光谱响应对光伏电站发电量的影响分析

2014-01-01黄河水电光伏产业技术有限公司吕欣崇锋陈文浩王雪松

太阳能 2014年9期

黄河水电光伏产业技术有限公司 ■ 吕欣崇锋陈文浩王雪松

0 引言

近年来，随着我国经济的高速发展，能耗大幅度增加，雾霾天气频繁持久地出现，化石资源的贫乏，使能源和环境对可持续发展的约束越来越严重。因此，积极发展太阳能、风能发电等可再生的绿色能源产业，转变经济增长方式，成为我国实现可持续经济发展的迫切需要和有效手段。在长期的能源战略中，国际上普遍认为太阳能光伏发电在众多可再生能源中将具有更重要的地位。从我国目前太阳能开发利用现状来看，大型并网荒漠光伏电站是解决我国能源问题的一项优化选择，也是目前太阳能开发利用的主要方式。

在光伏发电系统中，光伏组件是光伏发电系统的发电元器件，也是整个光伏电站的核心单元，光伏组件选型的好坏将直接影响电站发电量。但目前在光伏组件选型时，往往只关注组件的功率、电流、电压及温度系数等参数，却忽略了光谱响应对组件发电量的影响。针对上述问题，本文通过对单、多晶硅太阳电池的光谱响应与量子效率，以及格尔木地区太阳光谱的测试分析，以在不同地区光谱下测得相同组件输出功率的对比结果为依据，结合公司在格尔木地区相同装机容量的单晶硅组件方阵与多晶硅组件方阵发电量的长期跟踪统计，分析提出光谱响应对光伏电站发电量的影响。

1 光谱响应对组件功率的影响

一般而言，光伏组件的功率是在标准测试条件下完成测试的，即光源辐照强度为1000 W/m2、测试温度为25 ℃，以及AM1.5地面标准太阳光谱辐照度分布[1]。所谓AM1.5，AM是指Air Mass，1.5则是指光穿透大气层的厚度；当入射角为48°时，阳光穿过1.5倍大气层厚度，其光谱分布就是AM1.5。对于不同地区，光谱分布受地理位置、气候、季节和时间的影响有所不同，也就是说，当辐照强度总量一定时，由于不同地区的光谱分布有所差别，有的地区紫外波段辐照度较强，而有的地区红外波段辐照度较强，这对于不同类型光伏组件组成的光伏电站，其组件的输出功率及发电量会受到较大影响。

为证明光谱响应对组件输出功率有较大影响，首先引用Fraunhofer在太阳光谱与组件输出功率的一组相关实验数据。该实验中组件，均选取同批次、工艺相同、功率相近的组件分别在实验室的标准测试光谱(STC)、A地及B地光谱下进行测试。同时，考虑户外测试时不能保证辐照强度及温度与实验室保持一致，故将其测试结果均换算到标准测试条件下，排除辐照强度与温度对测试结果的影响。具体结果见表1。

表1 同一组件在不同光谱下的功率测试结果

从表1可知，在实验室的标准光谱下测试功率为193.5 W，但在A地测得功率为181.02 W，在B地光谱测得值为210.77 W，最大相差29.75 W，说明光谱对组件功率的输出影响相对较大，即同一类型组件在不同地区其发电量不一定相同。在不同地区，并非实验室测得的功率越高其对应的发电量就越高。因此，在光伏电站选址时应充分考虑到光谱对组件功率输出的影响，根据当地的光谱进行组件的选型，不仅可从根本上提高发电量，也可以通过该手段降低投资成本，提高经济收益。

2 格尔木地区太阳光谱分析

目前市场主流的光伏组件是单晶硅与多晶硅组件，故本文以此为重点进行实验[2]。为了对比这两种光伏组件光谱响应对发电量的影响，首先测试了格尔木地区的太阳光谱，并与AM1.5的标准光谱进行比对，结果如图1所示。

图1 格尔木地区实测光谱与AM1.5标准光谱

由图1可知，格尔木地区的实测光谱与AM1.5标准光谱分布趋势一致，匹配性较好。同时，可明显看出，格尔木地区由于地处高原，空气稀薄，紫外线强，在300～500 nm波段范围更为活跃，其光强略高于AM1.5标准光谱；而在500～1100 nm波段范围，其光强明显低于AM1.5标准光谱。

