不同光伏發電系統科技示范及綜合效率分析＊

胡國武，陳維鉛

（甘肅省太陽能發電系統工程重點實驗室，酒泉職業技術學院，甘肅 酒泉 735000）

1 概述

隨著化石能源的不斷消耗和環境污染問題的日益嚴重，太陽能作為“取之不盡，用之不竭”的可再生清潔能源，得到了大規模的發展。我國光伏發電裝機容量預計達80GW，成為全球光伏發電裝機容量最大，發展速度最快的國家。應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電系統效率不同，衰減程度也不同。文章以酒泉地區某0.6MW光伏發電科技示范電站為例，綜合分析不同跟蹤模式、不同光伏發電系統發電效率及衰減情況。

2 不同光伏發電系統

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

2.1 不同跟蹤模式發電系統

圖1（a）為砷化鎵高陪聚光發電系統，高陪聚光發電系統具有獨立跟蹤功能，實現全方位跟蹤太陽。每個獨立的發電系統由48個發電模塊組成，每個發電模塊由16個發電單元組成。每個發電單元結構從上到下分別為菲涅爾透光鏡、高陪聚光鏡、導電膠、散熱片、導熱膠、基板等。圖1（b）為多晶硅平單軸發電系統，平單軸跟蹤系統由主軸、驅動電機、太陽能感應系統、支架等組成，實現從東向西跟蹤太陽能。多晶硅光伏組件水平固定在跟蹤主軸上，傾角約為38°，在驅動電機的帶動下，隨跟蹤主軸從東向西跟蹤太陽，組成平單軸光伏發電系統。如圖1所示。

圖1 不同跟蹤模式光伏發電系統

圖1（c）為多晶硅斜單軸跟蹤發電系統，斜單軸跟蹤發電系統與平單軸跟蹤系統一樣，均由跟蹤主軸、驅動電機、太陽能感應系統、支架等組成，實現從東向西跟蹤太陽能。與平單軸跟蹤系統不同的是光伏組件不是水平固定在驅動主軸上，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電系統，雙軸跟蹤發電系統具有獨立雙軸跟蹤功能，跟蹤系統由鋼結構、驅動電機、太陽能跟蹤系統、混凝土軌道等組成，光伏組件固定于鋼結構上面，傾角為25°，實現全方位跟蹤太陽。

2.2 不同光伏組件發電系統

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電系統，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電效率16%，較單晶硅電池發電效率稍微低一些；但是多晶硅電池組件制作工藝較單晶硅簡單，節約能耗，總的生產成本低于單晶硅，得到了大量的發展。單晶硅光伏發電系統光電轉換效率18%，組件理論效率可達24%，高于多晶硅發電效率。但單晶硅光伏組件制造工藝相對復雜、能耗高、生產成本高于多晶硅。目前，隨著科學技術的不斷進步，單晶硅生產成本的降低，單晶硅高效疊瓦光伏組件得到了大量發展。非晶硅薄膜光伏組件是在玻璃基板上通過真空鍍膜的方法，將硅及半導體材料鍍于玻璃表面，薄膜表面再封裝一層光伏玻璃制成，理論光電轉換效率10%。

圖2 不同光伏組件發電系統

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。但隨著運行時間的延長，其效率衰減較快。非晶薄膜組件的優點在于弱光條件下也能正常發電，晶硅組件適合于強光條件下發電。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，光譜響應性和空間光譜匹配能力較好，單結的砷化鎵電池理論效率達27%，多結砷化鎵電池理論效率超過50%。

3 光伏發電系統綜合效率分析

分別以0.1MW多晶硅、單晶硅、非晶薄膜固定式光伏發電系統為研究對象，研究不同光伏組件對光伏發電系統日累計發電量及發電功率的影響；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象，研究不同跟蹤模式對光伏發電系統日累計發電量及發電功率的影響。系統效率測試，從早7h至晚上20h，每隔1h從光伏發電系統逆變器讀取不同光伏組件、不同跟蹤模式系統日累計發電量和系統發電功率，連續測試1個月，取其平均值。

以上述光伏發電科技示范系統為例，測試2018年8月15日至9月15日不同光伏組件、不同跟蹤模式系統的日累計發電量及發電功率。

圖3 不同光伏組件日累計發電量及發電功率

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發電量折線圖，縱坐標為光伏組件日累計發電量，橫坐標為時間。從圖可知，非晶薄膜組件平均日發電量為400kWh，明顯低于單晶硅和多晶硅組件日發電量。多晶硅組件平均日發電量為700kWh，稍低于多晶硅組件，單晶硅組件平均日發電量750kWh。圖3（b）為不同光伏組件日發電功率折線圖，縱坐標為系統發電功率。從圖可知，光伏組件日峰值發電功率在13～14h，單晶硅發電功率最高，峰值功率為90kW；多晶硅發電功率稍低于單晶硅，峰值功率為85kW；非晶薄膜發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換效率相符。

圖4 不同跟蹤模式光伏系統日累計發電量及發電功率

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

4 結論

1）非晶硅薄膜光伏發電系統效率明顯低于晶硅發電系統料率，單晶硅發電系統效率稍高于多晶硅發電系統效率。日發電功率在13～14h達到最大，單晶硅系統峰值功率為90kW，多晶硅系統峰值功率為85kW；非晶薄膜系統峰值功率為55kW。相對應單晶硅系統日累計發電量最大，達到750kWh，多晶硅系統日累計發電量700kWh，非晶薄膜系統400kWh。

2）雙軸跟蹤與固定式發電系統功率走勢相同，在13～14h時，出現峰值功率，但雙軸跟蹤發電系統峰值功率稍大于固定式發電系統。而在13～14h時，平單軸與斜單軸跟蹤模式系統發電功率保持平穩增長，并未出現峰值發電功率。雙軸跟蹤系統日累計發電量最大，為700kWh；固定式日累計發電量最小，為620kWh；斜單軸跟蹤模式日累計發電量稍高于平單軸。

3）單晶硅系統發電效率稍高于多晶硅系統發電效率，但由于單晶硅組件生產成本高于多晶硅組件，其廣泛應用受到了限制。太陽能跟蹤系統能夠提高系統綜合發電效率，但是跟蹤系統的安裝復雜、機械故障較多、驅動系統耗能等綜合成本高于固定式發電系統。因此，在酒泉地區大面積光伏電站的建設中，主要采用多晶硅固定式光伏發電系統。

4）砷化鎵光伏組件理論轉換效率較高，但其對光的吸收要求比較高，其系統運行過程中，由于鋼結構的變形等因素，導致其系統發電效率衰減較大。本文提到的砷化鎵高倍聚光發電系統目前峰值功率15kWh左右，與較高的轉換效率不符，所應并未受到廣泛的應用。