屠佳佳，梁國偉

（中國計量學(xué)院 計量測試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染日益成為全球性問題，現(xiàn)階段太陽能的利用，特別是利用太陽能進(jìn)行光伏發(fā)電，越來越受到人們的重視［1，2］.近20年來，研發(fā)活動已使太陽能光伏發(fā)電成本大大降低，從幾美元／（kW·h）減少到小于25美分／（kW·h）.但是，小規(guī)模太陽能光伏發(fā)電現(xiàn)仍比使用常規(guī)電力要昂貴［3］.如何提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率和降低發(fā)電成本成為光伏太陽能電池研究的關(guān)鍵［4］.晶體硅電池的轉(zhuǎn)換效率每提高1%，太陽能電池成本就下降6%［5］.

影響太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的因素很多，其中以溫度和太陽輻照度的影響最大［6，7］.本文研究的光照入射角對太陽能電池輸出功率的影響實質(zhì)上就是太陽輻照度對太陽能電池輸出功率的影響，光照入射角包括方位角和傾角.國內(nèi)外學(xué)者對傾角的影響研究比較深入，通過實驗、計算、分析得出了一些重要成果，包括光伏組件安裝傾角的計算設(shè)計方法和如何確定光伏陣列最佳安裝傾角等［8，9］.

本文將在自然條件下對太陽能電池的光照入射角的多個角度進(jìn)行測試研究，得出各角度下太陽能電池的實際轉(zhuǎn)換效率并進(jìn)行分析，對太陽能電池和太陽能跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計、安裝和運行具有一定的價值.

1 測試原理與實驗設(shè)備

1.1 測試原理

影響太陽能電池輸出功率的主要因素是日照強(qiáng)度和工作溫度［10］，本文設(shè)計的實驗在很短的時間內(nèi)完成，溫度變化很小，因此在測試過程中，可以忽略溫度對太陽能電池輸出功率的影響，而只考慮日照強(qiáng)度的影響.日照強(qiáng)度跟太陽輻射有關(guān)，實驗中用總輻射表測試太陽總輻射.改變太陽能電池的安裝傾角和方位角，可以改變太陽能電池表面接收到的輻射能，從而改變輸出功率，根據(jù)輸出功率和輸入功率計算得到太陽能電池在各個角度的轉(zhuǎn)換效率，再根據(jù)轉(zhuǎn)換效率的曲線趨勢即可得出光照入射角對太陽能電池輸出功率的影響.

實驗測試原理如圖1.根據(jù)原理圖可以測量太陽總輻射和太陽能電池的輸出電壓、輸出電流以及輸出功率.

圖1 實驗測試原理圖Figure 1 Schematic of experimental test

1.2 實驗設(shè)備

實驗設(shè)備主要有總輻射表、光輻射自記儀、可編程電子負(fù)載、不銹鋼支架和太陽能電池.

總輻射表和光輻射自記儀的型號分別為TBQ－2、QTS－4.總輻射表的光譜響應(yīng)范圍為280～3000nm，基本上全部包含了太陽能電池板的光譜響應(yīng)范圍，保證了總輻射表能夠快速響應(yīng)并準(zhǔn)確測量太陽能電池板的輸入功率.光輻射自記儀用來顯示和記錄總輻射表測量的數(shù)據(jù)，其內(nèi)置蓄電池、耗電低、體積小，便于進(jìn)行戶外測試.

電子負(fù)載是太陽能電池測試的良好選擇，因為它有寬功率范圍和承受較大電流的能力，而且可以使測試更加方便快速地進(jìn)行.實驗中采用型號為M9710的可編程電子負(fù)載，基本精度為0.03%，能夠工作在恒流、恒阻、恒壓、恒功率等模式，并支持自動測試功能.

不銹鋼支架能夠靈活改變傾角和方位角，從而改變太陽能電池的安裝角度.傾角范圍為：0°、30°、45°、60°、90°；方位角范圍為：－90°、－75°、－60°、－45°、－30°、－15°、0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°.

實驗中測試的太陽能電池分別是30W單晶硅、30W多晶硅電池以及10W非晶硅電池.

