太阳能效率的提高

太阳能电池板发电效率的提高

太阳能发电系统一般分为并网系统和离网系统，分别如下图所示： 1）：并网系统

并网系统是由连接器对太阳能电池板组件进行合理的串并联，使得一个太阳能电池板阵列能够协调、稳定的工作，产生所要求的高电压和大功率，再经过逆变器将所产生的电能送进电网。

2）：离网系统

离网系统是由控制器协调管理太阳能电池板阵列和蓄电池之间的电能输出，直接供给直流设备，经逆变以后再供给交流设备。

然而不管是哪一种系统，它们的本质是将太阳的光能转化为电能：

假设接收到的光能为Q ，太阳能发电系统的能量转换系数为)1(<ββ，转换得到的电能为P ，那么可以用关系式βQ P =表示两者的关系。从该式可以看出，想要提高太阳能发电的效率（即提高P ），可以从两个方面入手：一是增加太阳能发电系统所接收的光能Q ；二是提高太阳能发电系统的能量转换系数β。

太阳能电池板阵列

连接器

逆变器

电网

太阳能电池板阵列 蓄电池 控制器 逆变器

交流设备

直流设备

电能

光能

太阳能发电系 统

连接器

对于增加太阳能发电系统所接收的光能Q 一般采用的方法是为太阳能电池板配备太阳跟踪系统，保证在有太阳的情况下太阳能电池板能始终与太阳光线垂直，最大限度的接收太阳光。

对于提高太阳能发电系统的能量转换系数 一般有三种方法：1）改进太阳能电池板的制造工艺，从根本上提高太阳能电池板的发电能力；2）配备太阳能电池板恒温系统，保证太阳能电池板始终运行在25°的工作环境下，因为在此温度下太阳能电池板转换能力最强；3）采用最大功率点追踪器（MPPT ），使得太阳能电池板始终保持最大功率输出。 从上述的分析可以看出，要想提高太阳能发电效率，其最根本的办法是改进太阳能电池板的工艺，但是这是一个很复杂而且长期的过程，所以针对目前的状况，我们可以从其他三个方面入手，来提高太阳能发电的效率。 一：追日系统

目前普遍应用的追日系统从原理上讲主要有两种：一种是采用传感器实时探测太阳的位置，控制器相应的对太阳能电池板的角度作出调整；另外一种是通过当地的经纬度事先标注好太阳的移动轨迹，然后控制器控制电池板随着时间的变化调整其角度。两种方法各有利弊，但是从理论分析上来讲第一种更好一些，它是一个闭环负反馈系统，适应性强，能够克服外界的干扰；第二种方法属于一个开环系统，一旦外界出现干扰，将一点修正的能力也没有。两种方案的控制框图如下所示： 方案一：

方案二：

在实际中，太阳能电池板一般都是以阵列的形式安放，因此很容易受到风速的影响，在这种情况下，方案二显得很不合适，因为方案二的系统对外界风速的干扰完全无能为力，这样对提高效率的能力将大打折扣；但是也不能就此否定方案二选择方案一，因为我们增加

——

+ 角度设定值 控制器 步进电机

太阳能电池板

传感器

控制器 步进电机

太阳能电池板

预设坐标

追日系统的目的是提高太阳能发电的效率，因此追日系统本身的能耗要控制得很低，否则的话就算控制很完美，也是没有实际意义的。两种方案比较而言，在同等条件下，方案二肯定比方案一耗能少，因此综合考虑到这些因素，可以综合两种方案，在方案二的基础上引入一个内部反馈，这样既能克服干扰，又不需要额外的能量消耗，可以说是结合了两者的优点。具体设计思路如下：

我们的最终目的是使得电池板的输出功率达到最大，所以将输出功率作为反馈变量，这只需要从内部引出，而不需要增加额外的传感器，从软件上就可以实现，因此引入的这个反馈几乎不会增加任何的能量消耗，方案二中，当太阳能电池板安装完成以后，它的角度就只是时间的函数，受外界干扰影响或者经纬度太阳轨迹计算上的误差的影响，方案二中的电池板几乎不可能保证电池板与太阳光线垂直，但是也不会偏离太大，只是在最大值附近，如下图所示：

因此可以通过程序每隔一段时间T （比如五分钟）在区间],[31θθ进行搜索，判断搜索方向的方法采用试探式搜索，具体是初始方向随机选取，第一步搜索之后，如果当前P 值是增加方向，那么继续此方向搜索，如果是减少方向，那么反方向再搜索，如此找到Pmax 所在的2θ。实际中并不需要完全搜索到Pmax ，只要在规定误差范围之内就可以了。找到了

2θ，那么电池板在该时段T 就保持该角度不变，到下一个时间段再次搜索确定角度，如此

反复。此方案其实可以看作是另一种形式的MPPT 经典干扰观测法，其本质都是PID 算法的变体，它可以说是折中了方案一和方案二，从理论上讲也没有完全达到最优，但是实际效果却是明显改善了。

当然，这种改进实现的前提是其他条件一定，即只考虑光照角度与输出功率之间的关系，如果将前面所述三方面提高效率的方法综合在一起的话，特别是增加最大功率追踪器以后，

Pmax

3

θ2θ1θ P θ

这种方案就会和MPPT 算法产生耦合，因此从这个角度考虑对方案一进行降能耗的改进是非常必要的，在这里，/p-8475822.html 所介绍的一种新型的太阳跟踪系统是很有参考价值的。

二：恒温系统

恒温系统的控制原理和追日系统是一样的，只是传感器、执行器和控制算法的具体形式有所区别而已。这里只考虑对太阳能电池板在温度过高的情况下降温过程。控制框图如下：

这里最关键的问题在于执行器的选择上，目前探索的方法有冷风降温和冷水降温，冷风降温是通过控制空调装置的输出冷风量的大小来调节太阳能电池板表面温度；冷水降温是通过控制盘管内流动冷水的流量来调节太阳能电池板表面温度。从控制的角度讲两者仅仅只有控制特性上的不同，但是在能耗与经济性上还需进一步结合实际进行比较、分析、论证。

三：最大功率追踪

目前在太阳能发电效率的提高问题上，研究最多的就是最大功率追踪（MPPT ），对于并网系统和离网系统，MPPT 的实质原理是一样的：如果把太阳能电池板看做一个电压源的话，它有一个内阻，而影响决定这个内阻的最主要因素是光照强度和环境温度，从电路知识可以知道当负载阻抗与内阻相等时输出功率最大，因此MPPT 的功能就是使得负载阻抗等于内阻，当然，这只是理论上的分析，实际中这个内阻是不存在的，因此在具体的实现中是通过搜索法来寻找最大功率点的，最大功率点的搜索算法目前有很多种，如经典干扰观测法、电导增量法、恒定电压法、变步长干扰观测法等等，除此以外，很多先进智能算法也被引进到了最大功率点的搜索中，例如模糊控制法、滞环比较法、最有梯度法以及神经网络法等等。当然，这些算法各有优缺点，没有哪一种算法能够适应所有的场合，因此在实际中要结合实际的现场环境来选择最合适的算法，不能一味的认为先进智能算法就是最好，毕竟，能用简单的方法解决复杂的问题才是最值得提倡的。这里，结合前面所设计的追日系统和恒温系统，选择最简单的恒定电压法。

25°

控制器

执行器

太阳能电池板

温度传感器