光伏發(fā)電效率影響因素研究進(jìn)展及前景展望

許偉濱 陳秋宇 劉佳坤 劉泓浩 關(guān)小龍

（1. 廣東海洋大學(xué) 2. 廣東工業(yè)大學(xué)）

0 引言

開發(fā)和利用新能源替代傳統(tǒng)的化石能源是緩解化石能源匱乏和環(huán)境污染等問題的有效方式[1-2]。太陽(yáng)能光電系統(tǒng)是一種安全、可靠、無(wú)污染、不需要任何能源的系統(tǒng)，是未來(lái)太陽(yáng)能利用的重點(diǎn)研究領(lǐng)域[3]。中國(guó)已向世界確保，到2030 年二氧化碳的排放量達(dá)到最大值，可再生能源占總能源消耗總量的20%[4]。所以研究和發(fā)展新能源是促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)關(guān)鍵措施。太陽(yáng)能的清潔、高效率、可持續(xù)發(fā)展等的突出優(yōu)勢(shì)，是構(gòu)建潔凈低碳安全高效能源體系和實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的關(guān)鍵。

為促進(jìn)光伏發(fā)電的發(fā)展，并助力“雙碳”目標(biāo)的達(dá)成，肖佳等[4]人對(duì)光伏發(fā)電行業(yè)進(jìn)行系統(tǒng)研究。結(jié)果表明，光伏發(fā)電將成為新能源發(fā)電技術(shù)的主要選擇；光伏組件回收處理技術(shù)有待提高，研發(fā)高質(zhì)量低成本光伏組件、提高光伏組件的生產(chǎn)技術(shù)水平，是當(dāng)前我國(guó)光伏發(fā)電的主要目標(biāo)[5]。因此，本文分析總結(jié)影響太陽(yáng)能光伏發(fā)電效率的因素，研究國(guó)內(nèi)外光伏發(fā)電的現(xiàn)狀，接著從光伏板自身、太陽(yáng)能電池材料等方面分析我國(guó)光伏發(fā)電效率低的主要因素，并且結(jié)合我國(guó)新能源的政策，對(duì)光伏發(fā)電需要解決的問題進(jìn)行相應(yīng)的分析和總結(jié)，最后提出光伏發(fā)電發(fā)展的挑戰(zhàn)和展望。

1 光伏發(fā)電國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 全球光伏發(fā)電現(xiàn)狀

在“碳中和”目標(biāo)的背景下，全球光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速和全球使用量持續(xù)增加。根據(jù)目前全球的發(fā)展?fàn)顩r，可以推測(cè)光伏發(fā)電的需求量將持續(xù)增加。雖然2019 年受疫情影響，但是近年來(lái)全球裝機(jī)總量仍然持續(xù)上升。中國(guó)光電產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)表示，全球太陽(yáng)能發(fā)電量在2021 年能夠達(dá)到170GW。SEIA 的數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)、美國(guó)、印度、歐盟光伏裝機(jī)量表現(xiàn)突出。其中，中國(guó)光伏裝機(jī)量為54.88GW，歐盟光伏裝機(jī)容量為25.9GW，美國(guó)的裝機(jī)容量為23.6GW，印度裝機(jī)11.89GW。

歐洲光伏產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布的2022 年度光伏進(jìn)展調(diào)查報(bào)告顯示，歐盟在2022 年太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的裝機(jī)容量達(dá)到41.4GW，比2021 年的28.1GW 增長(zhǎng)47%，說(shuō)明在未來(lái)一年內(nèi)，歐盟的太陽(yáng)能裝置將會(huì)新增25%的裝機(jī)容量達(dá)到208GW。

面對(duì)日益加劇的能源危機(jī)，歐盟安裝光伏系統(tǒng)裝機(jī)容量的巨大增長(zhǎng)是在脫碳道路上邁出的堅(jiān)實(shí)一步。德國(guó)是表現(xiàn)最為突出的成員國(guó)，今年安裝了7.9GW的光伏系統(tǒng)，緊隨其后的是西班牙（7.5GW）、波蘭（4.9GW）、荷蘭（4GW）和法國(guó)（2.7GW）。

