作者： 许晖 尹忠东
来源：《科技视界》 2014年第9期
许 晖 尹忠东
(新能源电力系统国家重点实验室 〈华北电力大学〉，中国 北京 102206)
【摘 要】光伏发电被认为是当今最具发展前景的新能源技术，世界各国已将发展光伏发电作为可持续发展的战略决策之一。发电效率作为光伏发电最核心的问题，则成为太阳能技术研究的重点。文章通过分析光伏发电的各个部分和设备的工作特点及其原理，分别计算了各自的效率，明确了损耗的来源和机制，并从整体上得到了光伏发电的整体效率。
【关键词】光伏发电；效率；逆变器；损耗
0 引言
如今人们对能源需求越来越高，对生活质量的要求也越来越高。然而大量的能源消耗不仅造成了资
源枯竭，更污染了环境，使得人们的这些要求成为了一对矛盾。光伏发电作为新能源发电的重要组成部分，无疑是解决这一矛盾的有效途径。当今各国已加大了研究和投资力度，大力发展这一产业[１]。虽然太阳能无处不在、用之不竭，但将其作为主要的电力来源还有很多技术挑战。其中最大的瓶颈就是其效率问题[2]。如何最大限度的利用太阳能，提高效率成为问题的关键所在。然而在研究如何提高效率之前，应先分析每一环节的效率和能量损失的机制，这样才能从每一部分入手，综合全面的理解效率问题，为提高效率打下基础。
1 光伏电站的效率分析
光伏电站由这几部分组成：光伏阵列——汇流箱——逆变器——升压变压器。每一个环节都有能量损失，因此最终的效率将是经过4处损耗后的效率。
太阳能电池利用的是P-N结的光生伏打效应将太阳能转化为电能。当由于入射了太阳光子使得P-N产生正向电压时，内电场就会使P层的空穴移动到N层。在穿过P-N层的过程中，P型材料中的空穴漂移电流就变成了N型材料中的电子电流；而N型材料中的电子漂移电流变成了P型材料中的空穴电流。空穴和电子电流的总和就是总电流密度。而当空穴接近P-N结时，其与电子复合，抵消了一部分电量，降低了总的电流密度，这也是导致其效率降低的因素之一。太阳能电池中材料体的电阻和界面处载流子的电阻还有材料之间的接触电阻可等效为串联内阻。串联内阻对太阳能电池最大功率点的位置有着
较大影响，且太阳能电池效率随串联内阻呈指数减少的趋势[3]。此外，电池片的遮光面积、光伏阵列表面沉积的灰尘、原材料本身的缺陷等，都能导致其光电转换效率降低。再考虑了以上因素后，光伏阵列的效率约为84%。
汇流箱的作用是将一定数量、规格相同的太阳能电池所发出的电能汇聚起来，再通过后续配套的设配与光伏发电系统连接，实现并网。汇流箱的运行需要电源，其有两种供电方式：外部供电和自供电。其中，自供电是汇流箱内部直接取用直流电，并通过电源开关转换为所需的工作电压（通常为24V）。因其电量小，所造成的损耗非常小，可以忽略不计。
衡量逆变器效率有两个常用的指标：最大转换效率和欧洲效率。最大转换效率是指逆变器所能达到的最高效率。欧洲效率指按照在不同功率点效率根据加权公式计算出的效率。对逆变器的设计而言，欧洲效率的最大化更为重要。因为逆变器受天气变化和其他因素的影响，不可能时时运行在最大效率点。而欧洲效率考虑了光强的变化，能更加准确的衡量逆变器的性能。它是由不同负载情况下的效率，按照加权累加得到的。其中50%负载率时的效率占了其最大组成部分。为了提高欧洲效率，仅仅降低额定负载时的功率损耗是不够的，必须要同时提高不同负载率是的效率。由于大多数逆变器使用的开关器件是IGBT，它的导通压降是非线性的，其不会随电流的增加而显著增大。这样可以保证逆变器在最大负载率的情况下，仍然保持较低的损耗和较高的效率。但是欧洲效率中占比重最大负载率的却是负载较轻时的效率。而轻载时，IGBT的导通压降并无明显降低，这相当于降低了欧洲效率。而M
