李超 徐啟峰

（福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350108）

低效率與低效益問(wèn)題一直制約著光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)提高光伏發(fā)電效率的研究主要集中在并網(wǎng)逆變器的硬件與軟件設(shè)計(jì)上，對(duì)提高光伏電池的發(fā)電效率研究較少。逆變器效率已經(jīng)可以達(dá)到99%[1]，進(jìn)一步提升的空間有限，且所需成本較高，缺乏經(jīng)濟(jì)可行性。

本文分析了影響光伏電池發(fā)電效率的若干因素，提出了若干提升光伏電池發(fā)電效率的措施，并做了經(jīng)濟(jì)效益分析。

1 影響光伏電池發(fā)電效率的若干因素

1.1 固有效率

目前已經(jīng)商業(yè)化的產(chǎn)品主要是多晶硅和單晶硅兩種產(chǎn)品，單晶硅的效率在16%～22%之間，多晶硅的效率在14%～16%之間[2]。由于各廠家生產(chǎn)工藝、雜質(zhì)含量、柵電極尺寸的不同，光伏電池的效率差異比較大。

1.2 安裝方式

光伏電池按其安裝方式的不同，分為屋頂式、集中式、建筑一體化式等。安裝方式的不同，導(dǎo)致光伏電池的發(fā)電效率也不同。目前集中式安發(fā)電效率最高，建筑一體化式發(fā)電效率最低[3-4]。

1.3 環(huán)境因素

光伏電池安裝地理位置的環(huán)境對(duì)光伏電池發(fā)電效率影響非常明顯[5-10]，包括光照時(shí)長(zhǎng)、緯度、溫度、海拔、污染等因素，其特性見(jiàn)表1。

表1 環(huán)境對(duì)光伏電池的影響

2 提高光伏電池發(fā)電效率的若干措施

在實(shí)用中，光伏電池的固有效率和安裝方式無(wú)法改變，但可以通過(guò)改進(jìn)安裝角度和改善環(huán)境因素使光伏電池得到最大程度的利用[11]。比如通過(guò)跟蹤系統(tǒng)使光伏電池角度正對(duì)太陽(yáng)；通過(guò)聚光措施使光伏電池承受更多的光照等。針對(duì)影響發(fā)電效率的各種因素，本節(jié)提出了跟蹤系統(tǒng)、聚光裝置、降溫裝置、驅(qū)鳥(niǎo)裝置等措施。

2.1 改進(jìn)安裝角度

針對(duì)屋頂式和集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)，可通過(guò)改進(jìn)光伏電池的安裝角度來(lái)提升光伏電池發(fā)電效率。按照安裝方式可分為固定式和跟蹤式[12-16]。

1）固定式

光伏電池安裝方式如圖1所示，α是高度角，即光伏電池與水平面上投影之間的夾角。β是方位角，即光伏電池與正南方向在地平面上的夾角。

圖1 光伏電池安裝方式

固定式安裝時(shí)，α選擇方法是，首先確定當(dāng)?shù)卦缕骄庹諒?qiáng)度最大的月份，然后使太陽(yáng)光垂直照射到光伏電池時(shí)的角度，即確定系統(tǒng)的α值。β選擇方法為：首先確定當(dāng)?shù)厝掌骄庹諒?qiáng)度最大的時(shí)刻，使光伏電池正對(duì)此刻太陽(yáng)的方位，即確定系統(tǒng)的β值。北京地區(qū)α值最優(yōu)為 35°～45°之間，β值最優(yōu)為90°～105°之間。

2）跟蹤系統(tǒng)

跟蹤系統(tǒng)是根據(jù)經(jīng)緯度和時(shí)間的變化通過(guò)電機(jī)改變高度角α和方位角β，使太陽(yáng)光時(shí)刻保持垂直照射在光伏電池的表面。

跟蹤系統(tǒng)方法和光伏電池發(fā)電效率相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示（光伏電池模型效率為16%）。

