溫州地區(qū)太陽能電池板實(shí)際發(fā)電能力的分析

華曉玲，梁步猛，吳桂初

(溫州大學(xué)浙江省低壓電器智能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江溫州 325035)

溫州地區(qū)太陽能電池板實(shí)際發(fā)電能力的分析

華曉玲，梁步猛，吳桂初?

(溫州大學(xué)浙江省低壓電器智能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江溫州 325035)

簡要介紹了薄膜、單晶硅和多晶硅太陽能電池板的優(yōu)缺點(diǎn)以及實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤的幾種方法．結(jié)合溫州地區(qū)的太陽輻射情況，利用擾動(dòng)觀察法測量了大量的數(shù)據(jù)，以比功率為衡量標(biāo)準(zhǔn)對三種太陽能電池板的實(shí)際發(fā)電能力進(jìn)行了比較．結(jié)果表明，不管是在光強(qiáng)很強(qiáng)還是在光強(qiáng)較弱的環(huán)境下，單晶硅太陽能電池板的發(fā)電能力均最高；對另兩種太陽能板，在光強(qiáng)較強(qiáng)時(shí)，薄膜太陽能電池板占優(yōu)勢，在光強(qiáng)很弱時(shí)，多晶硅太陽能電池板發(fā)電能力更強(qiáng)．

薄膜；單晶硅；多晶硅；太陽能電池板；比功率；最大功率點(diǎn)；電子模擬負(fù)載

我國是能源消耗大國，石油、煤炭等天然能源稀少，因此新能源應(yīng)用意義重大．太陽能作為清潔可再生能源，是目前最有應(yīng)用前景的一種新能源．我國國土面積2 / 3以上的地區(qū)擁有優(yōu)質(zhì)太陽能資源，特別是西北和青藏高原，全國陸地每年接受的太陽輻射能量相當(dāng)24 000億噸標(biāo)準(zhǔn)煤的能量．近年來，太陽能電池發(fā)電技術(shù)和產(chǎn)業(yè)得到了長足發(fā)展．目前，衡量太陽能電池板電性能的主要指標(biāo)之一是其標(biāo)準(zhǔn)條件下的額定輸出功率．實(shí)際使用中，光照變化使得太陽能電池板的輸出功率也在不斷變化，因此，實(shí)際使用時(shí)，僅以額定輸出功率衡量太陽能電池板的電性能，不能完全反映其實(shí)際發(fā)電效能．對于用戶來說，更關(guān)心的是在實(shí)際條件下太陽能電池板每瓦在一段時(shí)間內(nèi)（如一天）的發(fā)電量總和，為此引入了比功率發(fā)電量的概念，它能較好地反映太陽能電池板在應(yīng)用中的實(shí)際發(fā)電能力[1]．本文將根據(jù)在溫州地區(qū)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)對單晶硅、多晶硅和薄膜太陽能電池板的比功率發(fā)電量進(jìn)行研究和測試對比，給出溫州地區(qū)三種光伏板的實(shí)際發(fā)電情況，以及各種太陽能電池在實(shí)際環(huán)境下的發(fā)電效能，為溫州地區(qū)的太陽能應(yīng)用提供具有實(shí)際意義的資料．

1 三種太陽能電池板的介紹和比較

1.1 單晶硅和多晶硅太陽能電池

晶體硅太陽能電池有單晶硅和多晶硅太陽能電池兩大類，單晶硅和多晶硅是太陽能電池的主流原料．單晶硅整個(gè)晶體中的質(zhì)點(diǎn)在空間的排列為長程有序，在三維空間中由全同結(jié)構(gòu)單元無間隙地、周期性地、重復(fù)構(gòu)建而成，因此具有各向異性．單晶硅太陽能電池板具有電轉(zhuǎn)換效率高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但生產(chǎn)過程復(fù)雜，成本較高．多晶硅是由很多單晶顆粒雜亂地凝聚而成，盡管每顆小單晶的結(jié)構(gòu)是相同的，具各向異性，但由于單晶之間排列雜亂，因此各向異性的特征消失，所以多晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率相比單晶硅太陽能電池要低，生產(chǎn)成本也相對較低．

1.2 薄膜太陽能電池

薄膜太陽能電池是最有前途的下一代光伏電池，它節(jié)省了硅原料的使用和硅片制造工藝，與目前的晶硅型太陽能電池相比，可使每瓦太陽能電池成本從2.5美元降至1.3美元，適用于大面積生產(chǎn)，而且它易與周圍環(huán)境融為一體，美化環(huán)境．但是與晶硅型太陽能電池相比，非晶硅薄膜太陽能電池的效率相對較低，此外，在太陽光的長期照射下，薄膜太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率也有一定的衰減．

