徐興浩

【摘 要】由于現(xiàn)代科技的發(fā)展，化石能源已經(jīng)成為當(dāng)代生產(chǎn)其他能源的主要途徑，但是在人類科技迅速發(fā)展的同時(shí)，化石燃料的快速消耗速度也在迅速增加，對環(huán)境帶來的危害也顯露出來。溫室效應(yīng)以及霧霾等環(huán)境問題以及開始影響現(xiàn)代人的生活。由于化石燃料都屬于不可再生能源，人們開始尋找可再生的清潔能源，以太陽能作為新能源的課題成為人類研究的重點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】光伏發(fā)電;光伏陣列;傾角;前景

中圖分類號： TM615文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）27-0090-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.27.038

太陽能作為新能源的優(yōu)點(diǎn)首先是因?yàn)樘柊l(fā)出的能量足以供給人類幾十億年，幾乎取之不盡用之不竭。其次，相比化石能源他不會產(chǎn)生廢渣廢料，也不會產(chǎn)生危害人類的氣體，幾乎沒有任何污染。由于我國幅員遼闊，在中西部高原地區(qū)，南部云貴高原地區(qū)都擁有豐富的太陽能資源。但是太陽高度角，海拔高度、大氣透明度、氣候溫度、電池組件的轉(zhuǎn)換率、最大功率跟蹤等問題直接影響著太陽能光伏發(fā)電的效率。這些問題的解決與否，關(guān)乎著未來全人類的能源使用與經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

太陽能板作為太陽能發(fā)電系統(tǒng)最為關(guān)鍵的部分，作為核心的太陽能電池板是將太陽的輻射能轉(zhuǎn)化為電能，或?qū)⑵鋬Υ嫒胄铍姵刂?。由于技術(shù)原因，太陽能電池板的發(fā)電量是十分有限的，此時(shí)人們只能通過幾百或幾千的電池板串并聯(lián)形成光伏陣列一齊并入電網(wǎng)或蓄電池中。每個電池都是由半導(dǎo)體硅晶體二極管組成，根據(jù)PN結(jié)中電子與空穴的移動產(chǎn)生電流。太陽能產(chǎn)生的直流電存入蓄電池中，這又對蓄電池的保存條件有了新的要求。光伏系統(tǒng)中的DC-AC逆變器按激勵方式，可分為自激式振蕩逆變和他激式振蕩逆變。主要功能是將蓄電池的直流電逆變成交流電。通過全橋電路，一般采用SPWM處理器經(jīng)過調(diào)制、濾波、升壓等，得到與照明負(fù)載頻率f，額定電壓UN等匹配的正弦交流電供系統(tǒng)終端用戶使用。太陽能充放電控制器主要是控制充入蓄電池的功率，有效的延長了蓄電池的壽命。

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)分為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)、混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)。獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列、控制器、蓄電池、逆變器以及變換器組成，其作用就是把太陽照射的輻射能轉(zhuǎn)換為直流電，通常只有在有太陽光照時(shí)才能輸出能量?？刂破魍ǔＳ沙潆?、放電電路以及最大功率跟蹤控制構(gòu)成。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)與公共電網(wǎng)直接相連，逆變器可將光伏電池發(fā)出的電能轉(zhuǎn)換成正弦電流接入電網(wǎng)中。其中，帶有蓄電池儲能的被稱為可調(diào)度式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，逆變器配備了主開關(guān)以及重要的負(fù)載開關(guān)，因此該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)不間斷供電，具有重要的應(yīng)用價(jià)值?；旌闲凸夥l(fā)電系統(tǒng)與上面其它兩個系統(tǒng)的不同的地方是它增添了一臺作為備用的發(fā)電機(jī)組。當(dāng)光伏系統(tǒng)所發(fā)電量較少或蓄電池的儲存的電量不夠時(shí)，即可啟用備用的發(fā)電機(jī)組。它既能為交流負(fù)載直接提供電能，也能經(jīng)控制器為蓄電池進(jìn)行充電。

在我國的光伏電站的選址與建設(shè)中，一般都選在朝南的平原地帶。我國西北高原地帶也是最適合大規(guī)模發(fā)展光伏發(fā)電的地方。但是由于人們生活水平的日益提高和西北地區(qū)常常發(fā)生的棄電等能源浪費(fèi)現(xiàn)象，對于發(fā)達(dá)地區(qū)光伏發(fā)電的需求越來越高，因此將發(fā)電板設(shè)置在屋頂或者丘陵山坡上是最好的選擇，這也對不同緯度光伏發(fā)電的效率有了極高的要求。

由于緯度因素、大氣因素、地形因素，太陽的直射和散射都會影響光伏發(fā)電的效率，在緯度、地形、海拔等因素的影響下，地表反射率的不同會影響到光伏組件接收的太陽輻射量，因此在固定位置選擇一個合適的角度對發(fā)電效率尤為重要。在光伏電池板的傾角方面國內(nèi)許多專家在對單軸跟蹤式、雙軸跟蹤式、固定式、 極軸跟蹤式的光伏發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建立數(shù)學(xué)模型和試驗(yàn)研究得出不同的方案和計(jì)算結(jié)果，結(jié)合產(chǎn)品的生命周期評估傾角的角度提出了一種關(guān)于雙周跟蹤綜合效益最佳的方案。隨著時(shí)間推移，太陽輻射總量的計(jì)算方法也在不斷地改進(jìn)。典型的有Temps和Coulson模型、Hay模型，在考慮晴空指數(shù)的前提下對各向同性散射輻射模型進(jìn)行了修正。

