西安地区太阳能电池板实际效能分析

李志健， 乔 森， 张 宏

(1.陕西科技大学 轻工科学与工程学院 陕西 西安 710021； 2.陕西科技大学 机电工程学院， 陕西 西安 710021)

西安地区太阳能电池板实际效能分析

李志健1， 乔 森2， 张 宏2

(1.陕西科技大学 轻工科学与工程学院 陕西 西安 710021； 2.陕西科技大学 机电工程学院， 陕西 西安 710021)

就当前的能源形势，传统燃料煤、石油、天然气日益减少，太阳能作为清洁可再生能源成为研究热点和方向.而光伏电池板对太阳能的利用效率直接影响着整个光伏系统的效率.为此，本文主要以西安地区4～5月份小型太阳能系统的实际应用转化效率为研究对象，通过考察天气情况、辐照度、板温、安装角度、加镜等单因素对光伏系统效率的影响.得出天气晴朗，辐照度强(968 W/m2)的环境下，太阳能电池板的发电能力最高达到16.9%，而且板温每升高1 ℃，导致功率下降大约0.31%，西安地区以47.30角度安装电池板比平放和垂直安装发电效率更高，并且在电池板周围加镜能明显增加辐照度，提高电池板的发电能力.

太阳能； 光伏发电板； 效率； 影响因素

0 引言

随着世界经济技术的不断发展，人类对一次能源的依赖性逐渐加剧，同时工业现代化迅速发展对能源的要求日益严苛，使当今能源形势愈加严峻，因此新能源的开发是我们满足社会发展需求、应对传统能源结构局限性所必需采取的措施[1].与传统化石能源煤、石油、天然气相比，太阳能具有清洁无污染的优势，并可通过对太阳能电池板进行灵活组合以满足不同的需求[2].光伏电池板是光伏系统中最主要的设备之一，其工作效率直接影响着整个光伏系统的效率[3]，决定着光伏产业的经济性和发展进程，同时对能源结构的调整起到不可忽视的作用，但是随着光伏发电产业的快速发展，成本高、效率低等问题已经严重制约其进一步的发展和应用，因此，研究光伏系统如何高效运作有非常重要的意义.太阳能电池板的工作效率受很多因素影响，比如温度、辐照量、负载、安装角度等等[4].本文利用光伏发电实验箱，研究不同因素对光伏发电效率的影响，通过对实验数据进行分析，得出太阳能系统转化效率的主要影响因素，从而对小型光伏发电系统在西安地区的实际适用效果加以分析[5].

1 实验部分

1.1 实验流程及方法

本实验时间跨度为2017年4～5月，地点在西安地区，研究重点从日型、光伏板的温度、辐照强度、光伏板安装角度、以及加镜反射等方面展开单因素实验.主要通过太阳能光伏发电箱测出电流电压，通过太阳能辐照传感器测出辐照度，进而计算得出各环境因素对光伏系统效率的影响.天气以本地天气预报为准.实验装置流程如图1所示.

图1 实验装置流程图

在实验过程中，测量的光伏电池阵列是由6×6块小的缺角矩形组件组成的，每块小组件的面积都是6.5 cm×6.5 cm，缺角部分为边长1.5 cm的等腰直角三角形，因此总的接收面积为：

S总=(S正-S△)×36

(1)

式(1)中：S正为正方形面积；S△为三角形面积.

太阳能系统的发电效率计算公式为[6]：

(2)

式(2)中：P和S分别代表功率和太阳能电池板接收辐射的面积，φ表示辐射量.

1.1.1 温度的测量

光伏板的温度用贴片式温度计测量，数字成像仪记录.

1.1.2 角度的测量

光伏板倾斜角度用普通量角器测量.

1.1.3 辐照度的测量

实验中的辐照度主要用JTBQ-1太阳辐射传感器，是一款测量接收地球平面上辐照强度的通用型辐射仪器.主要用来测量波长范围为0.3～3μm的太阳辐射，也可用来测量入射到斜面上的太阳辐射，感应面向下可测量反射辐射，加遮光环可测量散射辐射.

1.1.4 电流、电压的测量

TKFC01光伏发电系统试验箱(具体参数见表3所示).基本组成为光伏电池组件、控制器、蓄电池、逆变器.