2 溫州地區(qū)太陽輻射情況

太陽輻照度是決定太陽能電池組件輸出功率大小的關(guān)鍵因素之一．根據(jù)我國太陽能資源的分布情況，按年輻射總量可以將其分為五類，見表1．由表1可知，浙江屬第四類，年太陽輻射總量為4 180 – 5 016 MJ / m2，平均月輻射量為348 – 418 MJ / m2，是太陽能資源較差的地區(qū)．

表1 我國太陽能資源分布表

溫州市地處浙江省東南部，東瀕東海，位于東經(jīng)119°37′ – 121°18′，北緯27°03′ – 28°36′，常年平均氣溫在17℃左右，氣候較適宜人類活動(dòng)．根據(jù)氣象臺歷年各月逐日逐時(shí)的氣溫記錄及人的冷熱舒適要求，溫州溫暖舒適期（10 – 28℃）每年長達(dá)9個(gè)月，出現(xiàn)時(shí)數(shù)可達(dá)3 500 h，占全年總時(shí)數(shù)的75%，是浙江省熱量資源最豐富的地區(qū)．溫州太陽總輻射情況如圖1①黃艷, 蔡敏. 浙江省太陽能資源分布特征及其區(qū)劃研究[C]. 第八屆長三角氣象科技發(fā)展論壇論文集, 2011, 782-785.所示，其月際變化規(guī)律較為明顯，基本上是隨太陽高度角的增加而增加．太陽總輻射以7、8月最豐富，12月、1月最少．其中5月份，由于受長江中下游地區(qū)梅雨天氣的影響，溫州地區(qū)會出現(xiàn)陰雨連綿、高溫高濕的天氣，很大一部分太陽輻射被云層反射和散射掉，所以日總輻射值偏低．

3 三種太陽能電池板比功率的比較和分析

3.1 最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)

太陽能電池板的輸出特性具有非線性特征，并且受環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度和負(fù)載情況的影響．在一定的環(huán)境下，太陽能電池板可以在不同的輸出電壓下工作，但只有在某一輸出電壓下工作時(shí)，太陽能電池板的輸出功率才能達(dá)到最大值，而這個(gè)工作點(diǎn)就達(dá)到了太陽能電池板輸出功率電壓的最高點(diǎn)，稱之為最大功率點(diǎn)（Maximum Power Point，MPP）．所以在太陽能電池板發(fā)電系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)調(diào)整光伏電池的工作點(diǎn)是提高系統(tǒng)整體效率的一個(gè)重要途徑，使系統(tǒng)始終工作在最大功率點(diǎn)附近的這一過程就稱之為最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）．

外界的環(huán)境因素通常是無法人為改變的，要使太陽能電池板始終能夠輸出最大功率，必須適時(shí)變化其所接的負(fù)載，一般可以通過兩個(gè)步驟來完成：第一步是采用合適的搜索算法，找到光伏系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)；第二步是通過控制手段，使光伏方陣工作在最大功率點(diǎn)．

目前實(shí)現(xiàn)MPPT的方法有擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法、最優(yōu)梯度法等．?dāng)_動(dòng)觀察法的工作原理是：測量當(dāng)前太陽能電池板的輸出功率，再改變電壓或電流（即施加擾動(dòng)），并觀察其輸出功率的變化方向，如果功率增大就繼續(xù)向該方向調(diào)節(jié)，如果功率減小則改變原擾動(dòng)方向．以上的控制方法易于硬件實(shí)現(xiàn)，算法簡單，但響應(yīng)速度較慢[2]．電導(dǎo)增量法能夠判斷出工作點(diǎn)電壓與最大功率點(diǎn)電壓之間的關(guān)系．由太陽能電池板的P-U曲線可知，在最大功率點(diǎn)處的斜率為零[3]．最優(yōu)梯度法是以梯度法為基礎(chǔ)的、求解無約束最優(yōu)化問題的一種數(shù)值計(jì)算[4]．本文中的實(shí)驗(yàn)采用擾動(dòng)觀察法來實(shí)現(xiàn)MPPT，其流程圖如圖2所示．

圖1 溫州市各月太陽總輻射情況

圖2 擾動(dòng)觀察法控制流程圖

3.2 比功率發(fā)電量

太陽能電池的比功率發(fā)電量的定義是，太陽能電池在一段時(shí)間內(nèi)（常指一天）、實(shí)際光照條件下的總累積發(fā)電量Qd與太陽能電池額定功率Pa的比值，也定義為太陽能電池每瓦日均發(fā)電量．

