基于系统论的太阳能光伏发电系统体系建设研究

廖勇

摘   要：本文运用系统论原理，阐明了太阳能光伏发电的原理和特点以及光伏发电对我国电力能源行业的重要性，分析了我国太阳能光伏发电系统体系建設现状及存在的问题，对所面临的问题提出了针对性的建议，并创新性地构建出基于系统论的太阳能光伏发电系统的四大子系统体系，以期为政府加强太阳能光伏发电系统体系建设提供策略，以及为国家对清洁能源高效利用提供探索的渠道。

关键词：系统论;光伏发电;太阳能

随着地球上传统化石能源的日渐枯竭以及人类对环境保护意识的增强，找到一种无污染的可再生能源作为传统化石能源的替代品显得尤为迫切。太阳能光伏发电作为一种清洁高效的发电方式，越来越受到人类的重视，其应用范围也是越来越广。本研究根据系统论原理，讨论如何建立基于系统论的太阳能光伏发电系统体系，以期进一步提升国家对光伏发电产业利用的能力，确保国家在清洁能源应用领域实现质的飞跃。

1    基于系统论的太阳能光伏发电系统体系

1.1  系统论的基本原理

系统论是研究系统的一般模式、结构、行为、动态、原则、规律以及系统间联系的学问，其研究各种复杂系统的共同特征，用数学方法定量地描述其功能，寻求并确立适用于一切系统的原理、原则和数学模型，是具有逻辑和数学性质的一门科学。系统论的基本思想是把研究和处理的对象当做一个系统，分析其潜在的各种联系，总结其规律，并以优化系统的观点看待问题。系统论的主要任务是以系统为对象，从整体出发来研究系统整体和组成系统整体各要素的相互关系，从本质上说明其结构、功能、行为和动态，以把握系统整体，达到最优的目标[1]。

1.2  基于系统论的太阳能光伏发电系统的特点与内涵

基于系统论的太阳能光伏发电系统是指运用系统论的基本思想方法，把光伏发电系统视为一个复杂多变的系统，此系统具有的特点是太阳能光伏发电是一种清洁高效的发电方式，具有不受地面布局和高度落差等地理因素的影响，电能转换过程简单，无废弃污染物排放的特点，应用广泛，是传统化石能源的理性替代品[2]。本研究将光伏发电系统按照产生电能的流程划分为：太阳能电池板采光、光生伏打效应变光，最大功率点跟踪系统用光，电能经逆变器馈入电网等四大子系统，通过四大子系统的相互作用及有机运行，实现对太阳能的高效利用。

1.3  基于系统论的太阳能光伏发电的要素体系结构

基于系统论的太阳能光伏发电的要素体系结构是由太阳能电池板采光、光生伏打效应变光，最大功率点跟踪系统用光，电能经逆变器馈入电网等四大子系统所组成的一个完整的光伏发电体系。在太阳能光伏发电体系中，太阳能电池板采光子系统是实现整体太阳能光伏发电的基础与保障。光生伏打效应变光，最大功率点跟踪控制系统用光子系统是太阳能光伏发电体系的程流主线，其中，光生伏打效应变光子系统是实现太阳能光伏发电的首要前提与核心原理。最大功率点跟踪控制系统用光子系统是实现整体太阳能光伏发电的关键部分和核心环节，因为其存在决定太阳能光伏发电的转换效率和发出功率的大小。电能经逆变器馈入电网子系统是实现太阳能光伏发电的重要体现，其稳定性影响整个电网的可靠性能。通过太阳能电池板采光、光生伏打效应变光，最大功率点跟踪系统用光，电能经逆变器馈入电网等四大子系统有效地运行，提升光伏发电的效率，将有效地降低太阳能光伏发电各个环节中造成的能耗。

