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中国科技期刊数据库 工业 A 1 光伏电站发电效率提升策略研究 李 勇 天津国能盘山发电有限责任公司，天津 301900 摘要：摘要：随着经济发展的转变，我国工业化进程逐渐加快，随着石油、煤炭等传统能源逐渐紧缺，且在使用传统能源过程中经常产生环境污染问题。太阳能作为清洁能源的一种代表，由于其分布广泛、清洁等特点，受到了社会各界的青睐。利用太阳能进行发电也成为了一项重要的能源发展技术。本文详细叙述了太阳能光伏发电的基本原理与光伏电站提升发电效率的措施，为建设高质量的光伏发电站提供参考。关键词：关键词：光伏发电；发展趋势；发电效率 中图分类号：中图分类号：TM615 0 引言 太阳光能是一类重要的清洁能源，具有广泛的应用前景和巨大的发展潜力。在太阳能的开发和利用过程中，可以实现节约能源、保护自然环境、促进经济发展和提高人民生活水平等多种目标，因此具有极为重要的意义。太阳能的应用范围非常广泛，可以用于发电、热水供应、建筑节能、农业生产等多个领域。通过利用太阳能，可以减少对传统能源的依赖，降低能源消耗，从而减少对环境的污染。此外，太阳能的开发和利用还可以促进经济发展，创造就业机会，提高人民生活水平。太阳能的使用对于经济低碳化和企业节能减排也具有重要的意义。在当前全球气候变化的背景下，低碳经济已经成为各国政府的共同目标。利用太阳能可以实现能源的清洁化、低碳化，从而为实现“3060”双碳目标提供了重要的支撑和手段。太阳能光伏电站是一种清洁、可再生的能源，可以取代传统的火电厂，从而有效减少有害气体和工业废渣的排放，节约石油、煤炭等资源，缓解环保压力，是未来能源发展的重要趋势。与传统火电厂相比，太阳能光伏电站不需要燃料燃烧，不会产生二氧化碳、氮氧化物、二氧化硫等有害气体，从而有效减少了大气污染的排放。此外光伏电站的建设和运营过程中也不会产生工业废渣，对环境的影响更加小。另外太阳能光伏电站利用的是太阳能，这是一种清洁、可再生的能源，不像传统火电厂一样需要消耗石油、煤炭等有限资源。这不仅有助于缓解能源紧张问题，还可以节约能源，为社会发展做出贡献。1 光伏发电系统 光伏发电是一种利用半导体材料将太阳光转化为电能的技术，其原理是基于光生伏特效应。在光伏发电系统中，太阳能电池板是关键部件，其内部由多个层次的半导体材料构成，当光线照射在太阳能电池板表面时，光子与半导体中的电子发生相互作用，电子吸收能量后变得激发，并移动到半导体的导电带中，在导电带中形成电子空穴对，即产生电荷分离，从而产生电能。根据光伏发电系统的不同应用，可以将其分为三类：（1）独立型光伏发电系统 独立型光伏发电系统主要应用于各种需要安装蓄电池，在一定范围内独立运作的光伏发电系统。这类系统通常用于偏远地区或离网区域，如山区、荒漠等地，用于为居民、农牧民、移动通讯设施等提供电力供应。（2）分布式光伏发电系统 分布式光伏发电系统一般靠近用电现场，可为高耗能用户提供电能需求。例如，安装在屋顶或停车棚顶上的分布式光伏系统，可以为住宅、商业建筑等提供电能，节约能源成本。分布式光伏系统还可以与电网连接，将多余的电能卖给电网，实现“自发自用、余电上网”的双重效益。（3）大型并网光伏发电站 大型并网光伏发电站是指容量较大、规模化的光伏发电系统，通常建设在光照充足的地区，如沙漠、荒漠等地。光伏发电站可以并网发电，将产生的电能卖给电网，并为当地居民、工业、交通等提供电力供应，具有重要的经济和社会效益。2 光伏发电的发展趋势 中国科技期刊数据库 工业 A 2 2.1 单晶硅光伏组件成为主流，多晶硅光伏组件应用降低 光伏组件是太阳能光电转化的核心部分，分为薄膜组件和晶硅组件两大类。晶硅组件采用高纯度单晶硅或多晶硅制成，具有性能可靠稳定、寿命周期长、光电转化效率高等优点。