不同光伏發(fā)電系統(tǒng)科技示范及綜合效率分析＊

胡國(guó)武，陳維鉛

（甘肅省太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 酒泉 735000）

1 概述

隨著化石能源的不斷消耗和環(huán)境污染問(wèn)題的日益嚴(yán)重，太陽(yáng)能作為“取之不盡，用之不竭”的可再生清潔能源，得到了大規(guī)模的發(fā)展。我國(guó)光伏發(fā)電裝機(jī)容量預(yù)計(jì)達(dá)80GW，成為全球光伏發(fā)電裝機(jī)容量最大，發(fā)展速度最快的國(guó)家。應(yīng)用較廣泛的光伏組件主要有多晶硅、單晶硅、非晶硅薄膜、砷化鎵等，常見(jiàn)的跟蹤模式主要有高倍聚光、平單軸、斜單軸、雙軸跟蹤等。不同跟蹤模式、不同光伏組件的光伏發(fā)電系統(tǒng)效率不同，衰減程度也不同。文章以酒泉地區(qū)某0.6MW光伏發(fā)電科技示范電站為例，綜合分析不同跟蹤模式、不同光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率及衰減情況。

2 不同光伏發(fā)電系統(tǒng)

該電站于2012年12月31日建成，并上網(wǎng)發(fā)電。不同發(fā)電系統(tǒng)包括0.1MW砷化鎵高倍聚光發(fā)電系統(tǒng)，0.1MW多晶硅平單軸跟蹤發(fā)電系統(tǒng)，0.1MW多晶硅斜單軸跟蹤發(fā)電系統(tǒng)，0.1MW多晶硅雙軸跟蹤式發(fā)電系統(tǒng)，0.1MW單晶硅固定式發(fā)電系統(tǒng)，0.1MW非晶薄膜固定發(fā)電系統(tǒng)。不同光伏發(fā)電系統(tǒng)具體如下。

2.1 不同跟蹤模式發(fā)電系統(tǒng)

圖1（a）為砷化鎵高陪聚光發(fā)電系統(tǒng)，高陪聚光發(fā)電系統(tǒng)具有獨(dú)立跟蹤功能，實(shí)現(xiàn)全方位跟蹤太陽(yáng)。每個(gè)獨(dú)立的發(fā)電系統(tǒng)由48個(gè)發(fā)電模塊組成，每個(gè)發(fā)電模塊由16個(gè)發(fā)電單元組成。每個(gè)發(fā)電單元結(jié)構(gòu)從上到下分別為菲涅爾透光鏡、高陪聚光鏡、導(dǎo)電膠、散熱片、導(dǎo)熱膠、基板等。圖1（b）為多晶硅平單軸發(fā)電系統(tǒng)，平單軸跟蹤系統(tǒng)由主軸、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、太陽(yáng)能感應(yīng)系統(tǒng)、支架等組成，實(shí)現(xiàn)從東向西跟蹤太陽(yáng)能。多晶硅光伏組件水平固定在跟蹤主軸上，傾角約為38°，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的帶動(dòng)下，隨跟蹤主軸從東向西跟蹤太陽(yáng)，組成平單軸光伏發(fā)電系統(tǒng)。如圖1所示。

圖1 不同跟蹤模式光伏發(fā)電系統(tǒng)

圖1（c）為多晶硅斜單軸跟蹤發(fā)電系統(tǒng)，斜單軸跟蹤發(fā)電系統(tǒng)與平單軸跟蹤系統(tǒng)一樣，均由跟蹤主軸、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、太陽(yáng)能感應(yīng)系統(tǒng)、支架等組成，實(shí)現(xiàn)從東向西跟蹤太陽(yáng)能。與平單軸跟蹤系統(tǒng)不同的是光伏組件不是水平固定在驅(qū)動(dòng)主軸上，而是與主軸成45°夾角，傾斜固定在主軸上。圖1（d）為多晶硅雙軸跟蹤發(fā)電系統(tǒng)，雙軸跟蹤發(fā)電系統(tǒng)具有獨(dú)立雙軸跟蹤功能，跟蹤系統(tǒng)由鋼結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)、混凝土軌道等組成，光伏組件固定于鋼結(jié)構(gòu)上面，傾角為25°，實(shí)現(xiàn)全方位跟蹤太陽(yáng)。

2.2 不同光伏組件發(fā)電系統(tǒng)

