光伏電池及光伏發(fā)電功率影響因素分析

何志鵬

天津理工大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，天津 300380

0 引言

我國天然氣、石油、煤等能源的儲量較多，但是這些資源均屬于不可再生資源，它們的數(shù)量會越來越少。能源的過度使用會破壞人們生存的環(huán)境，造成全球變暖以及水源嚴(yán)重污染等問題。面對這些不可忽視的挑戰(zhàn)，急需開發(fā)出能為人類提供長期可持續(xù)發(fā)展的新能源。由于太陽光只有在白天才能提取，且光照強(qiáng)度隨著天氣變化有較大的浮動，導(dǎo)致光伏發(fā)電的輸出功率存在不穩(wěn)定性和跳躍性，因此文章對光伏發(fā)電功率影響因素進(jìn)行分析，以提升光伏發(fā)電效率。

1 光伏電池

1.1 組成及分類

光伏電池由P型半導(dǎo)體、N型半導(dǎo)體和兩者之間的P-N結(jié)等組成。當(dāng)太陽能照射到電池板時，電池內(nèi)部的電子開始運(yùn)動。其中，P型半導(dǎo)體的作用是吸收負(fù)電荷，N型半導(dǎo)體是讓電子輸出。在陽光的照射下，大量的電子由N型半導(dǎo)體通過P-N結(jié)的連接，傳輸至P型半導(dǎo)體上，從而形成局部電場，即在太陽光照射下電池板所發(fā)生的光伏效應(yīng)。

根據(jù)光伏電池的使用情況，可以將其分為兩種[1]：一種用在太空工作站，主要為太空中的一些設(shè)備供電，這種光伏電池的安全系數(shù)非常高，能夠適應(yīng)苛刻的太空條件；另一種放置在地面上吸收光能進(jìn)行發(fā)電，包括發(fā)電站、路燈、發(fā)電板等，能實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的制造，且使用安全性較高，因此受到廣泛應(yīng)用。

1.2 光伏電池的數(shù)學(xué)模型

光伏電池等效電路圖如圖1所示。

圖1 光伏電池等效電路

光伏電池的輸出電流方程為

式中：I為輸出電流；Iph為通過光電轉(zhuǎn)化效應(yīng)生成的電流；Id為通過反向二極管的電流；Ish為流過等效并聯(lián)電阻Rsh的電流；Rsh為等效并聯(lián)電阻；U為輸出電壓；Rs為等效串聯(lián)電阻。

設(shè)光伏電池在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下（S=1 000 W/m2，T=25 ℃）。由于Rs遠(yuǎn)小于反向二極管的正向電阻，光伏發(fā)電輸出電流Iph約等于流入Rsh的電流，即

式中：Iscr為短路時電流；α為短路時的溫度系數(shù)；T為電池板的溫度；Tref為工作情況下的電池板溫度；△T為電池板溫度與工作情況下電池板溫度的差值；I0為二極管飽和電流；k為波爾茲曼系數(shù)；q為一個電子所帶的電荷量；Ud為反向二極管兩側(cè)之間的電位差；A為二極管因子；Srcf為光伏電池工作情況下的太陽輻照。

2 光伏發(fā)電功率的影響因素

2.1 太陽輻照度

因?yàn)檩敵龅碾娔苁怯晒夥l(fā)電系統(tǒng)吸收太陽輻照度而轉(zhuǎn)化，所以太陽輻照度決定光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電量[2]。太陽輻照度通常被認(rèn)為是預(yù)測光伏發(fā)電功率的一個重要參數(shù)。以國能日新公司所提供的電站1的訓(xùn)練數(shù)據(jù)中2017年12月12日的數(shù)據(jù)為例，當(dāng)日太陽輻照度和實(shí)際功率的關(guān)系如圖2所示，可以發(fā)現(xiàn)輻照度和實(shí)際功率的相關(guān)性較強(qiáng)。

圖2 輻照度與實(shí)際功率關(guān)系圖

2.2 季節(jié)

不同季節(jié)下的太陽會存在位移、高度、時間上的差異。因?yàn)榧竟?jié)的變化影響著太陽輻照度，所以間接影響光伏發(fā)電功率[3]。根據(jù)國能日新公司提供的電站1中訓(xùn)練數(shù)據(jù)，分別 以2016年9月15日、2016年12月15日、2017年3月21日、2017年6月21日作為秋、冬、春、夏的代表進(jìn)行分析。不同季節(jié)中輸出功率的曲線如圖3所示。由此可知，光伏發(fā)電功率對季節(jié)較為敏感，不同季節(jié)的發(fā)電功率有明顯的差異。

圖3 不同季節(jié)的發(fā)電功率關(guān)系圖

2.3 溫度

根據(jù)國能日新公司所提供的電站1的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，選取2017年12月12日數(shù)據(jù)，畫出溫度和實(shí)際功率的關(guān)系圖如圖4所示。

圖4 溫度與實(shí)際功率的關(guān)系圖

由圖4可以看出，溫度對光伏發(fā)電功率有一定的影響，但是溫度最高的時刻并不一定發(fā)電功率最大。這是因?yàn)槿绻車臏囟冗^高，光伏發(fā)電設(shè)備的輸出電壓會比逆變器的工作電壓更低，從而影響其正常的發(fā)電功率[4]。在發(fā)電的整個過程中，開路電壓最容易受到溫度的作用，溫度如果升得過高，開路電壓會逐漸減小。開路電壓決定著光伏電池對溫度變化的靈敏性，因此發(fā)電設(shè)備的輸出功率會有一定的減小。研究表明，溫度過高時，光伏發(fā)電設(shè)備將光能轉(zhuǎn)化為電能的效率會顯著降低。因此，安裝發(fā)電系統(tǒng)后，吸光面板上的空氣溫度不宜過高。

2.4 其他

光伏電站的實(shí)際發(fā)電功率還會受到濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、空氣中灰塵指數(shù)等的影響?？諝庠匠睗?，代表空氣中的水分越多，太陽光經(jīng)過水汽時會發(fā)生反射和折射，進(jìn)而減弱到達(dá)光伏發(fā)電設(shè)備的光照強(qiáng)度。因此光伏發(fā)電裝置吸收的光能有限，轉(zhuǎn)化成的電能也有限，進(jìn)一步影響發(fā)電效率，即實(shí)際功率。此外，風(fēng)對發(fā)電功率的直接影響較小，但是風(fēng)會帶走大氣層的云朵，從而影響輻照度。相關(guān)文獻(xiàn)表明，霧霾、灰塵等會降低太陽輻照度值。

3 結(jié)束語

光伏發(fā)電具有巨大且穩(wěn)定的發(fā)電量，可以滿足人們生活和生產(chǎn)等方面的諸多需求。文章首先介紹了光伏電池的基本結(jié)構(gòu)以及數(shù)學(xué)模型，然后分析了實(shí)際光伏發(fā)電功率影響因素，主要包含太陽輻射度、季節(jié)、溫度等?？梢曰诖酥朴啺l(fā)電計(jì)劃，充分利用太陽能，輸出更多的電能，從而提升系統(tǒng)的運(yùn)行效率以及降低電網(wǎng)的運(yùn)行成本。