設(shè)太陽能電池板的最大功率輸出點(diǎn)的工作電流和工作電壓分別為Im和Um，測量時(shí)間為t，則太陽能電池板在最大功率輸出點(diǎn)的功率為Pm=UmIm，其日發(fā)電量為：

所以比功率發(fā)電量為：

光照強(qiáng)度和溫度的時(shí)刻變化導(dǎo)致太陽能板的額定輸出電壓Um也在不斷變化，這時(shí)其日發(fā)電量為：

將（3）式代入（2）式中就可得比功率發(fā)電量．

3.3 實(shí)驗(yàn)方法

溫州地區(qū)太陽能電池板的傾斜角為朝南方向45°，實(shí)驗(yàn)所選用的三種太陽能電池板的規(guī)格參數(shù)如表2所示．使用四通道電子模擬負(fù)載IT8933B，采用CV或CC模式（定電壓或定電流模式，即擾動(dòng)觀察法）獲得太陽能電池板的最大功率點(diǎn)并記錄數(shù)據(jù)，再根據(jù)（3）式可得三種太陽能電池板在實(shí)際戶外天氣條件下一天時(shí)間段的發(fā)電量．

表2 三種太陽能電池板的規(guī)格參數(shù)

由于太陽光照強(qiáng)度的不穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)采用了定電壓分段的方法，比如在光強(qiáng)很弱時(shí)，單晶硅、多晶硅和薄膜太陽能電池板的定電壓分別為14.447 V、20.579 V和6.554 V，在光強(qiáng)很強(qiáng)時(shí)，它們的定電壓分別為13.548 V、22.080 V和13.012 V．根據(jù)（1）、（2）式分別算出每天不同光照強(qiáng)度下的總發(fā)電量和比功率發(fā)電量．

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本實(shí)驗(yàn)時(shí)間跨度為2012年5月至2013年4月．圖3表示的是光強(qiáng)弱的情況，測試時(shí)間是2012年8月24號，天氣為小雨到中雨．圖4和圖5表示的是光強(qiáng)強(qiáng)的情況，測試時(shí)間分別是2012年8月28日和2013年4月23日，天氣為晴天．此外，圖6采用的是2012年8月24日至2012年9月28日期間記錄的數(shù)據(jù)，它也很直觀地反映了不同光照情況下，太陽能電池板的日比功率的大小情況．三種太陽能電池板在強(qiáng)光及弱光條件下的比功率情況見表3．

由圖3和圖4的對比結(jié)果以及圖6可知，在各種光強(qiáng)下，單晶硅太陽能電池板的發(fā)電效能最高；在光強(qiáng)較強(qiáng)時(shí)，薄膜太陽能電池板優(yōu)于多晶硅太陽能電池板，而在光強(qiáng)很弱時(shí)，多晶硅太陽能電池板的實(shí)際發(fā)電能力稍好些．

圖3 弱光下三種太陽能電池板產(chǎn)生的比功率的比較 (2012-8-24)

圖4 強(qiáng)光下三種太陽能電池板產(chǎn)生的比功率的比較 (2012-8-28)

圖5 強(qiáng)光下三種太陽能電池板產(chǎn)生的比功率的比較 (2013-4-23)

在室外強(qiáng)光的環(huán)境下，對于硅，隨溫度的升高，光電轉(zhuǎn)換效率下降，同時(shí)，太陽能電池板的開路電壓也下降（溫度每上升1℃，開路電壓就下降室溫值的0.4%）．薄膜太陽能電池板的用硅量僅為晶體硅太陽能電池板的1%左右，所以在功率相同時(shí)，薄膜太陽能電池表現(xiàn)出較好的發(fā)電性能．在弱光環(huán)境下，晶體硅太陽能電池板的光譜靈敏度沒有薄膜太陽能電池板的好，所以后者的吸光能力強(qiáng)于前者．

從轉(zhuǎn)換效率來看，單晶硅太陽能電池板的轉(zhuǎn)換效率在硅系列太陽能電池中是最高的，一般為15%，最高可達(dá)25.0%[5]；多晶硅太陽電池的平均能量轉(zhuǎn)換效率也能達(dá)到14%，最高為19.8%；薄膜太陽能電池板在實(shí)驗(yàn)室中電池的穩(wěn)定最高能量轉(zhuǎn)換效率只有13%左右，在實(shí)際生產(chǎn)線中不超過10%．