在大型并网光伏发电站等工业领域中，晶硅组件是最常用的一种光伏组件，因为其稳定可靠的性能可以满足高效发电的要求。同时晶硅组件还可以根据需要进行串并联，形成适合不同场景的光伏发电系统。相比之下薄膜电池则采用非晶硅、铜铟镓硒（CIGS）、钙钛矿等材料制成，相比晶硅组件而言，其光电转化效率较低。然而薄膜组件具有柔性、轻薄、颜色可变等特点，使其成为光伏建筑一体化的理想选择。在建筑物外墙、屋顶等表面安装薄膜组件，不仅可以实现自给自足的能源供应，同时也可以将其作为建筑外观的一部分，实现美观与实用的双重效果。晶硅组件和薄膜组件各有其优点和应用场景，晶硅组件适用于大型并网光伏发电项目，而薄膜组件则更适合用于建筑一体化中。随着太阳能技术的不断发展，相信光伏组件的性能和应用场景还将不断拓展。2.2 组串式逆变器应用越来越广泛 在光伏发电系统中，逆变器是将太阳能电池组发出的直流电转换为交流电的关键设备。逆变器对于电流转换效率和系统可靠性具有举足轻重的影响力。因此，逆变器是除组件外最关键的设备。逆变器分为集中式逆变器和组串式逆变器两种方式。集中式逆变器的优点是可以提高系统功率，降低建设成本，节约系统成本，减少设备维护数量。然而当光伏组件被局部遮挡时，集中式逆变器会受到某一光伏组串影响，从而影响系统的效率及可靠性。相比之下，组串式逆变器采用模块智能设计，每个光伏组串的逆变器根据现场实际情况进行调节，明显提高发电效率和电力性能。组串式逆变器还具有可靠性高、可维护性强等优点。此外，组串式逆变器可以实现对每个光伏组串的独立监测，及时发现故障并进行修复，从而提高系统的可靠性和稳定性。逆变器是光伏发电系统中最关键的设备之一，集中式逆变器和组串式逆变器各有其优缺点，选择合适的逆变器方式应该根据实际情况进行综合考虑。在逆变器的设计和选择方面，需要考虑系统的功率需求、可靠性要求、成本和维护等因素。2.3 光伏电站向“渔光互补”“农光互补”等综合利用转变 光伏电站建设采用“农光互补”“渔光互补”的模式，将光伏电站与农业、渔业产业相结合，有效提高了土地利用率，创造了更多的经济效益，是一种有益于经济、社会和环境的创新发展模式。在“农光互补”模式下，太阳能光伏电站和农业生产共用土地，太阳能电站可以提供遮阳、防风、保水、保肥等功能，为农作物提供更加适宜的生长环境，同时可以收获太阳能电力，产生经济效益。这种模式不仅可以提高土地的利用率，还可以促进农业的可持续发展，提高农民的收入水平。在“渔光互补”模式下，太阳能光伏电站和渔业生产共用水域，太阳能电站可以为水产养殖提供遮阴、保温、调节水温等功能，同时可以收获太阳能电力，提高经济效益。这种模式可以提高水域的利用率，减少对陆地资源的占用，同时还可以促进渔业的可持续发展，提高渔民的收入水平。3 光伏发电系统效率分析 并网光伏系统的发电效率受到各种因素的影响，整个光伏发电过程中产生的发电损失如下：1）光伏温度因子：光伏电池的效率会随着其工作时的温度变化而变化。当它们的温度升高时，晶体硅光伏电池效率呈现降低的趋势。以天津地区多年极端最高气温为 40.9，多年极端最低气温为-18.3，地表平均温度 13，根据当地气象站查询当地的月平均温度和各月的月总辐射量数据，计算得到当地的温度折减为 1.73%。2）组件匹配损失：组件串联因为电流不一致产生的效率降低，根据电池板出厂的标称偏差值，对于精心设计、精心施工的系统，约有 2.16%的损失。为保证电池发电效率，将定期、及时对组件进行清洗，但组件上的灰尘或积雪造成的污染仍会对发电量造成影响，此项造成的年系统效率折减取 2.82%。当辐照度过低时，会产生不可利用的低、弱太阳辐射损失，约 0.84%。3）直流线路损失：光伏组件产生电量输送至汇流箱、直流配电柜或逆变器时，存在直流电路的线损，工程选用组串式逆变器，此部分直流线路损失取值 1.16%。