3 晶硅组件光谱响应对比分析

3.1 晶体硅电池光谱响应对比分析

不同波长的单色光照射在太阳电池表面上，由于光子的能量不同，太阳电池对不同波长单色光的吸收、反射及透射的差异，以及一些其他因素等都会造成太阳电池对光生载流子的收集概率不同，从而出现不同类型的太阳电池光谱响应之间存在一定差异。这会导致太阳电池在同一光谱条件下对光的吸收不同，从而产生的光生电流不同。所以太阳电池的光谱响应可通过电流与波长的关系表述，反映出不同波长的光子产生电子-空穴对的能力[3]。该太阳电池的光谱响应S(λ)表达式为：

式中：W(λ)为照射到太阳电池的单色入射光的辐射功率；I(λ)为太阳电池在对应单色入射光照射时所产生的光电流。

太阳电池的光谱响应测试较为复杂，而量子效率表现了太阳电池对不同波长光的响应值或不同波长光对太阳电池短路电流Isc的贡献，与光谱响应一致，因此通常可通过量子效率的测试结果来反映光谱响应的情况。

目前国际上对于组件光谱响应的测试技术尚不成熟，且对于从电池完成封装使用同一技术的组件，采用的玻璃、EVA、背板等原辅材料质量相同，其封装损失基本一致[4]。故为了分析单、多晶硅光伏组件光谱匹配的差异性，选取了两种类型的太阳电池进行量子效率的测试，测试结果如图2所示。由于光伏电站的稳定运行是在组件经过初步衰减后，为了保障被测样品与电站光伏组件中太阳电池的一致性，在实验中均选择经光衰减后、稳定性好的单、多晶硅太阳电池进行量子效率的测试。

由图2可知，在整个波段范围内，单晶硅太阳电池的量子效率优于多晶硅太阳电池，这也是单晶硅太阳电池转换效率优于多晶硅电池的重要原因。在310～550 nm波段和850～1050 nm波段范围内，这种优势均表现明显，特别是在310～550 nm波段，单晶硅太阳电池的量子效率甚至比多晶硅电池高约20%以上。

图2 单晶硅和多晶硅太阳电池量子效率比较

3.2 封装原材料对电池光谱吸收的影响

为了分析封装材料对电池光谱吸收的影响，测试了关键封装材料EVA和玻璃的透过率，测试结果如图3所示。由图3可知，玻璃在300～350 nm波段透过率低，EVA在300～360 nm波段透过率低；而在360～1100 nm波段范围内，玻璃与EVA的透过率曲线平滑，平均在90%以上。

图3 玻璃和EVA各波段透过率测试图

结合封装材料的透过率和单、多晶组件的量子效率看，在300～360 nm波段，单、多晶的量子效率都较低，均小于60%；而在量子效率较高的波段范围，封装材料的透过率都达到了90%以上，因此认为在分析光谱对发电量影响时，该部分的影响很小。

4 光谱响应对光伏电站发电量影响的分析

为了分析光谱响应对单、多晶组件发电量的影响，选择格尔木光伏电站单、多晶组件方阵各3个，对所选阵列的发电量情况进行连续3个月的跟踪，记录每天的天气、温度与日发电量等数据[5]。在跟踪过程中，为保证所选子阵发电环境尽可能一致，避免方阵损失不同带来的影响，选择相同电站、相同装机容量、直流电柜等配电系统设施类型一致的单晶硅和多晶硅组件阵列[6]。单、多晶组件3个子阵3个月的平均发电量见表2。

表2 各月份单晶硅和多晶硅组件阵列平均发电量数据

由表2可知，在同等条件下，单晶硅组件阵列的平均发电量在4月、5月、6月中均优于多晶硅组件阵列。其中，4月份单晶硅组件比多晶硅组件多发电2.40%，5月份多发电0.93%，6月份多发电1.16%，平均单晶硅组件比多晶硅组件多发电1.50%。

鉴于所比较的单、多晶硅组件方阵采用同样的装机容量和相同的电气设备，各子阵的电气效率一样，因此认为造成单、多晶方阵发电量差异主要是由于组件发电量引起的。结合上述格尔木地区的光谱分析和单、多晶电池的量子效应差异，分析认为造成这种差异的主要原因是：格尔木地区地处高原，空气稀薄，相对于标准光谱，该地区300～500 nm波段辐照度相对较强，而单晶硅电池正好短波响应更好，因此，更有利于单晶硅组件发电。

另外，大多数情况下户外的辐照强度均小于标准测试条件中要求的1000 W/m2。分别在200～900 W/m2的不同辐照度下，对单晶硅组件与多晶硅组件的发电量进行测试，结果发现单晶硅组件在各弱光条件下的发电量均比多晶硅组件高。