光伏發電效率影響因素研究進展及前景展望

許偉濱 陳秋宇 劉佳坤 劉泓浩 關小龍

（1. 廣東海洋大學 2. 廣東工業大學）

0 引言

開發和利用新能源替代傳統的化石能源是緩解化石能源匱乏和環境污染等問題的有效方式[1-2]。太陽能光電系統是一種安全、可靠、無污染、不需要任何能源的系統，是未來太陽能利用的重點研究領域[3]。中國已向世界確保，到2030 年二氧化碳的排放量達到最大值，可再生能源占總能源消耗總量的20%[4]。所以研究和發展新能源是促進可持續發展的一項關鍵措施。太陽能的清潔、高效率、可持續發展等的突出優勢，是構建潔凈低碳安全高效能源體系和實現“碳達峰、碳中和”目標的關鍵。

為促進光伏發電的發展，并助力“雙碳”目標的達成，肖佳等[4]人對光伏發電行業進行系統研究。結果表明，光伏發電將成為新能源發電技術的主要選擇；光伏組件回收處理技術有待提高，研發高質量低成本光伏組件、提高光伏組件的生產技術水平，是當前我國光伏發電的主要目標[5]。因此，本文分析總結影響太陽能光伏發電效率的因素，研究國內外光伏發電的現狀，接著從光伏板自身、太陽能電池材料等方面分析我國光伏發電效率低的主要因素，并且結合我國新能源的政策，對光伏發電需要解決的問題進行相應的分析和總結，最后提出光伏發電發展的挑戰和展望。

1 光伏發電國內外發展現狀

1.1 全球光伏發電現狀

在“碳中和”目標的背景下，全球光伏發電技術發展迅速和全球使用量持續增加。根據目前全球的發展狀況，可以推測光伏發電的需求量將持續增加。雖然2019 年受疫情影響，但是近年來全球裝機總量仍然持續上升。中國光電產業協會表示，全球太陽能發電量在2021 年能夠達到170GW。SEIA 的數據顯示，中國、美國、印度、歐盟光伏裝機量表現突出。其中，中國光伏裝機量為54.88GW，歐盟光伏裝機容量為25.9GW，美國的裝機容量為23.6GW，印度裝機11.89GW。

歐洲光伏產業協會發布的2022 年度光伏進展調查報告顯示，歐盟在2022 年太陽能發電系統的裝機容量達到41.4GW，比2021 年的28.1GW 增長47%，說明在未來一年內，歐盟的太陽能裝置將會新增25%的裝機容量達到208GW。

面對日益加劇的能源危機，歐盟安裝光伏系統裝機容量的巨大增長是在脫碳道路上邁出的堅實一步。德國是表現最為突出的成員國，今年安裝了7.9GW的光伏系統，緊隨其后的是西班牙（7.5GW）、波蘭（4.9GW）、荷蘭（4GW）和法國（2.7GW）。

1.2 我國光伏行業發展現狀

國家能源局在2022 年3 月9 日發布的數據顯示[6]，2021 年中國增加了5300 萬kW 的風力發電量，是世界上連續九年發電量最大的國家。根據2021 年底統計，太陽能光伏發電系統的總裝機容量達到3.06108億kW，連續七年居全球首位[7-8]。從新增裝機量來看，裝機量占比較高的地區為華中、華東和華北地區，分別占全國新增裝機量的15%、19%和39%。

在“十四五”規劃中，第一年光伏發電建設取得多項新突破。一是分布式光伏發電已突破1 億kW，約為光伏并網裝機容量的1/3。其次，在新增裝機中，分布式光伏發電首次占新增裝機總量的50%。此外，新增分布式光伏中，戶用電量首次突破1000萬kW。第二年就超過2000 萬kW，太陽能已成為該國“碳峰值和碳中和”的主要驅動力。

2 影響光伏發電的主要因素

研究表明，目前的光伏發電的效率在15%～20%的范圍內，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電的效率，如提高硅的精度，以及采用機器學習進行光伏最大效率點的追蹤以及預測等等。盡管如此，光伏發電還是受到各種因素的影響。因此，對光伏發電影響因素進行研究和分析是必要的。影響因素主要有環境溫度、太陽高度角、太陽能光伏組件等。