1.2 实验设备简介

1.2.1 测温仪器

测温仪器使用的是上海宏剑自动化仪表有限公司的温度控制仪和K型贴片式Pt100热电偶。测温控制仪型号是XMT-101，量程范围为0 ℃～1 300 ℃，精确度为±0.02～+0.03，热电偶测量范围为-70 ℃～500 ℃.

1.2.2 辐照强度用太阳辐射传感器JTBQ-1

测辐射强度仪器使用的是武汉中科能慧科技发展有限公司的太阳辐射传感器JTBQ-1和数据记录仪。太阳辐射传感器型号是NHFS15BU，测量光谱范围是400～1 100 nm，量程从0～2 000 W/m2，精确度为±5% rdg+10 dgts，灵敏度为1 uV/W，数据记录仪型号是NHJLY2801，象素为128×64.

1.2.3 太阳能电池板

实验使用的是尺寸(L×W×H)为160 mm×160 mm×45 mm的太阳能电池板，在大气质量AM1.5、辐照度1 000 W/m2、太阳电池温度25 ℃[7]的条件下，光伏电池板的最佳工作电压是17.2 V，最佳工作电流是1.16 A，开路电压是21.6 V，短路电流是1.31 A.

本次研究结果显示，两组在临床相关指标（手术时间、术中出血量、骨愈合时间、Harris评分、住院时间）、骨折复位丢失率、并发症发生率方面比较，甲组均具有明显的优势，差异有统计学意义（P＜0.05）。

2 结果与讨论

2.1 日型对光伏系统效率的影响

日型影响辐照强度、温度等，进而对光伏发电系统的效率会产生必要的影响[8].通常，常见的日型可分为晴天、多云、阴天和雨天四种，根据实验数据，本文通过取晴天(4.17)，阴天(4.29)，多云(5.07)不同日型的三天分别绘制了相应的功率、辐照度、温度随时间的变化规律图，结果如图2～4所示.

图2 日型对发电功率的影响

由图2可知，日型对光伏发电系统效率影响较大，在一天中，每一种日型对发电功率的影响呈现出一定规律，早上和下午较低，中午最高，中午十二点多，晴较多云的功率高出29%、较阴天高出67%.当日型为晴天时，光照充足，光伏板实际发电能力最好.当日型为阴天时，在十点半时，功率曲线有个拐点，分析可能是云层加厚，光照突然减少导致的，其发电量也相对较小，经济效益最差，为三种日型下指标最低的状况.

图3 日型对板温的影响

由图3可以看出，来不同日型下，板温也呈现出一定规律，早上和晚上板温相对较低，中午一点半左右，板温达到最高，其中晴较阴天高出46 ℃，晴较多云高出21 ℃.当日型为晴朗时，下午两点半，温度曲线出现明显的拐点，可能是正好这段时间有云遮住太阳，使板温下降，而在中午时，板温高达60℃，查相关仪器使用说明书，此温度在安全操作温度范围内，确保仪器不会被损坏，当日型为阴天时，一天的板温变化不大.

由图4可知，日型对辐照度的影响呈现出一定规律，早上和晚上辐照度相对较小，中午辐照度达到最大.晴天和多云辐照度区别不大，相比较阴天辐照度明显降低了50%，而在傍晚时阴天的辐照度却明显高于晴天和阴天，分析原因是阴天空气中水汽较多，对光进行多次反射，增加了辐照度[9].

图4 日型对辐照度的影响

2.2 发电量与板温的关系

在研究温度对电池板的影响时，为了消除辐照度的影响，本实验取4～5月中辐照度800 W/m2而温度不同的七组数据，绘制出了不同板温下的功率图，结果如图5所示.

图5 温度对发电功率的影响

(3)

式(3)中：NC，NV表示电池导带与价带有效能量密度，ni表示本征载流子浓度，Eg表示带隙宽度，其与温度的关系可表示为：

(4)

式(4)中：α、β是与材料有关的系数，Eg(0)是绝对零度的带隙，温度上升，带隙宽度减小，电池的光吸收范围增加导致短路电流的提高[11]，同时载流子浓度迅速的增加导致开路电压明显下降，结果是光电转换效率大幅减少.因此在辐照强度不变的条件下，光伏电池的最大输出功率将随着温度的升高而减小.因此可以通过降低太阳能板的温度来提高发电效率.