表 1 光伏电站系统损失定量分析表 中国科技期刊数据库 工业 A 3 序号 项目 损失因子 损失系数 1 光电转换效率 7.27%92.73%1.1 阴影损失 1.62%98.38%1.2 IAM 损失 2.83%97.17%1.3 灰尘损失 2.82%97.18%2 双面组件综合增益-7.62%107.62%2.1 双面组件光电转换增益-8.38%108.38%2.2 双面组件背面不匹配损失 0.72%99.28%3 光伏阵列能量效率 5.89%94.11%3.1 辐照度水平损失 0.84%99.16%3.2 温度损失 1.73%98.27%3.3 组件质量及不匹配损失 2.16%97.84%3.4 直流线路线路损失 1.16%98.84%4 逆变器转换效率 1.52%98.48%4.1 逆变器效率 1.43%98.57%4.2 过功率损失 0.09%99.01%5 交流并网效率 3.01%96.99%5.1 逆变器到一级升压变的损失 0.95%99.05%5.2 一级升压变损失 1.21%98.79%5.3 二级升压线路及送出损失 0.85%99.15%6 其他效率 1.15%98.85%6.1 系统故障及维护损耗 1.15%98.85%6.2 限电 0%100.00%7 光伏电站综合系统效率 11.22%88.78%注：以上效率损失为天津地区估算值、各地平均气温不同结果会产生差异。4）电气设备造成的效率损失：逆变器转换过程中也存在电量损失，拟选逆变器的中国效率为 98.48%，因此折减取 1.52%。5）光伏电站内线损等能量损失：电能由逆变器输出至并网点，交流线路会存在线损，损失取值 3.01%。6）系统的可利用率：虽然光伏组件的故障率极低，但定期检修及电网故障仍会造成损失，系统维修设备故障造成的损失取值 1.15%。4 光伏电站提升发电效率的措施 4.1 光伏电池类型的选择 要满足单晶组件效率达到 20%，P 型硅 PERC 电池可与半片、多主栅、叠瓦、MWT 等电池、组件生产技术结合起来，以提高组件效率。N 型硅组件效率一般高于P 型，目前绝大多数的厂家已经大规模生产 N 型组件，较且价格趋近于 PERC 组件。（1）高效单晶 N 型 TOPCon 组件 隧 穿 氧 化 钝 化 接 触 电 池（Tunnel Oxide Passivated Contact，TOPCon）：TOPCon 电池上表面与传统 N-PERT 电池没有本质区别，主要区别在于采用超薄二氧化硅（SiO2）隧道层和掺杂非晶硅钝化背面。其中 SiO2 厚度 1-2nm，可使多子隧穿通过同时阻挡少子复合；掺杂的非晶硅厚度 20-200nm，经过退火工艺使非晶硅重新结晶为多晶硅，可同时加强钝化效果，避免了在钝化膜上激光开槽，能有效减少少子复合，提高电池的开路电压和填充因子，进而提高电池效率。该电池结构最早是由德国 Fraunhofer 太阳能研究所在 2013年提出，根据德国 ISFH 的测算，TOPCon 电池的理论极限效率分别为 28.7%，十分接近晶硅单结电池的极限效率 29.43%。N 型产品多年前已在电站中商业化使用，小批量应用在国内示范性光伏项目（如光伏领跑基地、国家光伏实证基地等项目）及拥有产品高溢价的海外部分光伏项目中，早期限制 N 型规模化量产及应用主要原因就是商业化成本过高（单瓦 N 型售价高于 P 型 0.2 元以上），目前通过降本增效，单瓦差价可以控制在 0.1 元以内。降本与增效是光伏行业促进项目优质发展的两大主旋律，光伏产品拥有更高的光电转换效率与更强的发电性能才能支撑更高的项目收益与更低的度电成本。到 2021 年 P 型 PERC 电池效率达到 23%左右，已经越来越接近 PERC 电池效率天花板，后续提升空间非常有限；而更具发展潜力的 N 型产品无疑成为各家光伏企业下一代电池技术路线的优选。随着以 TOPCon 技术为代表的 N 型技术路线越来越成熟以及高成本问题得到有效解决，TOPCon 组件已经具备较强的技术经济性优中国科技期刊数据库 工业 A 4 势。