1.4  基于系统论的太阳能光伏发电系统所面临的技术问题

但我国光伏发电发展也面临很多的技术问题，主要是：（1）光伏发电的能源消耗大。太阳能电池板的一个重要原料就是晶体硅，然而我国对于晶体硅的制造技术和工艺还远远不能达到实际运用的需求，导致太阳能电池板的电能损耗太大。（2）光电转换效率低。由于我国光伏发电产业水平的参差不齐，采用光电转换的方式不同，会造成光电转换效率低下的问题。（3）太阳能电池板功率输出低。在太阳能光伏发电中，功率输出的大小至关重要，但我国光伏发电产业对最大功率点跟踪系统的技术应用还存在不足。（4）光伏发电所产生电能馈入电网时造成稳定性问题。由于光伏发电属于分布式电源的一种，随机性和扰动性大的特点导致其馈入电网会造成系统的稳定性降低，从而影响整个电网的可靠性[4]。

2    基于系统论的太阳能光伏发电系统的体系构建

针对我国光伏发电产业面临的一些技术问题，主要有4点[5-7]。

2.1  构建低耗能的太阳能电池板采光子系统

光伏阵列（太阳能电池板）的制作材料主要分为单晶硅和多晶硅两种，这两种材料的特性对比如表1所示。

因此，针对不同的应用场合和应用成本，选择不同的晶体硅材料，最终得到低耗能的太阳能电池板采光系统。

2.2  构建高效的光生伏打效应变光子系统

太阳能光伏发电的能量转换有两种方式，分别是光→热→电转换方式和光→电直接转换方式，这两种能量转换方式的特点如表2所示。

针对以上的状况，光伏产业应该利用光生伏打效应采用光—电直接转换方式，取消转换效率低下的光伏发电机组，构建高效的光生伏打效应变光子系统。

2.3  构建准确稳定的最大功率点跟踪系统用光子系统

在太阳能光伏发电系统的体系中，光伏阵列的输出功率尤为重要，但输出功率不仅与光伏阵列的内部性能有关，还与外界环境如环境的温度和太阳光照的强度等主要干扰因素呈现非线性关系[8]。而使光伏阵列无论外界条件怎样变化，都能始终工作在最大功率附近的过程就叫做最大功率点跟踪。因此，必须要建立准确且稳定的最大功率点跟踪系统用光子系统，进而实现综合性的光伏发电系统的信息传送、交流、反馈和控制平台，增强信息传递效率和质量，确保光伏发电控制系统第一时间掌握最新的变化信息，并第一时间作出相应的处置，从而实现准确且稳定地追踪最大功率点。

2.4  构建稳定性高的电能经逆变器馈入电网子系统

构建稳定性高的电能经逆变器馈入电网子系统，把经过MPPT系统控制所得到的光伏阵列的数据通过逆变器的逆变桥和交流电路，经逆变之后送入电网，整个过程产生的扰动必需经量控制在合理范围之内，以免对整个电力系统网络产生不利的影响。

3    结语

本研究基于系统论的太阳能光伏发电的要素体系结构是由太阳能电池板采光、光生伏打效应变光，最大功率点跟踪系统用光，电能经逆变器馈入电网等四大子系统所组成的一个完整的光伏发电体系。通过对四大子系统体系的分析与搭建，完成了对光伏发电的原理与实现流程的清晰阐释，进而对清洁的太阳能利用有更加现实的指导意义，更深层次地为我国清洁能源使用的探索提供了可行性的方法借鉴。

[参考文献]

[1]魏宏森.系统论：系统科学哲学[M].北京：清华大学出版社，1995.

[2]牛成东.微电网光伏发电系统控制策略研究[D].保定：华北电力大学，2017.

[3]赵春江，杨金焕，陈中华.太阳能光伏发电应用的现状及发展[J].节能技术，2007（5）：461-465.

[4]奎明玮，柴向春.太阳能光伏发电应用的现状及发展[J].中国新通信，2018（20）：222.

[5]李园红，高   明.基于产业链视角下的中国光伏产业发展思路[J].亚太经济，2010（4）：103-106.

[6]徐   蕾.我国太阳能光伏产业发展动力机制研究[J].科技进步与对策，2010（22）：91-95.

[7]赵玉文.光伏产业战略前景与政策思考[J].有色冶金节能，2010（6）：1-5.

[8]张   晔，顾   勇，杜春晖，等.基于MATLAB的光伏电池最大功率追踪建模与仿真[J].科学技术创新，2018（15）：39-40.

[9]戴慧凤.提高光生伏打电池光电转换效率[J].中国新通信，2016（11）：94-95.