温州地区太阳能电池板实际发电能力的分析

华晓玲，梁步猛，吴桂初

(温州大学浙江省低压电器智能技术重点实验室，浙江温州 325035)

温州地区太阳能电池板实际发电能力的分析

华晓玲，梁步猛，吴桂初†

(温州大学浙江省低压电器智能技术重点实验室，浙江温州 325035)

简要介绍了薄膜、单晶硅和多晶硅太阳能电池板的优缺点以及实现最大功率点跟踪的几种方法．结合温州地区的太阳辐射情况，利用扰动观察法测量了大量的数据，以比功率为衡量标准对三种太阳能电池板的实际发电能力进行了比较．结果表明，不管是在光强很强还是在光强较弱的环境下，单晶硅太阳能电池板的发电能力均最高；对另两种太阳能板，在光强较强时，薄膜太阳能电池板占优势，在光强很弱时，多晶硅太阳能电池板发电能力更强．

薄膜；单晶硅；多晶硅；太阳能电池板；比功率；最大功率点；电子模拟负载

我国是能源消耗大国，石油、煤炭等天然能源稀少，因此新能源应用意义重大．太阳能作为清洁可再生能源，是目前最有应用前景的一种新能源．我国国土面积2 / 3以上的地区拥有优质太阳能资源，特别是西北和青藏高原，全国陆地每年接受的太阳辐射能量相当24 000亿吨标准煤的能量．近年来，太阳能电池发电技术和产业得到了长足发展．目前，衡量太阳能电池板电性能的主要指标之一是其标准条件下的额定输出功率．实际使用中，光照变化使得太阳能电池板的输出功率也在不断变化，因此，实际使用时，仅以额定输出功率衡量太阳能电池板的电性能，不能完全反映其实际发电效能．对于用户来说，更关心的是在实际条件下太阳能电池板每瓦在一段时间内（如一天）的发电量总和，为此引入了比功率发电量的概念，它能较好地反映太阳能电池板在应用中的实际发电能力[1]．本文将根据在温州地区进行的实验的数据对单晶硅、多晶硅和薄膜太阳能电池板的比功率发电量进行研究和测试对比，给出温州地区三种光伏板的实际发电情况，以及各种太阳能电池在实际环境下的发电效能，为温州地区的太阳能应用提供具有实际意义的资料．

1 三种太阳能电池板的介绍和比较

1.1 单晶硅和多晶硅太阳能电池

晶体硅太阳能电池有单晶硅和多晶硅太阳能电池两大类，单晶硅和多晶硅是太阳能电池的主流原料．单晶硅整个晶体中的质点在空间的排列为长程有序，在三维空间中由全同结构单元无间隙地、周期性地、重复构建而成，因此具有各向异性．单晶硅太阳能电池板具有电转换效率高、可靠性高等优点，但生产过程复杂，成本较高．多晶硅是由很多单晶颗粒杂乱地凝聚而成，尽管每颗小单晶的结构是相同的，具各向异性，但由于单晶之间排列杂乱，因此各向异性的特征消失，所以多晶硅太阳能电池的光电转化效率相比单晶硅太阳能电池要低，生产成本也相对较低．

1.2 薄膜太阳能电池

薄膜太阳能电池是最有前途的下一代光伏电池，它节省了硅原料的使用和硅片制造工艺，与目前的晶硅型太阳能电池相比，可使每瓦太阳能电池成本从2.5美元降至1.3美元，适用于大面积生产，而且它易与周围环境融为一体，美化环境．但是与晶硅型太阳能电池相比，非晶硅薄膜太阳能电池的效率相对较低，此外，在太阳光的长期照射下，薄膜太阳能电池的能量转换效率也有一定的衰减．

2 温州地区太阳辐射情况

太阳辐照度是决定太阳能电池组件输出功率大小的关键因素之一．根据我国太阳能资源的分布情况，按年辐射总量可以将其分为五类，见表1．由表1可知，浙江属第四类，年太阳辐射总量为4 180 – 5 016 MJ / m2，平均月辐射量为348 – 418 MJ / m2，是太阳能资源较差的地区．

表1 我国太阳能资源分布表

温州市地处浙江省东南部，东濒东海，位于东经119°37′ – 121°18′，北纬27°03′ – 28°36′，常年平均气温在17℃左右，气候较适宜人类活动．根据气象台历年各月逐日逐时的气温记录及人的冷热舒适要求，温州温暖舒适期（10 – 28℃）每年长达9个月，出现时数可达3 500 h，占全年总时数的75%，是浙江省热量资源最丰富的地区．温州太阳总辐射情况如图1①黄艳, 蔡敏. 浙江省太阳能资源分布特征及其区划研究[C]. 第八届长三角气象科技发展论坛论文集, 2011, 782-785.所示，其月际变化规律较为明显，基本上是随太阳高度角的增加而增加．太阳总辐射以7、8月最丰富，12月、1月最少．其中5月份，由于受长江中下游地区梅雨天气的影响，温州地区会出现阴雨连绵、高温高湿的天气，很大一部分太阳辐射被云层反射和散射掉，所以日总辐射值偏低．