圖2（a）（b）、（c）為分別為多晶硅、單晶硅、非晶薄膜固定式光伏發(fā)電系統(tǒng)，光伏組件面朝西南方向固定在支架上面，支架固定在地面，不具有跟蹤功能，組件傾角為38°。多晶硅電池組件理論發(fā)電效率16%，較單晶硅電池發(fā)電效率稍微低一些；但是多晶硅電池組件制作工藝較單晶硅簡(jiǎn)單，節(jié)約能耗，總的生產(chǎn)成本低于單晶硅，得到了大量的發(fā)展。單晶硅光伏發(fā)電系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換效率18%，組件理論效率可達(dá)24%，高于多晶硅發(fā)電效率。但單晶硅光伏組件制造工藝相對(duì)復(fù)雜、能耗高、生產(chǎn)成本高于多晶硅。目前，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，單晶硅生產(chǎn)成本的降低，單晶硅高效疊瓦光伏組件得到了大量發(fā)展。非晶硅薄膜光伏組件是在玻璃基板上通過(guò)真空鍍膜的方法，將硅及半導(dǎo)體材料鍍于玻璃表面，薄膜表面再封裝一層光伏玻璃制成，理論光電轉(zhuǎn)換效率10%。

圖2 不同光伏組件發(fā)電系統(tǒng)

與晶體硅材料光伏組件相比，非晶薄膜光伏組件的硅材料消耗較少、能耗較低、制造成本低于晶硅組件。但隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，其效率衰減較快。非晶薄膜組件的優(yōu)點(diǎn)在于弱光條件下也能正常發(fā)電，晶硅組件適合于強(qiáng)光條件下發(fā)電。與晶硅電池相比，砷化鎵光伏電池禁帶寬度較大，耐高溫性較高，光譜響應(yīng)性和空間光譜匹配能力較好，單結(jié)的砷化鎵電池理論效率達(dá)27%，多結(jié)砷化鎵電池理論效率超過(guò)50%。

3 光伏發(fā)電系統(tǒng)綜合效率分析

分別以0.1MW多晶硅、單晶硅、非晶薄膜固定式光伏發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象，研究不同光伏組件對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)日累計(jì)發(fā)電量及發(fā)電功率的影響；以0.1MW多晶硅固定式、多晶硅平單軸、多晶硅斜單軸、多晶硅雙軸跟蹤模式為研究對(duì)象，研究不同跟蹤模式對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)日累計(jì)發(fā)電量及發(fā)電功率的影響。系統(tǒng)效率測(cè)試，從早7h至晚上20h，每隔1h從光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器讀取不同光伏組件、不同跟蹤模式系統(tǒng)日累計(jì)發(fā)電量和系統(tǒng)發(fā)電功率，連續(xù)測(cè)試1個(gè)月，取其平均值。

以上述光伏發(fā)電科技示范系統(tǒng)為例，測(cè)試2018年8月15日至9月15日不同光伏組件、不同跟蹤模式系統(tǒng)的日累計(jì)發(fā)電量及發(fā)電功率。

圖3 不同光伏組件日累計(jì)發(fā)電量及發(fā)電功率

圖3（a）為0.1MW多晶硅、單晶硅、非晶薄膜等不同光伏組件平均日累計(jì)發(fā)電量折線圖，縱坐標(biāo)為光伏組件日累計(jì)發(fā)電量，橫坐標(biāo)為時(shí)間。從圖可知，非晶薄膜組件平均日發(fā)電量為400kWh，明顯低于單晶硅和多晶硅組件日發(fā)電量。多晶硅組件平均日發(fā)電量為700kWh，稍低于多晶硅組件，單晶硅組件平均日發(fā)電量750kWh。圖3（b）為不同光伏組件日發(fā)電功率折線圖，縱坐標(biāo)為系統(tǒng)發(fā)電功率。從圖可知，光伏組件日峰值發(fā)電功率在13～14h，單晶硅發(fā)電功率最高，峰值功率為90kW；多晶硅發(fā)電功率稍低于單晶硅，峰值功率為85kW；非晶薄膜發(fā)電功率明顯低于晶體硅組件，其峰值功率為55kW，這與單晶硅、多晶硅、非晶薄膜光伏組件理論轉(zhuǎn)換效率相符。