表2 跟蹤系統(tǒng)的方法和特性

跟蹤系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)又分為時(shí)間式跟蹤和光強(qiáng)式跟蹤。時(shí)間式跟蹤是根據(jù)經(jīng)緯度和時(shí)間來(lái)讀取已設(shè)定的角度值，進(jìn)而控制電機(jī)。光強(qiáng)式跟蹤是根據(jù)光照強(qiáng)度傳感器進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)相關(guān)角度。時(shí)間式跟蹤方法簡(jiǎn)單、可靠，但無(wú)法根據(jù)光照變化進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，尤其是陰雨天光伏系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)，跟蹤系統(tǒng)仍在運(yùn)行。光強(qiáng)式跟蹤方法精度較高，但成本較高，同時(shí)傳感頭容易受到灰塵、云朵等因素影響，可靠性低。

本文研制了一種以時(shí)間跟蹤為主、光強(qiáng)判斷為輔的連續(xù)跟蹤系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 跟蹤系統(tǒng)框圖

光伏電池本身就可以作為光強(qiáng)檢測(cè)裝置使用，主控制器首先根據(jù)光伏極板電壓值和輸出功率進(jìn)行光照強(qiáng)度判斷，然后確定是否起動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。光強(qiáng)判斷措施可確保光伏系統(tǒng)因?yàn)樘鞖獾仍蛲C(jī)時(shí)及時(shí)關(guān)閉跟蹤系統(tǒng)，減少功耗。

跟蹤系統(tǒng)控制器接收起動(dòng)信號(hào)后，根據(jù)時(shí)鐘和經(jīng)緯度進(jìn)行角度調(diào)節(jié)。角度調(diào)節(jié)公式如式（1）、式（2）所示[11]。

式中，λ為經(jīng)度，φ為緯度，n為1年的第n天，Hs為本標(biāo)準(zhǔn)時(shí)區(qū)時(shí)間，λs為本標(biāo)準(zhǔn)時(shí)區(qū)經(jīng)度。

實(shí)用中考慮到步進(jìn)電機(jī)的步距問(wèn)題，高度角和方位角不是連續(xù)變化的，而是根據(jù)步距分為多個(gè)角度級(jí)別，控制器根據(jù)時(shí)間確定步進(jìn)電機(jī)步數(shù)后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)光伏電池支架的轉(zhuǎn)軸進(jìn)行跟蹤。

2.2 聚光裝置

對(duì)于一些小型光伏發(fā)電系統(tǒng)，考慮到光伏電池成本較高，無(wú)法增加光伏電池容量，往往采用聚光裝置增大光伏電池表面太陽(yáng)輻射強(qiáng)度[11-16]。

當(dāng)使用高倍率聚光裝置時(shí)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度過(guò)大，使光伏電池表面溫度急劇上升，一方面降低光伏電池等組件的使用壽命，另一方面需增加散熱裝置，增加系統(tǒng)成本，因此高倍率聚光裝置不具有實(shí)用性[11]。在此提出了一種低成本、簡(jiǎn)單可行、低倍率的聚光方法。其結(jié)構(gòu)如圖3所示，在極板前方的地方使用屋頂反射節(jié)能涂料，一方面使光線可反射至光伏電池，由于涂料平面平整度略低，反射與散射同時(shí)存在，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度適中，溫度上升不明顯；另一方面可使屋頂有效減少光線照射，降低室內(nèi)溫度。

圖3 聚光裝置

光伏電池的寬度為L(zhǎng)，反射涂層與地平面夾角為θ，陽(yáng)光垂直照射在光伏電池表面，光伏電池高度角為α?？捎?jì)算得

例如α取45°，θ取10°，則△L=0.342L，增加34.2%的有效陽(yáng)光照射面積，因此在不考慮散射情況下，太陽(yáng)輻射度大幅度增加。

此方法適于在高緯度地區(qū)使用，當(dāng)α較大時(shí)，θ可取零度，直接在屋頂?shù)绕矫嫱磕ǚ瓷渫苛?。?duì)于低緯度地區(qū)，可將光伏電池與反射涂層的位置互換，也可達(dá)到同樣效果。

2.3 驅(qū)鳥(niǎo)裝置

光伏電池常年室外放置，通常布滿灰塵，影響發(fā)電效率。通過(guò)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，灰塵可以通過(guò)雨水的沖刷得以去除，而鳥(niǎo)類在光伏電池上停落所遺留的排泄物難以清除，長(zhǎng)時(shí)間未清洗的光伏電池，其發(fā)電效率可下降50%。本文提出在光伏電池的四周增加防鳥(niǎo)刺和驅(qū)鳥(niǎo)器等驅(qū)鳥(niǎo)裝置，實(shí)用效果明顯，可提升光伏電池發(fā)電效率。

