几种太阳能电池组件比功率发电量的模拟与比较

30电工电气 (2010 No.4)产品与应用李振全 1，徐云亮 1， Shyshenq P Liou 1，2(1 捷电节能工程顾问 (苏州 )有限公司，江苏 苏州 215123；2 旧金山州立大学，加利福尼亚 旧金山 94132)0 引言地球表面接收的太阳能辐射能够满足全球能源需求的 1万倍。地表每平方米每年接收到的辐射可发电1 700 k W· h。国际能源署数据显示，在全球 4%的沙漠上安装太阳能光伏系统，就足以满足全球能源需求。太阳能光伏享有广阔的发展空间，其潜力十分巨大 [1] 。我国是能源消耗大国，石油、煤炭等能源资源稀少，太阳能利用技术的研究有十分重要的意义。当前，衡量各种太阳能电池组件电性能的主要指标是在标准测试条件下的额定输出功率。由于光照变化，太阳能电池组件的输出功率也在不断变化，因此，在实际使用时，仅以额定输出功率衡量太阳能电池组件的电性能，不能完全反映其实际发电效能。对用户来说，更关心的是在户外条件下太阳能电池组件每瓦在一段时间内的比额定功率发电量，包括这段时间内所有户外光照情况下的发电量总和，它能较好反映太阳能电池组件在应用中的实际发电能力。由于地球上的纬度不同，日照和气候条件差别很大，而太阳能电池对日照条件非常敏感，因此，在某一地点得出的实验结论，在其他地点是否相同，尚需进一步验证 [2] 。为了便于比较分析，本文针对地处北纬 22.16 ° 、东经 114.1 ° 深圳地区的非晶硅和单、多晶硅太阳能电池组件的比额定功率发电量进行模拟，并对其结果进行了分析。1 各种太阳能电池组件的分析与比较1.1 晶体硅太阳能电池晶体硅太阳能电池有单晶硅与多晶硅两大类，作者简介： 李振全 (1982- ) ，男，工程师，硕士，从事节能和太阳能光伏发电的研究与应用工作；徐云亮 (1981- ) ，男，工程师，本科，从事节能和太阳能光伏发电的研究与应用工作；Shyshenq P Liou(1959- ) ，男，教授，博士，研究方向为电力电子与电力传动、节能和太阳能光伏发电。Abstract: Introduction and comparison were made to amorphous silicon, monocrystalline silicon, polycrystalline silicon solar cells for their advantages and disadvantages. Aiming at their applications in grid connected system, simulation was made by adoption of PVsyst soft-ware for every kind of solar cells speci? c yield. The results show that amorphous silicon ? lm cells speci? c yield is larger than monocrystal-line and polycrystalline silicon solar cells.Key words: solar cells; speci? c yield; transfer ef? ciency; PVsyst softwareLI Zhen-quan1, XU Yun-liang 1, Shyshenq P Liou1,2（ 1 Efftronics Energy Engineering (Suzhou) Co., Ltd, Suzhou 215123, China;2 San Francisco State University, San Francisco 94132, USA）Simulation and Comparison of Speci ? c Yield of Several Solar Cells摘 要 ：介绍和比较了非晶硅和单、多晶硅太阳能电池组件的优缺点。针对它们在并网光伏发电系统中的应用，采用 PVsyst 软件对各种太阳能电池组件的比功率发电量进行模拟。结果表明，非晶硅太阳能薄膜电池板的比功率发电量大于单、多晶硅的比功率发电量。