光伏系统设计中太阳辐射强度影响的分析

刘 艳

（上海晶芯电力有限公司，上海 200040）

0 引 言

新世纪以来，我国在太阳能利用方面取得了较为理想的研究成果，有效代替了传统的化石能源，对于缓解我国电耗压力，促进我国可持续发展具有重要意义。但从目前技术发展情况来看，我国太阳能光伏系统的设计仍存在电池转换效率低的问题。若想有效提高光伏利用效率，应该保证光伏系统有着科学、合理的设计。这样一来，才能够保证光伏系统不受季节变化的影响，始终处于稳定工作状态，在最大程度上提高光伏利用效率。

1 光伏系统的概念界定

1.1 光伏系统的构成

太阳能光伏系统的设计主要基于半导体效应，借助其中太阳能电池板，能够实现太阳能向电能的转化，从而为机械设备、电器提供能源支撑。一般光伏系统由如下四部分组成。（1）太阳能电池板，主要负责太阳能向电能的转换，并将转化的电能输送到储能装置当中或者被机械设备、电器直接使用。通常，单体太阳能光伏电池的额定工作电压都处于0.45～0.5 V，额定工作电流处于20～25 mA/cm2。在实际应用的过程中，需要将诸多单体太阳能电池组成光伏组件，从而保证转化后的电能方便并网使用。（2）逆变器，主要承担电流转换的责任，能够实现由光伏组件产生的直流电向交流电的转换。一般来讲，逆变器按照并网类型划分可分为离网型、并网型两种逆变器；按照输出波形划分可分为方波逆变器、正弦波逆变器。（3）储能装置，主要负责电能的存储，能够将太阳能电池板转化而来的电能存储起来，以供机械设备、电器的使用。常见的储能技术有3 种，分别为锂离子电池储能、化学储能以及飞轮储能。其中，化学储能属于传统储能方式，锂离子电池储能应用范围最广，而飞轮储能则是目前研究的重点，与前两种储能方式相比，其不仅功率更大，并且还有着适应性强、使用寿命长等优势。（4）控制器，主要负责控制、管理光伏系统，主要由电子元器件、专用处理器、开关功率管以及显示器所组成。通过太阳能控制器，不仅能够对光伏系统的工作状态进行动态监测，并且其还具有调节功率、通信、电气保护等功能，是太阳能光伏系统当中的重要组成部分[1]。

1.2 光伏系统的工作原理

太阳能光伏系统的实现主要依托于光伏发电原理，即借助半导体界面特有的光生伏特效应，从而实现太阳能向电能的有效转化。作为太阳能光伏系统的组成元件之一，太阳能电池起着至关重要的作用。太阳能电池通过串联形成电池组件，在此基础上配合功率控制器、控制器、逆变器等部件形成了太阳能光伏系统。

从物理学角度来讲，太阳能有两种发电方式，一种是光能转换为热能，再由热能转换为电能；另一种是由光能直接转化为电能。

其中，光能转化热能再转化电能的实现方式主要依托太阳辐射当中的热能进行发电。首先借助集热器收集太阳能，再将热能转化为蒸气，最后通过驱动汽轮机进行发电。与火力发电技术类似，这种发电技术不仅效率较低，并且需要投入较高的成本[2]。

光能直接转化为电能的实现方式主要是借助光伏技术，通过太阳能电池直接将接收到的太阳能转化为电能，这也是实现太阳能光伏系统的关键。太阳能电池的工作原理是光生伏特效应，借助这一技术原理，才得以实现太阳能向电能的有效转化。太阳能电池的核心在于其内部的半导体光电二极管，当太阳能作用于半导体二极管之后，会产生电子-空穴对，受PN 结的影响，所产生的空穴会由N 区向P 区流动，电子会由P区向N区流动，从而在接通电路之后便形成了电流。虽然太阳能电池单体的输出功率较少，但诸多太阳能单体电池经过串并联便形成了有着很高输出功率的光伏组件。现阶段，我国在太阳能电池方面的研究已经取得了一定成果，其已经成为未来发展重点研究的新型电源[3]。

