光伏發(fā)電的效率計算

1、光伏發(fā)電的效率計算作者：許暉尹忠東來源：科技視界2014年第9期許暉尹忠東（新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室華北電力大學(xué)，中國北京102206）【摘 要】光伏發(fā)電被認(rèn)為是當(dāng)今最具發(fā)展前景的新能源技術(shù)，世界各國已將發(fā)展光伏發(fā) 電作為可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略決策之一。發(fā)電效率作為光伏發(fā)電最核心的問題，則成為太陽能技術(shù) 研究的重點。文章通過分析光伏發(fā)電的各個部分和設(shè)備的工作特點及其原理，分別計算了各自 的效率，明確了損耗的來源和機制，并從整體上得到了光伏發(fā)電的整體效率?！娟P(guān)鍵詞】光伏發(fā)電；效率；逆變器；損耗0引言如今人們對能源需求越來越高，對生活質(zhì)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

2、染了環(huán)境，使得人們的這些要求成為了一對矛盾。光伏發(fā)電作為新能源 發(fā)電的重要組成部分，無疑是解決這一矛盾的有效途徑。當(dāng)今各國已加大了研究和投資力度， 大力發(fā)展這一產(chǎn)業(yè)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(shù)挑戰(zhàn)。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(guān)鍵所在。然而在研究如何提高效率之前，應(yīng)先分析每一環(huán)節(jié)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(chǔ)。1光伏電站的效率分析光伏電站由這幾部分組成：光伏陣列一一匯流箱一一逆變器一一升壓變壓器。每一個環(huán)節(jié) 都有能量損失，因此最終的效率將是

3、經(jīng)過4處損耗后的效率。太陽能電池利用的是P-N結(jié)的光生伏打效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)由于入射了太陽光子 使得P-N產(chǎn)生正向電壓時，內(nèi)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 7P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(dāng)空穴接近P-N結(jié)時， 其與電子復(fù)合，抵消了一部分電量，降低了總的電流密度，這也是導(dǎo)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(lián)內(nèi)阻。 串聯(lián)內(nèi)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

4、率隨串聯(lián)內(nèi)阻呈指數(shù) 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(dǎo)致其光電轉(zhuǎn)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(shù)量、規(guī)格相同的太陽能電池所發(fā)出的電能匯聚起來，再通過后續(xù) 配套的設(shè)配與光伏發(fā)電系統(tǒng)連接，實現(xiàn)并網(wǎng)。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(nèi)部直接取用直流電，并通過電源開關(guān)轉(zhuǎn)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(biāo)：最大轉(zhuǎn)換效率和歐洲效率。最大轉(zhuǎn)換效率是指逆變器 所能達(dá)到的最高效率。歐

5、洲效率指按照在不同功率點效率根據(jù)加權(quán)公式計算出的效率。對逆變 器的設(shè)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(zhǔn)確的衡量逆變器的性能。它是由不同負(fù)載情況下的效率，按照加權(quán)累加得到的。其中50%負(fù)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(fù)載時的功率損耗是不夠的，必須要同時提高不同 負(fù)載率是的效率。由于大多數(shù)逆變器使用的開關(guān)器件是IGBT，它的導(dǎo)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(fù)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

6、占比重最大負(fù)載率的卻是負(fù)載較輕時的效率。而輕載時， IGBT的導(dǎo)通壓降并無明顯降低，這相當(dāng)于降低了歐洲效率。而MOSFET的導(dǎo)通壓降呈線性，負(fù) 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(yīng)用到新型 逆變器的設(shè)計當(dāng)中。逆變器作為光伏發(fā)電中的核心環(huán)節(jié)，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(dǎo)通損耗、功率開關(guān)器件的開關(guān)損耗和輸出濾波電感損耗。導(dǎo)通損耗是指當(dāng) 開關(guān)器件上流過電流時，在其內(nèi)阻上會產(chǎn)生一定的導(dǎo)通壓降，這一導(dǎo)通壓降和其流過的電流的 乘積就產(chǎn)生了功率損耗。在一個基波周期內(nèi)，將所有開關(guān)器件的功率損耗累加，再除以工頻周 期，就是導(dǎo)通損耗

7、功率。所以在計算導(dǎo)通損耗時，需要知道功率器件上的導(dǎo)通壓降、導(dǎo)通時間 和電流。開關(guān)損耗是指在IGBT開通關(guān)斷和反并聯(lián)二極管關(guān)斷的過程中，因電壓電流不能突變，需要 一定時間，這就產(chǎn)生了交疊面積，從而形成了開關(guān)損耗。其大小可由下式求得：其中，V為逆變器實際輸入的直流電壓，V*為數(shù)據(jù)手冊給出的開關(guān)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(jù)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，I為負(fù)載電流iA的有效值，為銅線電阻率，N為并繞股數(shù)。逆變器的這三類損耗中，開關(guān)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(guān)損耗占總損耗的4

8、0%。而在頻率為20kHz時，開關(guān)損耗可達(dá)總損耗的78%。導(dǎo)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(guān)鍵在于減小功率器件中的開關(guān)損耗。變壓器損耗主要為兩部分：空載損耗和負(fù)載損耗?？蛰d損耗也稱鐵耗，由磁滯損耗和渦流 損耗構(gòu)成，它的大小是固定的，不隨負(fù)載而變化4。負(fù)載損耗也稱銅耗，是由變壓器的電阻產(chǎn) 生的，其大小與電流的平方成正比。當(dāng)變壓器的銅損等于鐵損時，其效率最高5。這是的負(fù)載 率稱為最佳負(fù)載率。計算式為：其中，K為變壓器的無功損耗對網(wǎng)絡(luò)造成的有功損耗系數(shù)，一般取0.02-0.1； P0為空載損 耗，

9、Pk為銅耗。經(jīng)以上分析并計算，可得整個光伏電站的總體效率約為：?濁=?濁 1X?濁 2X?濁 3X?濁 4=84%X100%X98.7%X99.3%=82.3%2結(jié)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(huán)境、所選設(shè) 備型號、負(fù)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(jié)果，其具體效率應(yīng)當(dāng)結(jié)合工程實際來計算，過程 也會復(fù)雜的多。但是其分析過程和損耗產(chǎn)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。【參考文獻】1趙爭鳴，雷一，賀凡波，魯宗相，田琦.大容量并網(wǎng)光伏電站技術(shù)綜述J.電力系統(tǒng)自動 化,2011,35(12)： 101.2陳祥.基于機理模型的并網(wǎng)光伏電站實時效率分析J.太陽能,2012,