关键词 ：太阳能电池；比功率发电量；转换效率； PVsyst 软件中图分类号： TM914.4 文献标识码： A 文章编号： 1007-3175(2010)04-0030-03几种太阳能电池组件比功率发电量的模拟与比较31电工电气 (2010 No.4)生产技术成熟，是光伏市场上的主导产品。国际公认最高效率在 AM1.5( 即大气质量 1.5) 条件下为24%， 空间用高质量的效率在 AM0(即大气质量为 0，日 - 地平均距离为一个天文单位时，太阳的总辐射度和光谱分布 ) 条件下为 13.5% ～ 18%，地面用大量生产的在 AM1条件下多在 11%～ 18%。大晶粒多晶硅太阳能电池的转换效率最高达 18.6%。多晶硅太阳能电池没有光致衰退效应，材料质量有所下降时也不会导致太阳能电池受影响，是国际上正掀起的前沿性研究热点。随硅元件使用的多少以及纯度的改变，单件功率不确定，同样面积的板块功率可以变化。薄膜晶体硅太阳能电池能够大大降低晶硅用量，但目前还处于研发阶段，尚未工业化。晶体硅太阳能电池的优点是可在单位面积上获得较高的发电功率和稳定的发电性能。如果其中一小部分被遮挡，会产生孤岛效应，但由于其强光发电的特性，只有保障与阳光的合理角度才能达到应有的光电转换率，因此必须考虑安装角度问题，这使得可安装的总面积和平面布局都受到限制。1.2 非晶硅太阳能电池非晶硅太阳能电池一般采用高频辉光放电方法使硅烷气体分解沉积而成。由于外解沉积温度低，可在玻璃、不锈钢板、陶瓷板、柔性塑料片上沉积约 1μ m厚的薄膜，易于大面积化生产，成本较低。研发动向是改善薄膜特性，精确设计太阳能电池结构和控制各层厚度，改善各层之间界面状态，以求得高效率和高稳定性。突出优点是造价低，透光性和弱光发电性能好，因此可以不侧重考虑安装角度问题，有利于建筑整体效果的体现。在风沙环境下，其弱光性能有优势，并且不产生孤岛效应，不会因不能产生电流而被反偏。缺点是光电转换率低，其发电效率大约只有晶体硅电池的一半。如果采用透明玻璃非晶硅电池，其发电效率仅仅为 1%～ 2%；其他根据透光率不同，发电效率不同，从 4%～ 8%不等。这意味着要发出同样的电力，采用非晶硅薄膜电池时需要安装的面积应成倍增加。2 并网光伏电站的模拟与比较2.1 相关组件的选取本文以 70 kW并网光伏电站为例， 各种太阳能电池组件的选型如表 1所示，选用西门子公司 Sinvert So l a r 20型逆变器，其最大功率电压跟踪范围为450～ 750 V，额定交流输出功率为 15 kW，共 4组。2.2 气象参数的设定由于 PVsyst软件中只有国内几个具有代表性城市，无深圳地区日照参数，因此，本文根据深圳地区的经纬度，从N ASA官方网站上 ( 也可以从加拿大清洁能源项目分析软件 RETScreen上 ) 直接查取后输入 PVsyst软件。2.3 最佳倾斜角的选取倾斜角不同，各个月份方阵面接收到的太阳辐射量差别很大。因此，确定方阵的最佳倾斜角是光伏发电系统设计中不可缺少的重要环节，对于并网光伏发电系统，通常总是要求在全年中得到最大的太阳辐射量 [3] 。在此光伏系统的模拟过程中，当太阳能电池组件的倾斜角调整为 20° 时，在方阵表面上接收到的太阳辐射量最大，因此以此为最佳倾斜角，如图1所示。2.4 模拟结果模拟过程中，假设太阳能电池组件上无阴影遮盖，反射率统一取 0.20 。为了便于比较，首先，我们统一比较标准， 即太阳能电池的比功率发电量，它是指一段时间内太阳能电池在户外实际光照条件表 1 各种太阳能电池组件的规格参数类型 型号 模组功率 /W单晶硅 STP 080S-12/Bb 80多晶硅 STP 080-12/Bb 80非晶硅 SMT 30 30图 1 最佳倾斜角的选取深圳地区模拟变量布置方式 固定角度安装0 90转换系数0.830 601.20.61.0倾斜角 /( ° )20° 倾斜角-90 90转换系数0.80 601.20.61.0方位角 /( ° )30-30-600° 方位角西 东南最优化年发电量夏季 (4～ 9月)冬季 (10～ 3月)倾斜角： 20°方位角： 0°区域参数取消× 完成√几种太阳能电池组件比功率发电量的模拟与比较32电工电气 (2010 No.4)下的总累积发电量与太阳能电池额定功率的比值，其定义为太阳能电池每千瓦日均发电量。