1.2 我國(guó)光伏行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)家能源局在2022 年3 月9 日發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示[6]，2021 年中國(guó)增加了5300 萬(wàn)kW 的風(fēng)力發(fā)電量，是世界上連續(xù)九年發(fā)電量最大的國(guó)家。根據(jù)2021 年底統(tǒng)計(jì)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的總裝機(jī)容量達(dá)到3.06108億kW，連續(xù)七年居全球首位[7-8]。從新增裝機(jī)量來(lái)看，裝機(jī)量占比較高的地區(qū)為華中、華東和華北地區(qū)，分別占全國(guó)新增裝機(jī)量的15%、19%和39%。

在“十四五”規(guī)劃中，第一年光伏發(fā)電建設(shè)取得多項(xiàng)新突破。一是分布式光伏發(fā)電已突破1 億kW，約為光伏并網(wǎng)裝機(jī)容量的1/3。其次，在新增裝機(jī)中，分布式光伏發(fā)電首次占新增裝機(jī)總量的50%。此外，新增分布式光伏中，戶用電量首次突破1000萬(wàn)kW。第二年就超過(guò)2000 萬(wàn)kW，太陽(yáng)能已成為該國(guó)“碳峰值和碳中和”的主要驅(qū)動(dòng)力。

2 影響光伏發(fā)電的主要因素

研究表明，目前的光伏發(fā)電的效率在15%～20%的范圍內(nèi)，而市面上最有效的光伏組件效率略高于22%。眾多研究者都專注于如何提高光伏發(fā)電的效率，如提高硅的精度，以及采用機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行光伏最大效率點(diǎn)的追蹤以及預(yù)測(cè)等等。盡管如此，光伏發(fā)電還是受到各種因素的影響。因此，對(duì)光伏發(fā)電影響因素進(jìn)行研究和分析是必要的。影響因素主要有環(huán)境溫度、太陽(yáng)高度角、太陽(yáng)能光伏組件等。

2.1 環(huán)境溫度

在現(xiàn)有的研究中，由于晴天持續(xù)的高照射，太陽(yáng)能電池在高功率狀態(tài)下連續(xù)運(yùn)行，其蓄熱會(huì)導(dǎo)致組件的溫度隨時(shí)間增加。王婧怡等[9]根據(jù)太陽(yáng)能屋頂太陽(yáng)能電站的實(shí)際觀測(cè)資料，證實(shí)由于日照累積而引起的組件溫度隨著時(shí)間的推移而增加，將會(huì)對(duì)發(fā)電效率造成不利的影響。然后，將時(shí)間作為一種新的影響因子，建立一種更為精確的多風(fēng)系統(tǒng)的電力系統(tǒng)模型。由于太陽(yáng)光的近紅外光引起了光伏組件的溫度升高，從而影響組件的發(fā)電效率。王平等[10]通過(guò)研究表明，采用自制的納米氧化錫銻透明絕緣薄膜涂層，可有效降低組件的工作溫度。

2.2 太陽(yáng)高度角

太陽(yáng)高度角度是太陽(yáng)能光電陣列的傾斜角度，它可以通過(guò)方位來(lái)采集太陽(yáng)能的能量。根據(jù)太陽(yáng)照射的角度，光伏陣列的放置方法可分為固定式和跟蹤式[11]。跟蹤型為旋轉(zhuǎn)光伏支架，具有可跟蹤的太陽(yáng)高度角。光伏組件安裝在支架上，使光伏組件能夠時(shí)刻最大限度地獲得垂直的陽(yáng)光，接收更多的陽(yáng)光。由于各個(gè)地方的太陽(yáng)能高度和方位角都不同，因此在建造光伏電站時(shí)，需要考慮組件在電站地理范圍上的最佳安裝傾角。

馬春蘭等[12]通過(guò)分析得出，當(dāng)太陽(yáng)傾角為37°時(shí)，接受輻射量最大以及光伏發(fā)電效率最好。向征等人[13]總結(jié)發(fā)電效率較低的現(xiàn)象。為了實(shí)現(xiàn)能耗精確預(yù)測(cè)，提出一種基于并網(wǎng)太陽(yáng)能光伏/電池系統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)供電低功耗策略和一種啟發(fā)式負(fù)載均衡算法和資源塊分配技術(shù)，以優(yōu)化太陽(yáng)能的利用，最終發(fā)電效率高達(dá)54.8%，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電效率的提高。