OSFET的导通压降呈线性，负载越轻，损耗越小。并且它还具有很好的高频工作能力。因此MOSFET被越来越多的应用到新型逆变器的设计当中。
逆变器作为光伏发电中的核心环节，其效率起着举足轻重的作用。逆变器的损耗由3部分组成：功率器件的导通损耗、功率开关器件的开关损耗和输出滤波电感损耗。导通损耗是指当开关器件上流过电流时，在其内阻上会产生一定的导通压降，这一导通压降和其流过的电流的乘积就产生了功率损耗。在一个基波周期内，将所有开关器件的功率损耗累加，再除以工频周期，就是导通损耗功率。所以在计算导通损耗时，需要知道功率器件上的导通压降、导通时间和电流。
开关损耗是指在IGBT开通关断和反并联二极管关断的过程中，因电压电流不能突变，需要一定时间，这就产生了交叠面积，从而形成了开关损耗。其大小可由下式求得：
其中，V为逆变器实际输入的直流电压，V*为数据手册给出的开关损耗测试参考直流电压。
输出滤波电感损耗可分为两部分：磁芯损耗和绕线损耗。磁芯损耗可根据厂商提供的磁芯损耗曲线查到。绕线损耗可由下式求得：
其中，I为负载电流iA的有效值，r为铜线电阻率，N为并绕股数。
逆变器的这三类损耗中，开关损耗占主要部分，频率越高，其所占的比例越大。在频率为5kHz时，开关损耗占总损耗的40%。而在频率为20kHz时，开关损耗可达总损耗的78%。导通损耗不随频率的改变而变化，占总损耗的12%。滤波电感损耗随频率的增高而降低，所占总损耗的比重较小。因此，要提高逆变器的工作效率，关键在于减小功率器件中的开关损耗。
变压器损耗主要为两部分：空载损耗和负载损耗。空载损耗也称铁耗，由磁滞损耗和涡流损耗构成，它的大小是固定的，不随负载而变化[4]。负载损耗也称铜耗，是由变压器的电阻产生的，其大小与电流的平方成正比。当变压器的铜损等于铁损时，其效率最高[5]。这是的负载率称为最佳负载率。计算式为：
其中，K为变压器的无功损耗对网络造成的有功损耗系数,一般取0.02-0.1；P0为空载损耗，Pk为铜耗。
经以上分析并计算，可得整个光伏电站的总体效率约为：
?浊=?浊1×?浊2×?浊3×?浊4=84%×100%×98.7%×99.3%=82.3%
2 结束语
影响光伏电站效率的因素非常多，且各因素是不断变化的。其效率受天气、环境、所选设备型号、负载情况、控制策略等因素影响，因此效率无法固定在某一个值上。以上分析只是选取了某些条件，并且忽略的诸多因素得出的结果，其具体效率应当结合工程实际来计算，过程也会复杂的多。但是其分析过程和损耗产生的机理，对于研究如果提高光伏电站的效率仍具有借鉴意义。
【参考文献】
［1］赵争鸣,雷一,贺凡波,鲁宗相,田琦.大容量并网光伏电站技术综述[J].电力系统自动化,2011,35(12)：101.
［2］陈祥.基于机理模型的并网光伏电站实时效率分析[J].太阳能,2012,12(3):43-47.
［3］魏晋云.太阳电池效率与串联电阻的近似指数关系[J].太阳能学报,2004,25(3):356-358.
［4］胡景生.变压器能效与节电技术[M].北京:机械工业出版社,2007.
［5］李安人.配电变压器负载率、效率与经济运行的探讨[J].电工技术杂志,2001(4).
光伏发电 ［责任编辑：谢庆云］
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