随着 N 型 TOPCon 产品售价愈发接近常规 PERC 产品，2022 年是 N 型产品大批量应用的元年，以晶科为例，2022 年 N 型组件全球出货超过 10GW，国内使用晶科 N 型产品的主要客户有大唐、国家电投、华电、中核、中广核、粤电等。此外晶澳、天合、阿特斯、中来、一道、通威、正泰、尚德等也纷纷布局 TOPCon 技术路线。据权威第三方机构统计，截止 2022 年底，已投建或规划 TOPCon 产能已达 226GW，遥遥领先于其他备选技术，同时也预测 23 年 N 型 TOPCon 需求有望达到 25%比例并逐年提高。（2）N 型 TOPCon 产品技术优势 1）更优的温度系数：先进的 N 型 TOPCon 技术带来了更优的温度系数，从-0.35%(P-型)到-0.29%(N-型)，进一步降低电池工作温度对于发电性能的影响。2）更低的组件工作温度：相同的外部环境，N 型产品日均工作温度低于 P 型 PERC 产品 1以上，高温损耗降低；N 型产品在高温地区带来更多的发电量（2%较 P 型）。3）更低的 LID/LETID：掺磷的 N 型晶体硅中硼含量极低，硅片纯度更高，少子寿命更长，显著降低了LETID，从 0.91.2%(P-型)到 0.4%(N-型)并优化 LID至0.5%。从而，确保 N 型组件拥有较低光衰效果。4）业内领先的线性质保：N 型组件（单玻&双玻）提供 30 年线性功率质保，首年功率衰减1%，第 2 年至 30 年年均衰减0.4%。5）更高的背面发电能力：得益于 N 型电池性能结构，N 型组件的双面率最高可以达到 85%，N 型高双面率带来的发电增益约 2.03%（参考双面应力辐照系数0.135）。6）可靠性更优异：经测试，N 型组件各项指标均优于 IEC 相关测试标准，可靠性更优，长期收益更有保障。7）更优的弱光性表现：N 型电池具有更长的少子寿命，天然具有更优的弱光相应。相较于传统 PERC 组件，N 型 TOPCon 组件对弱光的响应能力更优，早晚发电时长延长约 1 小时左右。尤其是在 400W/m以下的弱光条件，N 型发电能力更具优势。8）更合理的栅线搭配：N 型组件搭配 SMBB 焊接技术，搭配超细焊丝，有效提高电流收集能力，减少电池隐裂风险，提升发电能力。相比现阶段 PERC 产品，N 型 TOPCon 产品凭借其高双面率、高效率、优异的功率温度系数、低衰减等优势，助力光伏项目优质、可靠、高效发展。具体表现在降低BOS 成本、提高 IRR、降低 LCOE 方面，带来更高的投资回报以及更可靠发电性能。9）双面增益：光伏组件倾斜面，接收到的辐射量，主要是太阳的直射辐射量，天空的散射辐射量，还有地面反射的辐射量。这三个辐射量中，直射和散射辐射量之和是水平面总辐射量。当计算光伏组件背面接收到的辐射量时，考虑地面反射是必要的。由于反射辐射量跟地面性质也就是环境物体的特性有关，因此用反射率来反应地面的反射情况。反射率值越高，阳光的反射情况越好，光伏组件的背面增益也就越多。由上图及上表对比分析可知，组件背面增益与草地接近，且采用 N 型组件，长期工作环境温度较高，所选组件弱光效应较好，因此，综合分析可知，本项目双面组件背面可提高发电量 4%左右。4.2 组件抗 PID 组件电势诱导衰减效应 PID 是电池组件长期在高电压作用下，使玻璃、封装材料之间存在漏电流，大量电荷聚集在电池片表面，使得电池表面的钝化效果变差，易使产生的光生载流子复合，从而导致组件性能低于设计标准。PID 现象严重时，会引起一块组件功率衰减 50%以上，从而影响整个组串的功率输出。PID 可以从三各方面进行预防，分别是系统、组件和电池。系统方面：可以采用串联组件的负极接地方式或采用微逆变器，降低系统电压。防止负偏压造成的漏电流形成。