圖4 不同跟蹤模式光伏系統(tǒng)日累計(jì)發(fā)電量及發(fā)電功率

圖4（a）為固定式、平單軸、斜單軸、雙軸等不同跟蹤模式0.1MW多晶硅光伏發(fā)電系統(tǒng)平均日累計(jì)發(fā)電量折線圖，縱坐標(biāo)為光伏組件日累計(jì)發(fā)電量，橫坐標(biāo)為時(shí)間。從圖可知，不同跟蹤模式日累計(jì)發(fā)電量在620kWh至700kWh之間，其中雙軸跟蹤模式日累計(jì)發(fā)電量最大，固定式日累計(jì)發(fā)電量最小，斜單軸跟蹤模式日累計(jì)發(fā)電量稍高于平單軸。圖4（b）為不同跟蹤模式0.1MW多晶硅光伏發(fā)電系統(tǒng)日發(fā)電功率折線圖，縱坐標(biāo)為系統(tǒng)發(fā)電功率。由圖可知，雙軸跟蹤與固定式發(fā)電系統(tǒng)功率折線圖在13～14h時(shí)，出現(xiàn)峰值發(fā)電功率，二者日發(fā)電功率走勢(shì)相同，但雙軸跟蹤發(fā)電系統(tǒng)峰值功率稍大于固定式發(fā)電系統(tǒng)。平單軸與斜單軸跟蹤模式發(fā)電系統(tǒng)在10h之前，系統(tǒng)發(fā)電功率增長(zhǎng)速率高于雙軸跟蹤與固定式發(fā)電系統(tǒng)。而在13～14h時(shí)，平單軸與斜單軸跟蹤模式系統(tǒng)發(fā)電功率保持平穩(wěn)增長(zhǎng)，并未出現(xiàn)峰值發(fā)電功率，這說(shuō)明太陽(yáng)能跟蹤模式能夠提高光伏發(fā)電系統(tǒng)綜合效率。

4 結(jié)論

1）非晶硅薄膜光伏發(fā)電系統(tǒng)效率明顯低于晶硅發(fā)電系統(tǒng)料率，單晶硅發(fā)電系統(tǒng)效率稍高于多晶硅發(fā)電系統(tǒng)效率。日發(fā)電功率在13～14h達(dá)到最大，單晶硅系統(tǒng)峰值功率為90kW，多晶硅系統(tǒng)峰值功率為85kW；非晶薄膜系統(tǒng)峰值功率為55kW。相對(duì)應(yīng)單晶硅系統(tǒng)日累計(jì)發(fā)電量最大，達(dá)到750kWh，多晶硅系統(tǒng)日累計(jì)發(fā)電量700kWh，非晶薄膜系統(tǒng)400kWh。

2）雙軸跟蹤與固定式發(fā)電系統(tǒng)功率走勢(shì)相同，在13～14h時(shí)，出現(xiàn)峰值功率，但雙軸跟蹤發(fā)電系統(tǒng)峰值功率稍大于固定式發(fā)電系統(tǒng)。而在13～14h時(shí)，平單軸與斜單軸跟蹤模式系統(tǒng)發(fā)電功率保持平穩(wěn)增長(zhǎng)，并未出現(xiàn)峰值發(fā)電功率。雙軸跟蹤系統(tǒng)日累計(jì)發(fā)電量最大，為700kWh；固定式日累計(jì)發(fā)電量最小，為620kWh；斜單軸跟蹤模式日累計(jì)發(fā)電量稍高于平單軸。

3）單晶硅系統(tǒng)發(fā)電效率稍高于多晶硅系統(tǒng)發(fā)電效率，但由于單晶硅組件生產(chǎn)成本高于多晶硅組件，其廣泛應(yīng)用受到了限制。太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)能夠提高系統(tǒng)綜合發(fā)電效率，但是跟蹤系統(tǒng)的安裝復(fù)雜、機(jī)械故障較多、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)耗能等綜合成本高于固定式發(fā)電系統(tǒng)。因此，在酒泉地區(qū)大面積光伏電站的建設(shè)中，主要采用多晶硅固定式光伏發(fā)電系統(tǒng)。

4）砷化鎵光伏組件理論轉(zhuǎn)換效率較高，但其對(duì)光的吸收要求比較高，其系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，由于鋼結(jié)構(gòu)的變形等因素，導(dǎo)致其系統(tǒng)發(fā)電效率衰減較大。本文提到的砷化鎵高倍聚光發(fā)電系統(tǒng)目前峰值功率15kWh左右，與較高的轉(zhuǎn)換效率不符，所應(yīng)并未受到廣泛的應(yīng)用。