几种太阳能电池组件比功率发电量的模拟与比较

中心议题:
    * 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 
    * 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
解决方案:
    * 选用西门子公司Sinvert Solar 20型逆变器 
    * 太阳能电池组件的倾斜角调整为20°
 

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 kW·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。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。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，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1μm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70kW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 Solar 20型逆变器，其最大功率电压跟踪范围为450～750V，额定交流输出功率为15kW，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NASA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。

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2.89kW·h，与多晶硅的结果2.92kW·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3.26kW·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的测试结果相符。

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。