组件方面：优化 EVA 生产工艺、筛选原料和优化原料配比，可以提高 EVA 胶膜对组件抗 PID 的效果。电池方面：改变发射极和 SIN 减反层。4.3 直流系统电压的选择 1500V 系统具备如下优势：（1）传统的 1000V 系统单串组件数量一般是 18块（72 片装大组件），而 1500V 系统可以将数量扩充至28 块（72 片装大组件）。组串数量减少，逆变器、汇流箱以及直流侧线缆的用量也随之减少。（2）当系统功率一定情况下，根据电力学公式 P（电功率）=U（电压）*I(电流)，当直流侧电压由 1000V中国科技期刊数据库 工业 A 5 升为 1500V 时，即电压提升 1.5 倍时，电流将下降到原来的 1/1.5。而电力线缆损耗 P=IR，当线缆长度和线径不变情况下，电阻 R 不变，电流下降 1.5 倍，线损变为 1/2.25。故当系统电压升至 1500V 时，直流侧设备损耗将大大降低，从而提高发电量。综上所述，1500V 系统即可节约投资又可提升系统发电量增加收益。因此本项目直流侧采用1500V系统。光伏系统中直流侧用到的线缆、汇流箱、逆变器等部件的耐压均按照 1500V 选择。4.4 逆变器类型选择 4.4.1 逆变器选型的主要技术原则 并网逆变器是光伏发电系统中的关键设备，对于光伏系统的转换效率和可靠性具有举足轻重的影响。逆变器选型的主要技术原则如下：（1）性能可靠，效率高 光伏发电系统目前的发电成本较高，如果在发电过程中逆变器自身消耗能量过多或逆变失效，必然导致总发电量的损失和系统经济性下降，因此要求逆变器可靠、效率高，并能根据太阳电池组件当前的运行状况输出最大功率（MPPT）。（2）要求直流输入电压有较宽的适应范围 由于太阳电池的输出电压随日照强度、天气情况和负载而变化，这就要求逆变器必须在较大的直流输入电压范围内保证正常工作，并保证交流输出电压稳定。（3）最大功率点（MPPT）跟踪 逆变器的输入端电阻应自适应于光伏发电系统的实际运行特性，保证光伏发电系统运行在最大功率点。（4）波形畸变小，功率因数高 当光伏发电系统并网运行时，为避免对公共电网的电力污染，要求逆变器输出正弦波，电流波形必须与外电网一致，波形畸变小于5%，高次谐波含量小于3%，功率因数接近于 1。（5）具有保护功能 并网逆变器本身要求具备直流输入分断开关功能，具备输入、输出漏电与防雷保护、直流母线过电压保护、电网断电、电网过欠压、电网过欠频、光伏阵列及并网逆变器本身的接地检测及保护功能等，并相应给出各保护功能动作的条件和工况（即何时保护动作、保护时间、自恢复时间等）。（6）监控和数据采集 逆变器应有多种通讯接口进行数据采集和远程监控，其控制器还应有模拟输入端口与外部传感器相连，便于整个电站数据处理分析。4.4.2 逆变器的技术参数 并网逆变器分为集中式逆变器和组串式逆变器。选择不同逆变器，光伏子阵连接方案不同。组串式逆变器方案：组件逆变器交流汇流箱并网点；集中式逆变器方案：组件直流汇流箱逆变器并网点。根据电站类型的不同，从安装载体、容量、接入方式以及制约因素都有所不同，因此逆变器选型应结合电站特性，充分发挥组串式、集中型的优势，综合考虑安全性、可靠性及项目收益而定。通常，大型地面电站、荒滩电站以集中型为主，适当采用组串式逆变器；山地电站根据具体地形条件，采用组串式、集中型逆变器混合配置方案；屋顶电站优先使用组串式逆变器。4.5 容配比设计 4.5.1 容配比设计原则 光伏电池组件的效率随着使用年限的增加而逐渐衰减，但衰减到一定程度后趋于稳定。这就意味着，在实际应用中，光伏组件的实际功率往往低于其标称功率。这个问题会导致光伏电站中的逆变器容量被浪费，因为逆变器的容量通常被设置为光伏组件的标称功率。为了最大限度地利用光伏电站中的光伏组件和逆变器的容量，需要进行合理的容配比设计。容配比是指光伏电站中直流侧装机容量与交流侧装机容量的比值。