，給人們的健康和日常生活造成嚴重困擾，因此需要引起全世界的重視。光伏發電技術的創新和應用，不僅可以解決電力消耗問題，而且可以起到保護環境、促進生態可持續發展的作用。

1 光伏發電的發展現狀

1.1 光伏發電材料的發展

1.1.1 晶硅材料

光伏產業發展的基礎是發電材料，人們發現半導體硅的發電原理后，光伏發電技術主要采用的是二極管發電技術。最初采用的是單晶硅發電技術，因為單晶硅的晶化時間長，且對材料造成的損耗較大，導致發電效率較低、成本非常高，逐漸無法跟上工業規模。因此，人們探索出了一種新的結晶技術——多晶硅的晶化技術，多晶硅的晶化時間更短，能量消耗更低，提高了生產力。

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

1.1.2 非晶硅材料

隨著技術發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業。非晶硅材料對原材料的消耗更少，結晶溫度更低，且大批量生產能耗更低。

1.1.3 有機半導體材料

目前，對有機半導體的研究也逐漸深入，并五苯和噻吩材料光伏陣列轉化率已達5%，其工藝簡單、實用性強、柔性強，應用前景廣闊。薄膜電池近些年也引起廣泛關注，其可分為硅系、Ⅱ/Ⅳ族化合物等，目前用于光伏陣列的轉化率基本在20%左右?？紤]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、化合物電池及有機物電池等都已展現出優良特性和性價比，在未來技術成熟時，將逐漸成為光伏陣列的主流材料[1]。

1.2 國內發展現狀

近幾年，國內的光伏發電產業雖然規模擴大，但是總體發展還處于制造業范疇，大多數企業的創新研發能力有限，沒有自己的知識產權和特色產業，一旦危機來臨，產業鏈的成本增加，企業將進入寒冬期。受原材料的限制，多晶硅和單晶硅價格都開始上漲，導致國內的太陽能產品價格上漲，失去了以前的低價優勢；同時，國外的市場只能消化一部分產能。目前，光伏發電主要朝著以下三個方向發展。

（1）引入光伏發電競爭機制。激發光伏發電企業的競爭意識，提高各企業創新研發能力。

（2）加強對可再生能源的利用，解決棄光難題。為響應綠色、清潔能源的發展號召，光伏發電企業要加強對可再生能源的開發及利用，提高可再生能源在發電能源中的占比。企業應減小火力發電的規模，抑制棄光問題的出現，并加大對配電網及輸電通道等設施的資金投入。

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

1.3 國外發展現狀

在國外，光伏行業的發展一般先由政府扶持，提供前期助力。政府通過免稅降稅、財政補貼、降低出口關稅等經濟或政策手段幫扶，當企業能夠基本生存之后，再引進民間資本，逐漸擴大行業規模，從而產生收益，使企業開始良性循環。

從各個國家的發展經歷來看，無論是政府還是民間資本的投入，光伏產業的回報比都不高，再加上經濟危機、財政壓力等問題，對光伏產業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”和能源問題的驅動下，對于光伏產業的扶持又逐漸提上日程。

2 太陽能電池的光伏發電原理

光伏發電可以基于半導體界面的光生伏特效應，將光能直接轉化為電能，如圖1所示。太陽能電池的芯片是一種具有光電效應的半導體器件。半導體的PN結受到太陽光照射后，被吸收的光激發，使束縛的電子處于高能級狀態，成為自由電子。這些自由電子在晶體內部向各個方向移動，產生“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，空穴（+）聚集在P結，在電池兩端積累起異性電荷，產生電動勢，即光生電動勢。

圖1 光生伏特效應

當多個太陽能電池串聯或并聯時，可以形成輸出功率較大的太陽能電池方陣。光伏發電系統產生的直流電流經過一系列逆變、檢測、控制、保護等過程，最終并入電網。

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時的特性曲線，結合不同阻值時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所測得的電流大??；開路電壓Uoc為太陽能光伏陣列完全不帶負載時測得的兩端電壓值；負載電阻變化會導致太陽能光伏陣列的輸出功率改變，而當負載電阻等于太陽能光伏陣列的內阻時，測得的輸出電壓和輸出電流就是最大功率點的輸出電壓Um和輸出電流Im，此時得到的功率就是最大輸出功率Pm[5]。

轉換率η指在最大功率輸出點的轉化率，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。溫度補償系數α和β分別為開路電壓的溫度系數和短路電流的溫度系數，都受到溫度T的影響：

4 光伏發電的控制方法

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。當光照強度不變時，在工作條件下的光伏陣列產生的光生電流不隨時間變化而改變，可將其視為理想的恒流源。部分流入外電路負載RL的光生電流為I；在此電流作用下，負載上形成路端電壓U；路端電壓反過來流向偏置于PN結的等效二極管，產生的暗電流Id與光電流相反；材料本身具有一定的電阻率，電壓流入外電路時電阻增大，電阻在等效電路中等效為一個串聯電阻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，使得應該流過負載部分的電流短路，在等效電路中等效為一個并聯電阻Rsh。因此，光伏陣列可以等價于一個五參數模型，參數分別為光電流Iph、二極管反向飽和電流Io、曲線擬合因子a、串聯電阻Rs及并聯電阻Rsh。

圖4 光伏陣列等效模型

4.2 基于數學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）、短路電流比例系數法和插值計算法等。其中，恒定電壓法是指在系統控制要求不高或外界環境條件變化不大的情況下，最大功率點的電壓波動范圍小，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系，通過調節開路電壓Uoc即可快速追蹤到最大功率點[6]。

4.3 基于采樣數據的直接控制方法

采用直接控制方法可以實時采集光伏電池輸出的電壓值和電流值，根據系統運行的實際狀況實現最大功率點跟蹤。這類方法主要有擾動觀察法（P&O）和電導增量法（INC）等。

擾動觀察法是通過對光伏電池的輸出電壓不斷施加擾動，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，直到使系統跟蹤到最大功率點并穩定運行。

相較于擾動觀察法，電導增量法可以通過實時測量和比較，快速準確地預估出最大功率點的大致位置，進而實現最大功率跟蹤，避免了電壓調整的盲目性。但是電導增量法的計算量較大，其穩態精度和計算速度成反比[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、人工神經網絡等算法。模糊邏輯控制算法不需建立光伏發電系統準確的數學模型，具有魯棒性強、跟蹤精度高等特點。

基于人工神經網絡的跟蹤最大功率點算法計算工作量小、響應速度快，具有強大的推理和記憶能力，但是缺點是對于不同的光伏發電系統，需要對樣本進行針對訓練且訓練時間較長[8]。

5 結束語

在能源短缺及環境污染的背景下，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。其中，光伏發電技術吸引了越來越多能源專家及能源企業的研發與投資。光伏電池的最大功率點主要受光照強度和溫度的影響，如何實現太陽能光伏電池最大功率輸出將成為研究的重點。