表 2 列出了非晶硅和单、多晶硅光伏发电系统的具体数据。由表 2 可看出，使用非晶硅太阳能电池的并网光伏发电系统的安装面积要比单、多晶硅系统多得多。表 3 为非晶硅和单、多晶硅并网发电系统比功率发电量及损失数据。由表 3 可知，在此并网光伏发电系统中，每千瓦单晶硅太阳能电池的日平均发电量为 2.89 k W· h，与多晶硅的结果2.92 kW·h 相差不大，但每千瓦非晶硅太阳能电池的日平均发电量为 3.26 kW· h，比单、多晶硅要多12.8% 左右，正是因为非晶硅太阳能薄膜电池组件具有较好的弱光效应。此模拟结果与深圳大学柴金龙 [2] 的测试结果以及参考文献 [4] 的模拟结果相符。表 2 光伏组件布置方式、安装面积及年发电量类型 总功率 /kW 行 列 电池板 数量 安装面积 /m 2年发电量/(MW· h)比功率发电量 /(kW· h)单晶硅 71 37 24 888 574 75.7 2.89多晶硅 71 37 24 888 574 75.0 2.92非晶硅 70 38 61 2 318 1216 82.7 3.26表 3 非晶硅和单、多晶硅并网发电系统比功率发电量及损失3 结语本文采用 PVsyst软件对非晶硅太阳能电池板和单、多晶硅太阳能电池板在相同条件下的比额定功率发电量进行模拟比较，结果表明，在深圳地区，非晶硅太阳能电池板的比功率发电量均大于单、多晶硅太阳能电池的比功率发电量。目前， 非晶硅太阳能电池板的生产成本约为单、多晶硅太阳能电池板的 60%，因此，性价比高的非晶硅 ( 薄膜 ) 太阳能电池具有广阔的市场前景。但非晶硅太阳能电池的转换效率比单、多晶硅太阳能电池的转换效率要低，造成采用非晶硅薄膜电池时需要的安装面积成倍增加，但因其具有可透光及弱光效应等优点，因此有必要加强 BIPV( 太阳能光伏—建筑一体化 ) 的研究与应用。参考文献[1] 李俊峰，王斯成，张敏吉，等 .2007中国光伏发展报告 [M]. 北京：中国环境科学出版社， 2007.[2] 柴金龙，李毅，胡盛明 . 非、单晶硅太阳能电池组件比功率发电量比较 [J]. 深圳大学学报：理工版，2005， 22(3) ： 226-229.[3] 杨金焕，于化丛，葛亮 . 太阳能光伏发电应用技术[M]. 北京：电子工业出版社， 2009.[4] Eco-Solar LTD.Assessment Report on Potential to Produce Electricity from Renewable Energy Sourse[R]. Pernik ： Eco-Solar LTD, 2009.收稿日期： 2009-12-14类型 比功率发电量 /(kW· h) 光伏组件损失 /(kW· h) 系统损失 /(kW· h)单晶硅 2.89 0.91 0.25多晶硅 2.92 0.88 0.25非晶硅 3.26 0.52 0.274 结语本文在分析衰减非周期分量对全波傅氏算法产生影响的基础上，介绍了一种新算法，不仅保留了原来傅氏算法的功能，又增添了对衰减直流分量的滤除作用。该算法简单，数据窗短，精度高，能满足实时性的要求，具有较高的工程实用价值。参考文献[1] 周大敏 . 一种消除非周期分量对非递推傅氏算法影响的精确方法 [J]. 继电器， 1998， 26(4) ： 7-11.[2] 熊岗，陈陈 . 一种能滤除衰减直流分量的交流采样新算法 [J]. 电力系统自动化， 1997， 21(2) ： 24-26.[3] 马磊， 王增平， 徐岩 . 微机继电保护中滤除衰减直流分量的算法研究 [J]. 继电器， 2005， 33(17) ： 11-13.[4] 杜念文，郭利强，冷朋 . 傅立叶展开技术在 IPD 测试仪中的应用 [J]. 电子测量与仪器学报， 2005，19(1) ： 180-185.[5] 周燕，崔琪琳，田杜养 . 基于傅立叶变换的数字滤波器的设计 [J]. 计量与测试技术， 2009(3) ： 20-21.修稿日期： 2009-12-25(上接第 24页)