3 三种太阳能电池板比功率的比较和分析

3.1 最大功率点跟踪技术

太阳能电池板的输出特性具有非线性特征，并且受环境温度、光照强度和负载情况的影响．在一定的环境下，太阳能电池板可以在不同的输出电压下工作，但只有在某一输出电压下工作时，太阳能电池板的输出功率才能达到最大值，而这个工作点就达到了太阳能电池板输出功率电压的最高点，称之为最大功率点（Maximum Power Point，MPP）．所以在太阳能电池板发电系统中，实时调整光伏电池的工作点是提高系统整体效率的一个重要途径，使系统始终工作在最大功率点附近的这一过程就称之为最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）．

外界的环境因素通常是无法人为改变的，要使太阳能电池板始终能够输出最大功率，必须适时变化其所接的负载，一般可以通过两个步骤来完成：第一步是采用合适的搜索算法，找到光伏系统的最大功率点；第二步是通过控制手段，使光伏方阵工作在最大功率点．

目前实现MPPT的方法有扰动观察法、电导增量法、最优梯度法等．扰动观察法的工作原理是：测量当前太阳能电池板的输出功率，再改变电压或电流（即施加扰动），并观察其输出功率的变化方向，如果功率增大就继续向该方向调节，如果功率减小则改变原扰动方向．以上的控制方法易于硬件实现，算法简单，但响应速度较慢[2]．电导增量法能够判断出工作点电压与最大功率点电压之间的关系．由太阳能电池板的P-U曲线可知，在最大功率点处的斜率为零[3]．最优梯度法是以梯度法为基础的、求解无约束最优化问题的一种数值计算[4]．本文中的实验采用扰动观察法来实现MPPT，其流程图如图2所示．

图1 温州市各月太阳总辐射情况

图2 扰动观察法控制流程图

3.2 比功率发电量

太阳能电池的比功率发电量的定义是，太阳能电池在一段时间内（常指一天）、实际光照条件下的总累积发电量Qd与太阳能电池额定功率Pa的比值，也定义为太阳能电池每瓦日均发电量．

设太阳能电池板的最大功率输出点的工作电流和工作电压分别为Im和Um，测量时间为t，则太阳能电池板在最大功率输出点的功率为Pm=UmIm，其日发电量为：

所以比功率发电量为：

光照强度和温度的时刻变化导致太阳能板的额定输出电压Um也在不断变化，这时其日发电量为：

将（3）式代入（2）式中就可得比功率发电量．

3.3 实验方法

温州地区太阳能电池板的倾斜角为朝南方向45°，实验所选用的三种太阳能电池板的规格参数如表2所示．使用四通道电子模拟负载IT8933B，采用CV或CC模式（定电压或定电流模式，即扰动观察法）获得太阳能电池板的最大功率点并记录数据，再根据（3）式可得三种太阳能电池板在实际户外天气条件下一天时间段的发电量．

表2 三种太阳能电池板的规格参数

由于太阳光照强度的不稳定性，实验采用了定电压分段的方法，比如在光强很弱时，单晶硅、多晶硅和薄膜太阳能电池板的定电压分别为14.447 V、20.579 V和6.554 V，在光强很强时，它们的定电压分别为13.548 V、22.080 V和13.012 V．根据（1）、（2）式分别算出每天不同光照强度下的总发电量和比功率发电量．

3.4 实验结果及分析

本实验时间跨度为2012年5月至2013年4月．图3表示的是光强弱的情况，测试时间是2012年8月24号，天气为小雨到中雨．图4和图5表示的是光强强的情况，测试时间分别是2012年8月28日和2013年4月23日，天气为晴天．此外，图6采用的是2012年8月24日至2012年9月28日期间记录的数据，它也很直观地反映了不同光照情况下，太阳能电池板的日比功率的大小情况．三种太阳能电池板在强光及弱光条件下的比功率情况见表3．

由图3和图4的对比结果以及图6可知，在各种光强下，单晶硅太阳能电池板的发电效能最高；在光强较强时，薄膜太阳能电池板优于多晶硅太阳能电池板，而在光强很弱时，多晶硅太阳能电池板的实际发电能力稍好些．

图3 弱光下三种太阳能电池板产生的比功率的比较 (2012-8-24)

图4 强光下三种太阳能电池板产生的比功率的比较 (2012-8-28)

图5 强光下三种太阳能电池板产生的比功率的比较 (2013-4-23)