2 實驗結(jié)果分析

實驗測試在中國計量學(xué)院仰儀北樓完成，2011年10月16日對單晶硅和多晶硅進(jìn)行了測試，17日完成對非晶硅電池的測試，天氣均為晴天.由于杭州地處北緯30.3°，經(jīng)粗略計算，此時杭州地區(qū)的正午太陽高度角在54°附近.

實驗中分別對三種電池在不同的傾角和方位角下進(jìn)行了測試，得到了三種太陽能電池的不同功率輸出響應(yīng).由于測試中入射條件也在改變，所以用轉(zhuǎn)換效率來評價光照入射角對太陽能輸出功率的影響.測試過程中，電子負(fù)載工作在恒壓模式下，電壓為16V，太陽能電池在此電壓下的輸出功率基本運行在當(dāng)時條件下的最大輸出功率附近.

2.1 傾角的影響

傾角是指太陽能電池與水平面所成的角度，改變傾角的大小可以改變太陽能電池接收到的太陽輻射.不考慮溫度影響，當(dāng)傾角與太陽高度角成90°時，太陽光直射電池板，其輸出功率達(dá)到最大值，在太陽輻射恒定不變時，電池轉(zhuǎn)換效率也將達(dá)到最大值.

傾角對單晶硅電池轉(zhuǎn)換效率的影響趨勢曲線如圖2.測試時間是11：30—11：34，由于測試時間很短，可以忽略測試過程中的太陽高度角變化.在此時間內(nèi)，太陽高度角略小于54°，因此當(dāng)傾角約為36°時，單晶硅電池正對太陽，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大為15.69%，與圖中曲線顯示的結(jié)果一致，說明理論與實際相符.

圖2 傾角對單晶硅電池轉(zhuǎn)換效率的影響Figure 2 Impact of inclination to the conversion efficiency of silicon solar cell

觀察曲線可知，單晶硅電池轉(zhuǎn)換效率的變化范圍在12%～16%之間，說明轉(zhuǎn)換效率變化范圍很小.曲線以傾角為36°時的轉(zhuǎn)換效率為最大值，且隨傾角的變化向兩側(cè)逐漸減小.

傾角對多晶硅和非晶硅電池轉(zhuǎn)換效率的影響趨勢曲線如圖3、圖4.測試結(jié)果同樣與理論相符合，在36°左右轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大值，分別為15.39%和3.11%.并且從圖中可以看出，多晶硅電池與單晶硅電池的測試曲線非常接近，非晶硅電池與晶硅電池測試曲線的趨勢是一致的，但轉(zhuǎn)換效率要比晶硅電池小很多，這些規(guī)律同樣適用于輸出功率.

綜上所述可知，當(dāng)三種太陽能電池的安裝傾角與太陽高度角成90°時，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大.較小角度的改變傾角對電池轉(zhuǎn)換效率和輸出功率的影響并不大，而且單晶硅和多晶硅電池在各個傾角下的轉(zhuǎn)換效率都很相近，非晶硅電池與晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率相差較大.

2.2 方位角的影響

太陽電池組件的方位角是組件的垂直面與南北方向連線的夾角（向東偏設(shè)定為負(fù)角度，向西偏設(shè)定為正角度）［11］.方位角的測試在固定傾角為30°的條件下進(jìn)行，由于測試時間很短，可忽略測試過程中太陽運動的影響.

方位角對單晶硅、多晶硅和非晶硅電池轉(zhuǎn)換效率的影響趨勢曲線，分別如圖5、圖6、圖7.從圖中可以看出，方位角為0°時，三種電池的轉(zhuǎn)換效率都達(dá)到最大，然后分別向左右兩側(cè)近似對稱減小，且靠近0°時減小得少，遠(yuǎn)離0°時減小得多.由此可知，在傾角一定的前提下，正對太陽時電池輸出功率最大，其它角度均小于此點，且減小多少與離0°的遠(yuǎn)近有關(guān).

對比圖5和圖6轉(zhuǎn)換效率的曲線可知，方位角對單晶硅和多晶硅電池輸出功率的影響也非常相似.觀察圖5和圖7可發(fā)現(xiàn)，兩曲線90°時的轉(zhuǎn)換效率都略高于－90°時的轉(zhuǎn)換效率，這可能是因為在測試過程中，雖然忽略了太陽的運動，但是事實上太陽還是在向西運動，所以導(dǎo)致90°時接收到的太陽輻射增大，輸出功率也增大，從而導(dǎo)致這種現(xiàn)象的發(fā)生.