在大規(guī)模使用光伏陣列的同時(shí)，還需考慮前后排布組件之間產(chǎn)生的遮擋問題，在電池被遮擋時(shí)，會引起局部電壓偏置導(dǎo)致光伏組件部分溫度升高發(fā)熱而引起熱斑效應(yīng)。發(fā)熱量取決于偏置電壓與流經(jīng)被遮擋電池電流的乘積。如果遮擋面積比例較小，則熱斑效應(yīng)幾乎沒有影響。因此在設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)該確定好最佳的光伏板間距。

1 大規(guī)模使用光伏發(fā)電所需要的努力

（1）光電轉(zhuǎn)化率作為最基本的問題，由于材料的光譜特性、內(nèi)部載流子造成的限制極大影響了光電轉(zhuǎn)換效率?，F(xiàn)代科學(xué)家正在從通過改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)來提高光電轉(zhuǎn)化率的方向努力。

（2）由于我國對光伏發(fā)電技術(shù)經(jīng)驗(yàn)還不夠成熟，對于設(shè)備運(yùn)營安全方面做的仍然不夠到位，現(xiàn)在已經(jīng)逐步引入清潔機(jī)器人對太陽能板進(jìn)行清潔，但是由于短路造成的火災(zāi)監(jiān)控還沒有得到有效的解決。

（3）對于大型光伏陣列的運(yùn)營廠商應(yīng)選擇業(yè)內(nèi)可靠信譽(yù)高的廠商，從原材料到電池組件、設(shè)備、逆變器、升壓變壓設(shè)備，還有一些輔助的材料包括光伏電纜的質(zhì)量都應(yīng)該有可靠的保障。

（4）國家應(yīng)出臺相關(guān)政策與法律，積極加大對于光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的資金投入以及出臺對相關(guān)企業(yè)的有效的產(chǎn)品專利保護(hù)，調(diào)動企業(yè)積極性。

（5）目前由于光伏發(fā)電屬于新型產(chǎn)業(yè)，多數(shù)企業(yè)仍不清楚其在未來的發(fā)展?jié)摿?，加大宣傳清潔能源也是有效使光伏發(fā)電發(fā)展加速的必要條件。

2 存在問題

我國幅員遼闊，寧夏、青海海西、甘肅、新疆等高原地區(qū)都具有光照資源豐富，空氣灰塵少的特點(diǎn)，而且有效的解決電力資源匱乏問題。但是，若想立刻大規(guī)模直接普及光伏發(fā)電是不可能的。人類仍然需要解決許多問題。如：

2.1 光電轉(zhuǎn)化率低，電板成本高

就太陽能板的材料分類就分為硅光伏電池、有機(jī)半導(dǎo)體光伏電池、化合物半導(dǎo)體光伏電池。硅光伏電池也分為單晶硅與多晶硅和非晶硅。其中單晶硅光伏電池的轉(zhuǎn)化率最高，高達(dá)13%～17%，而非晶體硅光伏電池轉(zhuǎn)換效率只有6%～8%。化合物半導(dǎo)體光伏電池很多具有毒性，并且還極易造成環(huán)境污染。但由于硅晶片需要多達(dá)十幾種精細(xì)的工業(yè)步驟以及大量的成本和不高的光電轉(zhuǎn)化率成為了如今光伏發(fā)電不能大規(guī)模推廣的障礙。

2.2 占地面積巨大

由于不高的光電轉(zhuǎn)化率，大面積的布置光伏陣列才能提供有效的供電量。雖然人們已經(jīng)逐步的利用屋頂以及荒漠無人區(qū)等閑置位置逐漸解決此類問題，但是仍然是杯水車薪。

2.3 地域依賴性強(qiáng)

受氣候影響大，都限制著光伏發(fā)電的發(fā)展。就受氣候溫度對光生電流以及二極管的影響根據(jù)收集的數(shù)據(jù)和matlab仿真后得知，光生電流以及功率會根據(jù)溫度的升高而降低，與此同時(shí)蓄電池容量會溫度降低。在一些長期降水霧霾的地區(qū)不能大規(guī)模的推廣。

若與傳統(tǒng)的發(fā)電比較：

圖1

火力發(fā)電廠建廠周期短、選址簡單、成本低廉、現(xiàn)代技術(shù)成熟，是現(xiàn)在使用最多的發(fā)電途徑，但是由于化石燃料的不可再生性和造成環(huán)境的污染成為人們不得不解決的問題。水力發(fā)電則綠色環(huán)保，利用水的重力勢能帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，而且還可以控制河流，防洪灌溉，發(fā)電穩(wěn)定，成本比火力發(fā)電略高。水力發(fā)電對環(huán)境要求極高，對下游環(huán)境極易造成破壞，而且不得不強(qiáng)制使下游居民移民。

3 結(jié)語

光伏具有建設(shè)周期短、易運(yùn)輸安裝、體積小、維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)，但光電轉(zhuǎn)化率低以及成本高昂成為發(fā)展阻力。能源產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的命脈，若是我國對光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)能夠達(dá)到國際領(lǐng)先水平，將會極大的推動經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，解決即將到來的能源危機(jī)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張玉，黃睿，張烈平，魏書豪.固定式光伏陣列最佳安裝角度研究.河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，40（1）：687-690.

[2]梅曉妍，王民權(quán)，鄒琴梅，黃文君.任意朝向的光伏電池板最佳安裝傾角的研究.電源技術(shù)，2014，04：687-690.

[3]董慶來，任治豪，曾曉楠，梅哲太陽能光伏電池板鋪設(shè)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)與研究.河南科學(xué)，2012，12：1788-1791.

[4]張美玲.復(fù)雜地形下光伏電站優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究.華北電力大學(xué).2018.