如果容配比过高，就会导致光伏组件的实际功率不能充分利用，造成逆变器容量的浪费。相反，如果容配比过低，就可能导致光伏电站无法达到其额定输出功率，从而影响光伏电站的发电效率。因此，对于光伏电站的设计，需要根据光伏组件的实际功率和逆变器的容量，以及预计的发电量和负载需求等多种因素来确定合理的容配比。通常，容配比的设计应该考虑光伏电站的长期性能和运行成本，并在光伏电站的整个寿命周期内保持合理的容配比。4.5.2 不同容配比下 LCOE 的计算 光伏系统由于组件功率的衰减、灰尘遮挡以及线中国科技期刊数据库 工业 A 6 路损耗的存在，再加上不同地区的光照条件的差异，在系统设计配置光伏组件功率时仅考虑逆变器额定输入功率限制，会降低系统的经济性。依据 NB/T 10394-2020光伏发电系统效能规范第 5.2.3 条，经计算，得出不同容配比方案 LCOE 计算成果表如下：根据表 2，当容配比为 1.6 时，LCOE（度电成本）最优为 0.2803 元/kWh，且在容配比在 1.1 至 1.6 区间时，LCOE（度电成本）与容配比成反比。故本工程应在可利用的场区范围内尽可能增加容配比（不大于 1.6）。表 2 不同容配比方案 LCOE 计算成果 容配比 交流测容量（MW）直流侧容量（MW）LCOE（元/kWh）容配比1.1 25 27.5 0.2981 容配比1.2 25 30 0.2935 容配比1.3 25 32.5 0.2895 容配比1.4 25 35 0.2860 容配比1.5 25 37.5 0.2830 容配比1.6 25 40 0.2803 容配比1.7 25 42.5 0.2831 容配比1.8 25 45 0.2859 4.6 配置储能设备 随着储能电池成本的降低和技术的不断提高，储能技术的安全品质也在不断提升，因此越来越多的光伏发电站在建设时会考虑配置储能设备，以便将发电过程中产生的电能进行储存。在光伏发电过程中，光伏组件的输出功率受到日照、温度等因素的影响，因此光伏发电的输出功率具有一定的波动性。而通过配备储能设备，光伏发电站可以将多余的电能储存起来，以便在电网需要时进行释放，从而提高电网的品质，提高发电效率，并且能够节约能源。此外，储能设备可以通过储存电能来解决电网频繁闪变、电压不稳定等问题，使电网的供电更加可靠。除此之外，储能设备还可以减少光伏发电对电网的影响，减少谐波污染，保证电网的稳定运行。在电网中，储能设备还可以起到峰谷平衡的作用，通过在峰时段储存电能，在谷时段释放电能，使电网负荷更加平衡，减少能源的浪费。5 结语 综上所述，光伏发电已经逐渐展现其重要作用和优势，不断优化技术的研究单位和设备厂商，正在积极寻求光伏发电设备制造和工程建造成本的降低，进一步提升光伏发电的节能优势，促使独立电站建设转向土地光能综合利用，推动光伏产业往科学化以及规模化方向发展。参考文献 1李宁.光伏电站效率提升策略研究J.中国设备工程,2023(07):101-103.2张琳,吕翔,刘旸.集中式光伏电站发电效率提升策略分析J.电站系统工程,2022,38(01):71-72.3庄元富.分布式光伏电站发电效率提升策略J.装备维修技术,2020(02):179.4施建坤,俞惠江.分布式光伏电站发电效率提升策略研究J.中国新技术新产品,2020(07):81-82.5王永胜.分布式光伏电站发电效率提升策略研究J.现代商贸工业,2019,40(21):215.6颜世超,王海霞.分布式光伏电站发电效率提升策略J.电子技术与软件工程,2019(07):212.7王新.分布式光伏电站发电效率提升策略研究J.工程建设与设计,2019(02):71-72.8刘伟,孙晓霞.光伏电站效率提升策略研究J.中国设备工程,2023(07):101-108.9张鹏,张丽,周可欣.集中式光伏电站发电效率提升策略分析J.电站系统工程,2022,38(01):69-70.