改善光伏電池發電效率的若干措施

李超 徐啟峰

（福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350108）

低效率與低效益問題一直制約著光伏發電系統的應用。目前國內針對提高光伏發電效率的研究主要集中在并網逆變器的硬件與軟件設計上，對提高光伏電池的發電效率研究較少。逆變器效率已經可以達到99%[1]，進一步提升的空間有限，且所需成本較高，缺乏經濟可行性。

本文分析了影響光伏電池發電效率的若干因素，提出了若干提升光伏電池發電效率的措施，并做了經濟效益分析。

1 影響光伏電池發電效率的若干因素

1.1 固有效率

目前已經商業化的產品主要是多晶硅和單晶硅兩種產品，單晶硅的效率在16%～22%之間，多晶硅的效率在14%～16%之間[2]。由于各廠家生產工藝、雜質含量、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，導致光伏電池的發電效率也不同。目前集中式安發電效率最高，建筑一體化式發電效率最低[3-4]。

1.3 環境因素

光伏電池安裝地理位置的環境對光伏電池發電效率影響非常明顯[5-10]，包括光照時長、緯度、溫度、海拔、污染等因素，其特性見表1。

表1 環境對光伏電池的影響

2 提高光伏電池發電效率的若干措施

在實用中，光伏電池的固有效率和安裝方式無法改變，但可以通過改進安裝角度和改善環境因素使光伏電池得到最大程度的利用[11]。比如通過跟蹤系統使光伏電池角度正對太陽；通過聚光措施使光伏電池承受更多的光照等。針對影響發電效率的各種因素，本節提出了跟蹤系統、聚光裝置、降溫裝置、驅鳥裝置等措施。

2.1 改進安裝角度

針對屋頂式和集中式光伏發電系統，可通過改進光伏電池的安裝角度來提升光伏電池發電效率。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，α選擇方法是，首先確定當地月平均光照強度最大的月份，然后使太陽光垂直照射到光伏電池時的角度，即確定系統的α值。β選擇方法為：首先確定當地日平均光照強度最大的時刻，使光伏電池正對此刻太陽的方位，即確定系統的β值。北京地區α值最優為 35°～45°之間，β值最優為90°～105°之間。

2）跟蹤系統

跟蹤系統是根據經緯度和時間的變化通過電機改變高度角α和方位角β，使太陽光時刻保持垂直照射在光伏電池的表面。

跟蹤系統方法和光伏電池發電效率相關數據如表2所示（光伏電池模型效率為16%）。

表2 跟蹤系統的方法和特性

跟蹤系統的實現又分為時間式跟蹤和光強式跟蹤。時間式跟蹤是根據經緯度和時間來讀取已設定的角度值，進而控制電機。光強式跟蹤是根據光照強度傳感器進行檢測，實時調節相關角度。時間式跟蹤方法簡單、可靠，但無法根據光照變化進行實時調節，尤其是陰雨天光伏系統關閉時，跟蹤系統仍在運行。光強式跟蹤方法精度較高，但成本較高，同時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間跟蹤為主、光強判斷為輔的連續跟蹤系統，如圖2所示。

圖2 跟蹤系統框圖

光伏電池本身就可以作為光強檢測裝置使用，主控制器首先根據光伏極板電壓值和輸出功率進行光照強度判斷，然后確定是否起動跟蹤系統。光強判斷措施可確保光伏系統因為天氣等原因停機時及時關閉跟蹤系統，減少功耗。

跟蹤系統控制器接收起動信號后，根據時鐘和經緯度進行角度調節。角度調節公式如式（1）、式（2）所示[11]。

式中，λ為經度，φ為緯度，n為1年的第n天，Hs為本標準時區時間，λs為本標準時區經度。

實用中考慮到步進電機的步距問題，高度角和方位角不是連續變化的，而是根據步距分為多個角度級別，控制器根據時間確定步進電機步數后，驅動電機帶動光伏電池支架的轉軸進行跟蹤。

2.2 聚光裝置

對于一些小型光伏發電系統，考慮到光伏電池成本較高，無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輻射強度[11-16]。