圖5 方位角對單晶硅電池轉(zhuǎn)換效率的影響Figure 5 Impact of azimuth to the conversion efficiency of silicon solar cell

根據(jù)方位角對太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的影響曲線可以分析某一天的效率變化范圍，本文以杭州地區(qū)夏至日和冬至日為例進(jìn)行說明.假設(shè)天氣為晴天，30W單晶硅電池以傾角為30°面對正南方向放置.粗略計算夏至日時方位角的變化范圍為－90°～90°，對照圖5可知單晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率變化范圍為11%～15.37%.同樣冬至日時方位角的變化范圍為－67°～67°，轉(zhuǎn)換效率變化范圍為12.8%～15.37%.夏至日和冬至日分別是杭州地區(qū)一天中轉(zhuǎn)換效率變化范圍最大和最小的時候，所以在假設(shè)條件下，杭州地區(qū)一年中某一天的轉(zhuǎn)換效率變化范圍為2.57%～4.37%.同理可以按照實際情況分析其它地區(qū)某一天的轉(zhuǎn)換效率變化，并聯(lián)系輸出功率的變化，判斷是否有必要在當(dāng)?shù)氐墓夥l(fā)電中使用太陽跟蹤系統(tǒng).

3 結(jié) 語

本文對單晶硅、多晶硅和非晶硅三種常見的太陽能電池，在自然條件下進(jìn)行了關(guān)于光照入射角對其輸出功率的影響測試實驗，測試結(jié)果符合理論條件，說明了在室外對太陽能電池進(jìn)行測試是可行的，為進(jìn)一步進(jìn)行室外測試提供了依據(jù).從本次的研究結(jié)果來看，可以得出以下結(jié)論：

1）光照入射角對三種太陽能電池輸出功率的影響趨勢基本一致，但是單晶硅和多晶硅的測試曲線更為接近.

2）在方位角的測試中，發(fā)現(xiàn)三種太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率在靠近0°時減小得少，遠(yuǎn)離0°時減小得多.

3）本文的研究結(jié)果對于如何安裝太陽能電池和是否在光伏發(fā)電中使用太陽跟蹤系統(tǒng)具有參考意義，值得人們進(jìn)一步的研究和完善.

［1］張智峰.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)控制器的設(shè)計［J］.工程技術(shù)，2010（21）：117.

［2］陳衛(wèi)民，汪 偉，蔡 慧.一種智能型光伏發(fā)電逆變器設(shè)計［J］.中國計量學(xué)院學(xué)報，2009，20（4）：320－323.

［3］錢伯章.太陽能光伏發(fā)電成本及展望［J］.中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2009（4）：24－28.

［4］王 旭，肖 輝，陳 泉，等.太陽能光伏電池的I－V測試研究［J］.云南大學(xué)學(xué)報，2010，32（S1）：242－244.

［5］馬勝紅，李 斌，陳東兵.中國光伏發(fā)電成本、價格及技術(shù)進(jìn)步作用的分析［J］.太陽能，2010（4）：6－12.

［6］PARRETTA A.Effects of solar irradiation conditions on the outdoor performance of photovoltaic modules［J］.Optics Communications，1998，153（1－3）：153－163.

［7］SMILEY E W ，STAMENIC L.Optimization of building integrated photovoltaic systems［C］／／Photovoltaic Specialists Conference.Piscataway：IEEE press，2002：1501－1503.

［8］董霞威，龐 春，蘇國梁.光伏并網(wǎng)電站光伏組件安裝傾角的選擇設(shè)計［J］.中國電力，2010，43（12）：70－73.

［9］李文婷.光伏并網(wǎng)發(fā)電固定安裝光伏陣列最佳傾角的確定［J］.青海科技，2010（2）：20－21.

［10］馮垛生，張 淼，趙 慧，等.太陽能發(fā)電技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：人民郵電出版社，2010：39－40.

［11］許基朵，姜世平.關(guān)于固定式太陽能路燈照明系統(tǒng)電池組件的最佳安裝角度［J］.科技風(fēng)，2009（1）：40－41.