2 太阳辐射强度影响分析

2.1 太阳辐射强度存在的影响

太阳能光伏系统设计过程中，通常按照公式（1）实现日辐射量与峰值日照时数之间的转换，在得出峰值日照时数之后，再结合电池发电功率计算系统发电量。

其中，Tm表示峰值日照时数，单位为h；Ht表示光伏系统日辐射量，单位为J；H—t 表示光伏系统的月平均日辐射量，单位为J。

通过式（1）计算峰值日照时数，无需对太阳的辐射强度进行动态测量，只需要得到光伏系统的日辐射量或者月平均日辐射量即可，这种计算方式更加简便、快捷，更方便于太阳辐射、发电量两数之间的转换。但借助式（1）计算峰值日照时数有一重要前提，即需要保证光伏系统的电池转换效率恒定不变，不与太阳辐射强度发生关系。但通常情况下，太阳辐射强度对系统的日辐射量有着一定影响，且二者之间属于非线性关系[4]。这样一来，若采用式（1）进行计算，所带入的日辐射量数值与实际数值之间会产生一定误差，从而影响后续峰值日照时数、光伏系统发电量的计算。

为能够应对不同太阳辐射强度下光伏电池效率的差值，需借助系数K1、K2。其中，K1表示光伏系统电池的功率系数、K2表示光伏系统的电池效率系数。本次研究按照标准系数计算，即K1为太阳辐射强度在 1 000 W·m-2情况下的电池功率、K2为太阳辐射强度在1 000 W·m-2情况下的电池效率，详细计算公式如公式（2）、公式（3）所示。

图1 为光伏系统功率比例系数和效率比例系数。

由图1 可以看出，光伏系统的功率系数、光伏系统的效率系数与太阳辐射强度之间都具有一定的非线性关系。另外，通过图1 还可以看出，在太阳辐射强度不超过1 000 W·m-2时，K1的比例系数一直低于100%，表示光伏系统的电池效率在太阳辐射强度未达到1 000 W·m-2之前，一直低于峰值日照情况下的效率。

图1 光伏系统功率比例系数和效率比例系数

2.2 太阳辐射强度影响实例分析

本次研究以上海市为例，并结合我国的典型气象年逐时数据进行计算，所选太阳能光伏系统性能如下：短路电流为8.1 A、开路电压为29.5 V、最佳工作电流为7.4 A、最佳工作电压为23 V、最大功率为170 W，且所选系统规格为1.31 m×0.99 m[5]。根据Liu、Jordan提出的模型对太阳辐射强度进行计算，详细数据如表1所示。其中，辐射强度总量为5 989.15 W/m2，组件功率总量为954.22 kW。

表1 各时段太阳辐射强度与组件功率

根据表1 所提供数据，按照式（1）计算可得，Tm= 5 989.15/1 000=5.989 15 h。同时，根据这一峰值日照时数，能够计算出峰值工作状态下的光伏系统全天发电量Wm=170 W×5.989 15 h=1 018.15 W·h。另外，由表1 数据显示能够得出，光伏系统的全天总发电量W'm为954.22 W·h。那么根据这两个数据便能够计算出峰值功率状态下的系统效率比例系数：

由此可见，若按照逐时计算的方法，上海市地区光伏系统全天实际发电量、发电效率与按照峰值日照时数计算的全天发电量、发电效率差值为6.28%[6]。

本次研究通过Visual Basic 语言进行编程，以上海市地区为例，设太阳能光伏系统的全年倾角为28°、方位角为0°，根据这些条件计算了太阳能光伏系统的辐射强度。另外，还根据100 W·m-2的太阳辐射强度间隔统计了上海市全面的逐时辐射数据，具体情况如表2 所示。

表2 上海市全年辐射强度分布情况

如表2 所示，太阳辐射强度与辐射小时数之间呈反比例关系，辐射强度越大，小时数越少。例如，超过1 000 W·m-2的辐射强度只占据了2.738%。由此可见，上海市全年的绝大多数时间太阳辐射强度都未达到峰值日照条件[7]。

3 结 论

本文主要对基于太阳能电池板、逆变器、控制器以及储能装置实现的太阳能光伏系统进行研究，简单阐述了光伏系统的工作原理。此外，本文还对太阳能光伏系统的设计进行深入分析，分别对不考虑太阳辐射强度、考虑太阳辐射强度两种不同情况下光伏系统的发电量进行计算。通过深入分析能够看出，太阳辐射强度对于太阳能光伏系统的设计有着较为显著的影响，不同太阳辐射强度下，太阳能光伏系统的电池效率有着明显差异。