2.3 遮擋損耗

張琳等人[14]在2022 年指出，光伏組件的發(fā)電量與灰塵密度、遮擋情況相關(guān)聯(lián)，灰塵密度大或存在較大面積的遮擋，則會(huì)嚴(yán)重影響集中式光伏電站的發(fā)電效率。除此之外，降落到光伏組件上的灰塵或樹葉等遮擋物，在光伏組件上形成了陰影，導(dǎo)致組件的局部傳熱形式發(fā)生改變，光伏組件在長(zhǎng)時(shí)間的陽(yáng)光照射下，受遮擋部分組件無(wú)法工作，使得被遮擋部分溫升遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于組件其他部分，如不及時(shí)清理可能會(huì)在組件上形成熱斑，從而極大地影響到光伏組件的實(shí)際使用壽命。

2.4 太陽(yáng)能光伏組件特性

光伏組件的特性和質(zhì)量由太陽(yáng)能電池的材料決定，材料的質(zhì)量直接影響光伏組件的效率。太陽(yáng)能電池的原材料是半導(dǎo)體，太陽(yáng)能電池分為硅電池、無(wú)機(jī)鹽電池等。目前硅光伏電池已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。硅光電池是一種以單晶和多晶為主體的晶體結(jié)構(gòu)，占世界總產(chǎn)能的90%。單晶硅、多晶硅已被廣泛使用，但是單晶硅由于昂貴的價(jià)格，因此目前多晶硅太陽(yáng)能電池是大多數(shù)光伏發(fā)電的首選。光伏組件自身的質(zhì)量會(huì)影響發(fā)電效率。高建喜指出[12]，影響光伏發(fā)電效率的因素包含光伏板自身問題，太陽(yáng)能電池板在出廠之前都會(huì)進(jìn)行嚴(yán)格的檢查，但也有可能出現(xiàn)一些問題，比如內(nèi)部裂紋、硅片之間的斷裂。

2.5 逆變器效率

光伏發(fā)電系統(tǒng)的逆變器作用是將光伏顯示器的直流電轉(zhuǎn)換為交流電進(jìn)行輸出。張佳平等人[8]分析光伏影響因素時(shí)指出，在選擇逆變器時(shí)，要選擇與光伏電站建設(shè)能力相匹配的逆變器。通常逆變器的轉(zhuǎn)換效率與發(fā)電成本成反比。因此，高效逆變器是光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。尚華[3]分析最大功率峰值跟蹤對(duì)效率影響時(shí)，提出了采用最大功率追蹤運(yùn)算裝置與顯示裝置相連接，以達(dá)到最大能量傳輸。張琳等[14]提出，逆變器加權(quán)效率已經(jīng)接近97%，但是存在跟蹤滯后性，導(dǎo)致有部分能量仍然會(huì)損失。

3 光伏發(fā)電前景與展望

太陽(yáng)能光伏是一種新型的發(fā)展方式。并網(wǎng)發(fā)電相對(duì)匱乏，將光伏發(fā)電與生活實(shí)際聯(lián)系起來(lái)，做到“光伏+”，從而更大化地利用太陽(yáng)能。吳福保研究了并網(wǎng)發(fā)電[16]，提出目前光伏系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，即以并網(wǎng)為核心。太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)將太陽(yáng)能電池陣列置于建筑物的頂部或其他外圍，從而為使用者提供電力，減少電力供應(yīng)。作者認(rèn)為，有必要研制一套儲(chǔ)能式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，來(lái)有效地降低電網(wǎng)的電力需求。采用最大功率追蹤與并網(wǎng)逆變技術(shù)，利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電，將太陽(yáng)能電池的電能儲(chǔ)存到蓄電池中，從而提高發(fā)電的效率。在光伏并網(wǎng)發(fā)電漸漸普及之后，效率決定發(fā)電量，而太陽(yáng)能電池陣列所能獲得的輻射強(qiáng)度是最直接的影響因素。當(dāng)安裝位置確定后，需要考慮地理緯度、海拔等因素，這時(shí)的太陽(yáng)能發(fā)電功率主要取決于組件的溫度和方位。因此，提高太陽(yáng)能電池陣列能夠俘獲最大輻射量的方法是在光照跟蹤方面加大力度。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文從理論方面對(duì)太陽(yáng)能光電系統(tǒng)的影響進(jìn)行系統(tǒng)的總結(jié)。由以上結(jié)果可知，環(huán)境溫度、太陽(yáng)高度角、遮擋損耗、太陽(yáng)能光伏組件特性、逆變器效率等因素均會(huì)直接或間接地影響光伏系統(tǒng)的效能。