2.3 电池板角度对光伏效率的影响

实验研究太阳能电池板倾角对光伏转化效率的影响.查相关资料给出西安地区最好安装角度为47.30[12]，本实验选取易于操作的三个角度，分别是水平、垂直以及一定的倾角下(47.30)进行对比研究，并比较不同倾角下的发电效率，最终得到以最佳的倾角安装太阳能电池板的效率明显高于其他角度的转换效率，具体实验示意图见图6所示，计算结果见表1所示.

图6 不同倾角示意图

TΦ/(W/m2)η斜/%η平/%η斜47．3°/%9：3086310．2717．6211．6310：3089811．9117．7713．0611：3094813．0517．8913．0812：3096014．2819．9414．7913：3094013．3517．6414．7214：3090810．4416．8812．9615：3084310．3216．2512．6616：306849．3915．1512．5117：305204．8713．6710．59

图7 太阳能电池板不同放置情况的比较

由图7可以得出，太阳能电池板以47.30角度安装时发电效率明显高于垂直放置和水平放置的发电效率，在中午时候，以一定倾角放置发电效率高出垂直放置6%，而垂直放置与水平放置区别不是很大.在晚上时，水平放置和以47.30倾角放置发电效率都出现稳定的下降，而垂直放置出现明显的下降，效率低值4%，原因是太阳落下时候，垂直放置光伏电池板会使太阳光在板后的投影面积减小，发电转换效率也会急剧下降.所以在西安地区太阳能电池板安装方位是坐北朝南，并与地面呈47.30倾角更有利于太阳能电池板接受更多的太阳光，发电效率最高[13].

2.4 加镜面反射对光伏系统效率影响

实验通过在太阳能光伏板周围加设平放的 五个小的平面反光镜，使太阳光能经过多次反射，以达到增加光源的目的，进一步提高光伏发电效率，其实验结果如图8所示.

图8 加镜面反射与无镜面反射对比

由图8可以看出，发电功率早上和晚上比较低，中午比较高.加了镜子以后正午时分，发电效率较无镜高出3%，明显得出在太阳能电池板周围加设镜面进行反射，增加了辐射量，有效提高部分时段内的发电效率，是一个便捷的适合家庭使用的增加发电效率的小方法，为实际应用中提高光伏发电利用效率提供了理论参考.

3 结论

本文研究了西安地区(4～5月)实际环境因素对光伏系统效率的影响，并从天气日型、光伏板温度、太阳能电池板安装角度、以及加镜面反射等几个方面分析，研究结论如下：

(1)日型对光伏系统效率影响较大，晴朗的天气更有利于光伏生产，而阴天、雨天不利于光伏生产.

(2)由实验数据分析得出光伏发电效率会随着温度的升高而稍有减小.可以通过降低太阳能板的温度来提高发电效率.

(3)西安地区以一定倾角(47.30)安装太阳能电池板更有利于太阳能光伏板接受太阳能,并且转换为电能.

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【责任编辑：蒋亚儒】

ActualefficiencyanalysisofsolarpanelsinXi′anarea

LI Zhi-jian1， QIAO Sen2， ZHANG Hong2

(1.College of Bioresources Chemical and Materials Engineering, Shaanxi University of Science amp; Technology, Xi′an 710021, China； 2.College of Mechanical and Electrical Engineering, Shaanxi University of Science amp; Technology, Xi′an 710021, China)

The current energy situation,traditional fuels,coal,oil and natural gas have been decreasing day by day,and solar energy has become the research hotspot and direction as a clean and renewable energy.The efficiency of solar panels directly affects the efficiency of the whole photovoltaic system,this article mainly researched on the application conversion efficiency of the small solar system in the Xi′an area from April to May more than 60 days,studied the single factors of the weather,temperature,irradiance,plate installation angle,with mirror single factor influence on photovoltaic system efficiency.Finally summarized that the weather is sunny,which have strong irradiance(968 W/m2),the generating capacity of solar panels is the highest about 16.9%.Moreover,the temperature drops by 1 degrees,resulting in the power decreases about 0.31%,in the Xi′an area,the battery board is installed at a 47.30,the power generation efficiency is higher than the flat and vertical installation,the addition of mirrors around the battery plate can significantly increase irradiance and improve the power generation capacity of the battery board.

solar energy; photovoltaic panels; efficiency; influencing factors

2017-09-08

李志健(1964-)，男，陕西蓝田人，教授，博士，研究方向：纸基材料、能源动力与环境工程

2096-398X(2017)06-0149-05

TK514

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