由上述兩點(diǎn)論據(jù)可以得到本文的論點(diǎn)，但在不同的日照和氣候條件下也有可能會得到不一樣的結(jié)論．

圖6 三種太陽能電池板產(chǎn)生的比功率的對比

表3 三種太陽能電池板在強(qiáng)光及弱光條件下的比功率

4 結(jié) 論

本文實(shí)驗(yàn)中選取了具有良好封裝、電性能已經(jīng)充分衰減并趨于穩(wěn)定的三種太陽能電池板，雖然所選太陽能電池板的功率不同，但最后都是折合成單位功率進(jìn)行比較的，所以不影響結(jié)論．本實(shí)驗(yàn)在同樣環(huán)境條件下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，時(shí)間長達(dá)1年．分析比較三種太陽能電池板的實(shí)際發(fā)電量，得出以下結(jié)論：

1）太陽能電池板的轉(zhuǎn)換效率反映的是相同面積下不同太陽能電池的發(fā)電量，比功率反映的是單位功率下的日發(fā)電量．在實(shí)際太陽能電站建設(shè)中，是以每瓦的價(jià)格進(jìn)行成本預(yù)算和比較的，電站的發(fā)電能力是用總功率來衡量的，因此，比功率更有實(shí)際意義．

2）不同地區(qū)緯度不同，日照和氣候條件差別很大，而太陽能電池對光照強(qiáng)度非常敏感，因此，本實(shí)驗(yàn)中比功率的相關(guān)數(shù)據(jù)及結(jié)論不一定適合其它地區(qū)．此外，同種太陽能電池板的生產(chǎn)廠商不同也有可能導(dǎo)致該結(jié)果的差異．在單晶硅和薄膜太陽能電池板實(shí)驗(yàn)中，本文的結(jié)果與文獻(xiàn)[1]的結(jié)果不完全一致，可能與上述原因有關(guān)．

3）實(shí)驗(yàn)表明，在溫州地區(qū)單晶硅太陽能電池板的比功率發(fā)電能力最好，薄膜太陽能電池板次之，多晶硅太陽能電池板的最?。∧ぬ柲茈姵匕宓谋裙β拾l(fā)電能力（每瓦發(fā)電量）雖然介于單晶硅和多晶硅太陽能電池板之間，但相差不是很大，況且它的造價(jià)幾乎是晶硅型太陽能電池板的二分之一，所以薄膜太陽能電池板在溫州具有很好的應(yīng)用前景．

[1] 柴金龍, 李毅, 胡盛明. 非、單晶硅太陽能電池組件比功率發(fā)電量比較[J]. 深圳大學(xué)學(xué)報(bào), 2005, 22(3): 226-229.

[2] 曹旭陽. 獨(dú)立光伏路燈系統(tǒng)MPPT控制器設(shè)計(jì)[D]. 青島: 中國海洋大學(xué)工程學(xué)院, 2007: 37-38.

[3] 趙爭鳴, 劉建政. 太陽能光伏發(fā)電及其應(yīng)用[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2005: 127-128.

[4] Dag H, Alvarado F L. Toward improved uses of the conjugate gardient method for power system applications [J]. IEEE Transactions on Power Systems, 1997, 12(3): 1306-1314.

[5] Green M A. The Path to 25% Silicon Solar Cell Efficiency: History of Silicon Cell Evolution [J]. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 2009, 17: 183-189.

Analyses on the Actual Power-generating Capability of Solar Panels in Wenzhou

HUA Xiaoling, LIANG Bumeng, WU Guichu
(The Key Laboratory of Low-voltage Apparatus Intellectual Technology of Zhejiang, Wenzhou University, Wenzhou, China 325035)

In this paper, solar panels made of thin film, monocrystalline silicon and polycrystalline sil-icon were introduced and compared, and several methods to achieve maximum power point tracking (MPPT) were summarized as well. Combined with the condition of solar radiation in WenZhou, a large amou-nt of data were acquired by using the perturbing-and-observing algorithm and then analyzed to determinethe power-generating capacity by calculating their specific power. Experimental results indicated that mono-crystalline silicon solar panels always perform best in spite of weather conditions. Thin film solar panelshave advantages over polysilicon solar panels when light intensity is high, and when the light intensity is weak, polysilicon solar panels are better than the film solar panels.

Thin Film; Monocrystalline Silicon; Polysilicon; Solar Panels; Specific Power; Maximum Power Point; Electronic Analog Load

TM615

A

1674-3563(2014)02-0044-07

10.3875/j.issn.1674-3563.2014.02.007 本文的PDF文件可以從xuebao.wzu.edu.cn獲得

(編輯：王一芳)

2013-12-08

浙江省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2010R50006)

華曉玲(1988- )，女，湖北通山人，碩士研究生，研究方向：計(jì)算機(jī)檢測與控制技術(shù)．? 通訊作者，wgc@wzu.edu.cn