2.4 降溫裝置

光伏電池極板具有反溫度系數(shù)。針對(duì)其溫度特性，提出了一個(gè)簡(jiǎn)單可靠的降溫措施來(lái)提升系統(tǒng)發(fā)電效率。緊靠光伏電池的背部，增加一個(gè)厚度約5cm的密封水箱，中間涂抹導(dǎo)熱脂。通過(guò)密封水箱可降低光伏電池的溫度，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，日平均溫度可降低 5°～10°左右。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)分析

對(duì)選址在北京地區(qū)的屋頂光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)所用光伏電池標(biāo)稱功率為10kW。仿真模型如圖4所示，系統(tǒng)由太陽(yáng)、光伏電池、逆變器、電網(wǎng)和負(fù)載組成[2]，仿真模型綜合考慮了日照、污染、溫度、陽(yáng)光折射、逆變器功耗、跟蹤系統(tǒng)功耗等因素。

圖4 仿真模型

仿真得到該地區(qū)每天的輻射度如圖5所示，可見(jiàn)每天輻射度最高的時(shí)刻在12：30分左右。

當(dāng)陽(yáng)光垂直照射光伏電池時(shí)，結(jié)合每月的天氣清潔度，仿真得到月平均日輻射量如圖6所示。可見(jiàn)每年發(fā)電量的高峰在5－10月份之間。由圖5和圖6可確定該地區(qū)光伏電池極板的安裝角度。

圖5 24h輻射度

圖6 每月日輻射量

對(duì)跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行仿真，固定式、跟蹤式光伏電池月平均輸出功率對(duì)比數(shù)據(jù)如圖7所示。

對(duì)跟蹤系統(tǒng)、聚光、降溫和驅(qū)鳥(niǎo)措施進(jìn)行單獨(dú)和整體仿真與實(shí)驗(yàn)，得到日發(fā)電量如表3所示。

圖7 固定式/跟蹤式光伏電池月平均輸出功率

表3 仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這些措施可明顯提升系統(tǒng)的發(fā)電效率。

4 效益分析

以上措施能否提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益是其實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。對(duì)各措施進(jìn)行經(jīng)濟(jì)可行性仿真分析，相關(guān)參數(shù)如下：工程使用壽命25年、地理位置為北京、年平均溫度47℃、光伏電池價(jià)格18元/W、光伏電池效率17.2%、逆變器2元/W、逆變器效率97%、商業(yè)電價(jià)0.74元/kW·h、光伏發(fā)電回收價(jià)格2.22元/kW·h（參考?xì)W美3倍回收電價(jià)）。

通過(guò)仿真軟件對(duì)各措施的成本與效益進(jìn)行仿真[2]，得到現(xiàn)金流量圖如圖8所示。

圖8 現(xiàn)金流量圖

綜合考慮每年維護(hù)費(fèi)用，設(shè)備使用壽命，溫度等因素后，得到單獨(dú)使用一種新措施時(shí)的平均日發(fā)電量和工程凈利潤(rùn)。最后也給出了采取全部措施后的數(shù)據(jù)，計(jì)算可知發(fā)電量提高了85.7%，凈利潤(rùn)提高了293025元。

表4 效益分析

可見(jiàn)新提出的幾種措施，不但可以明顯提升系統(tǒng)的發(fā)電量，也可大幅度增加工程的凈利潤(rùn)。

5 結(jié)論

提升發(fā)電效率是光伏發(fā)電系統(tǒng)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。在并網(wǎng)逆變器效率已達(dá)到99%的情況下，繼續(xù)提高逆變器效率成本高、效益低，因此本文重點(diǎn)研究了如何提升光伏電池的發(fā)電效率。

本文針對(duì)影響光伏電池發(fā)電效率的因素提出了一系列措施，并對(duì)各種措施進(jìn)行了仿真、實(shí)驗(yàn)和經(jīng)濟(jì)可行性分析。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，這些措施成本低、可行性高、可明顯提升系統(tǒng)發(fā)電量，經(jīng)濟(jì)效益得到明顯提升，具有經(jīng)濟(jì)可行性。

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