2.1 環境溫度

在現有的研究中，由于晴天持續的高照射，太陽能電池在高功率狀態下連續運行，其蓄熱會導致組件的溫度隨時間增加。王婧怡等[9]根據太陽能屋頂太陽能電站的實際觀測資料，證實由于日照累積而引起的組件溫度隨著時間的推移而增加，將會對發電效率造成不利的影響。然后，將時間作為一種新的影響因子，建立一種更為精確的多風系統的電力系統模型。由于太陽光的近紅外光引起了光伏組件的溫度升高，從而影響組件的發電效率。王平等[10]通過研究表明，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 太陽高度角

太陽高度角度是太陽能光電陣列的傾斜角度，它可以通過方位來采集太陽能的能量。根據太陽照射的角度，光伏陣列的放置方法可分為固定式和跟蹤式[11]。跟蹤型為旋轉光伏支架，具有可跟蹤的太陽高度角。光伏組件安裝在支架上，使光伏組件能夠時刻最大限度地獲得垂直的陽光，接收更多的陽光。由于各個地方的太陽能高度和方位角都不同，因此在建造光伏電站時，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]通過分析得出，當太陽傾角為37°時，接受輻射量最大以及光伏發電效率最好。向征等人[13]總結發電效率較低的現象。為了實現能耗精確預測，提出一種基于并網太陽能光伏/電池系統的無線網絡供電低功耗策略和一種啟發式負載均衡算法和資源塊分配技術，以優化太陽能的利用，最終發電效率高達54.8%，實現光伏發電效率的提高。

2.3 遮擋損耗

張琳等人[14]在2022 年指出，光伏組件的發電量與灰塵密度、遮擋情況相關聯，灰塵密度大或存在較大面積的遮擋，則會嚴重影響集中式光伏電站的發電效率。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，導致組件的局部傳熱形式發生改變，光伏組件在長時間的陽光照射下，受遮擋部分組件無法工作，使得被遮擋部分溫升遠遠大于組件其他部分，如不及時清理可能會在組件上形成熱斑，從而極大地影響到光伏組件的實際使用壽命。

2.4 太陽能光伏組件特性

光伏組件的特性和質量由太陽能電池的材料決定，材料的質量直接影響光伏組件的效率。太陽能電池的原材料是半導體，太陽能電池分為硅電池、無機鹽電池等。目前硅光伏電池已經實現商業化應用。硅光電池是一種以單晶和多晶為主體的晶體結構，占世界總產能的90%。單晶硅、多晶硅已被廣泛使用，但是單晶硅由于昂貴的價格，因此目前多晶硅太陽能電池是大多數光伏發電的首選。光伏組件自身的質量會影響發電效率。高建喜指出[12]，影響光伏發電效率的因素包含光伏板自身問題，太陽能電池板在出廠之前都會進行嚴格的檢查，但也有可能出現一些問題，比如內部裂紋、硅片之間的斷裂。

2.5 逆變器效率

光伏發電系統的逆變器作用是將光伏顯示器的直流電轉換為交流電進行輸出。張佳平等人[8]分析光伏影響因素時指出，在選擇逆變器時，要選擇與光伏電站建設能力相匹配的逆變器。通常逆變器的轉換效率與發電成本成反比。因此，高效逆變器是光伏發電技術發展的關鍵。尚華[3]分析最大功率峰值跟蹤對效率影響時，提出了采用最大功率追蹤運算裝置與顯示裝置相連接，以達到最大能量傳輸。張琳等[14]提出，逆變器加權效率已經接近97%，但是存在跟蹤滯后性，導致有部分能量仍然會損失。

3 光伏發電前景與展望

太陽能光伏是一種新型的發展方式。并網發電相對匱乏，將光伏發電與生活實際聯系起來，做到“光伏+”，從而更大化地利用太陽能。吳福保研究了并網發電[16]，提出目前光伏系統的發展趨勢，即以并網為核心。太陽能發電系統將太陽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。作者認為，有必要研制一套儲能式光伏并網系統，來有效地降低電網的電力需求。采用最大功率追蹤與并網逆變技術，利用太陽能光伏發電，將太陽能電池的電能儲存到蓄電池中，從而提高發電的效率。在光伏并網發電漸漸普及之后，效率決定發電量，而太陽能電池陣列所能獲得的輻射強度是最直接的影響因素。當安裝位置確定后，需要考慮地理緯度、海拔等因素，這時的太陽能發電功率主要取決于組件的溫度和方位。因此，提高太陽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 結束語

綜上所述，本文從理論方面對太陽能光電系統的影響進行系統的總結。由以上結果可知，環境溫度、太陽高度角、遮擋損耗、太陽能光伏組件特性、逆變器效率等因素均會直接或間接地影響光伏系統的效能。