在室外强光的环境下，对于硅，随温度的升高，光电转换效率下降，同时，太阳能电池板的开路电压也下降（温度每上升1℃，开路电压就下降室温值的0.4%）．薄膜太阳能电池板的用硅量仅为晶体硅太阳能电池板的1%左右，所以在功率相同时，薄膜太阳能电池表现出较好的发电性能．在弱光环境下，晶体硅太阳能电池板的光谱灵敏度没有薄膜太阳能电池板的好，所以后者的吸光能力强于前者．

从转换效率来看，单晶硅太阳能电池板的转换效率在硅系列太阳能电池中是最高的，一般为15%，最高可达25.0%[5]；多晶硅太阳电池的平均能量转换效率也能达到14%，最高为19.8%；薄膜太阳能电池板在实验室中电池的稳定最高能量转换效率只有13%左右，在实际生产线中不超过10%．

由上述两点论据可以得到本文的论点，但在不同的日照和气候条件下也有可能会得到不一样的结论．

图6 三种太阳能电池板产生的比功率的对比

表3 三种太阳能电池板在强光及弱光条件下的比功率

4 结 论

本文实验中选取了具有良好封装、电性能已经充分衰减并趋于稳定的三种太阳能电池板，虽然所选太阳能电池板的功率不同，但最后都是折合成单位功率进行比较的，所以不影响结论．本实验在同样环境条件下进行数据采集，时间长达1年．分析比较三种太阳能电池板的实际发电量，得出以下结论：

1）太阳能电池板的转换效率反映的是相同面积下不同太阳能电池的发电量，比功率反映的是单位功率下的日发电量．在实际太阳能电站建设中，是以每瓦的价格进行成本预算和比较的，电站的发电能力是用总功率来衡量的，因此，比功率更有实际意义．

2）不同地区纬度不同，日照和气候条件差别很大，而太阳能电池对光照强度非常敏感，因此，本实验中比功率的相关数据及结论不一定适合其它地区．此外，同种太阳能电池板的生产厂商不同也有可能导致该结果的差异．在单晶硅和薄膜太阳能电池板实验中，本文的结果与文献[1]的结果不完全一致，可能与上述原因有关．

3）实验表明，在温州地区单晶硅太阳能电池板的比功率发电能力最好，薄膜太阳能电池板次之，多晶硅太阳能电池板的最小．薄膜太阳能电池板的比功率发电能力（每瓦发电量）虽然介于单晶硅和多晶硅太阳能电池板之间，但相差不是很大，况且它的造价几乎是晶硅型太阳能电池板的二分之一，所以薄膜太阳能电池板在温州具有很好的应用前景．

[1] 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, 2005, 22(3): 226-229.

[2] 曹旭阳. 独立光伏路灯系统MPPT控制器设计[D]. 青岛: 中国海洋大学工程学院, 2007: 37-38.

[3] 赵争鸣, 刘建政. 太阳能光伏发电及其应用[M]. 北京: 科学出版社, 2005: 127-128.

[4] Dag H, Alvarado F L. Toward improved uses of the conjugate gardient method for power system applications [J]. IEEE Transactions on Power Systems, 1997, 12(3): 1306-1314.

[5] Green M A. The Path to 25% Silicon Solar Cell Efficiency: History of Silicon Cell Evolution [J]. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 2009, 17: 183-189.

Analyses on the Actual Power-generating Capability of Solar Panels in Wenzhou

HUA Xiaoling, LIANG Bumeng, WU Guichu
(The Key Laboratory of Low-voltage Apparatus Intellectual Technology of Zhejiang, Wenzhou University, Wenzhou, China 325035)

In this paper, solar panels made of thin film, monocrystalline silicon and polycrystalline sil-icon were introduced and compared, and several methods to achieve maximum power point tracking (MPPT) were summarized as well. Combined with the condition of solar radiation in WenZhou, a large amou-nt of data were acquired by using the perturbing-and-observing algorithm and then analyzed to determinethe power-generating capacity by calculating their specific power. Experimental results indicated that mono-crystalline silicon solar panels always perform best in spite of weather conditions. Thin film solar panelshave advantages over polysilicon solar panels when light intensity is high, and when the light intensity is weak, polysilicon solar panels are better than the film solar panels.

Thin Film; Monocrystalline Silicon; Polysilicon; Solar Panels; Specific Power; Maximum Power Point; Electronic Analog Load

TM615

A

1674-3563(2014)02-0044-07

10.3875/j.issn.1674-3563.2014.02.007 本文的PDF文件可以从xuebao.wzu.edu.cn获得

(编辑：王一芳)

2013-12-08

浙江省重点科技创新团队项目(2010R50006)

华晓玲(1988- )，女，湖北通山人，硕士研究生，研究方向：计算机检测与控制技术．† 通讯作者，wgc@wzu.edu.cn