當使用高倍率聚光裝置時，太陽輻射強度過大，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，增加系統成本，因此高倍率聚光裝置不具有實用性[11]。在此提出了一種低成本、簡單可行、低倍率的聚光方法。其結構如圖3所示，在極板前方的地方使用屋頂反射節能涂料，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，反射與散射同時存在，太陽輻射強度適中，溫度上升不明顯；另一方面可使屋頂有效減少光線照射，降低室內溫度。

圖3 聚光裝置

光伏電池的寬度為L，反射涂層與地平面夾角為θ，陽光垂直照射在光伏電池表面，光伏電池高度角為α?？捎嬎愕?/p>

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

此方法適于在高緯度地區使用，當α較大時，θ可取零度，直接在屋頂等平面涂抹反射涂料。對于低緯度地區，可將光伏電池與反射涂層的位置互換，也可達到同樣效果。

2.3 驅鳥裝置

光伏電池常年室外放置，通常布滿灰塵，影響發電效率。通過系統長時間運行發現，灰塵可以通過雨水的沖刷得以去除，而鳥類在光伏電池上停落所遺留的排泄物難以清除，長時間未清洗的光伏電池，其發電效率可下降50%。本文提出在光伏電池的四周增加防鳥刺和驅鳥器等驅鳥裝置，實用效果明顯，可提升光伏電池發電效率。

2.4 降溫裝置

光伏電池極板具有反溫度系數。針對其溫度特性，提出了一個簡單可靠的降溫措施來提升系統發電效率。緊靠光伏電池的背部，增加一個厚度約5cm的密封水箱，中間涂抹導熱脂。通過密封水箱可降低光伏電池的溫度，實驗數據表明，日平均溫度可降低 5°～10°左右。

3 仿真與實驗分析

對選址在北京地區的屋頂光伏并網發電系統進行仿真和實驗，實驗所用光伏電池標稱功率為10kW。仿真模型如圖4所示，系統由太陽、光伏電池、逆變器、電網和負載組成[2]，仿真模型綜合考慮了日照、污染、溫度、陽光折射、逆變器功耗、跟蹤系統功耗等因素。

圖4 仿真模型

仿真得到該地區每天的輻射度如圖5所示，可見每天輻射度最高的時刻在12：30分左右。

當陽光垂直照射光伏電池時，結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?？梢娒磕臧l電量的高峰在5－10月份之間。由圖5和圖6可確定該地區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

對跟蹤系統進行仿真，固定式、跟蹤式光伏電池月平均輸出功率對比數據如圖7所示。

對跟蹤系統、聚光、降溫和驅鳥措施進行單獨和整體仿真與實驗，得到日發電量如表3所示。

圖7 固定式/跟蹤式光伏電池月平均輸出功率

表3 仿真與實驗數據

仿真與實驗結果表明，這些措施可明顯提升系統的發電效率。

4 效益分析

以上措施能否提高系統經濟效益是其實際應用的關鍵。對各措施進行經濟可行性仿真分析，相關參數如下：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%、商業電價0.74元/kW·h、光伏發電回收價格2.22元/kW·h（參考歐美3倍回收電價）。

通過仿真軟件對各措施的成本與效益進行仿真[2]，得到現金流量圖如圖8所示。

圖8 現金流量圖

綜合考慮每年維護費用，設備使用壽命，溫度等因素后，得到單獨使用一種新措施時的平均日發電量和工程凈利潤。最后也給出了采取全部措施后的數據，計算可知發電量提高了85.7%，凈利潤提高了293025元。

表4 效益分析

可見新提出的幾種措施，不但可以明顯提升系統的發電量，也可大幅度增加工程的凈利潤。

5 結論

提升發電效率是光伏發電系統推廣應用的關鍵。在并網逆變器效率已達到99%的情況下，繼續提高逆變器效率成本高、效益低，因此本文重點研究了如何提升光伏電池的發電效率。

本文針對影響光伏電池發電效率的因素提出了一系列措施，并對各種措施進行了仿真、實驗和經濟可行性分析。通過仿真和實驗數據表明，這些措施成本低、可行性高、可明顯提升系統發電量，經濟效益得到明顯提升，具有經濟可行性。

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