光伏电池及光伏发电功率影响因素分析

2022-01-12何志鹏

光源与照明 2021年6期

何志鹏

天津理工大学电气工程与自动化学院，天津 300380

0 引言

我国天然气、石油、煤等能源的储量较多，但是这些资源均属于不可再生资源，它们的数量会越来越少。能源的过度使用会破坏人们生存的环境，造成全球变暖以及水源严重污染等问题。面对这些不可忽视的挑战，急需开发出能为人类提供长期可持续发展的新能源。由于太阳光只有在白天才能提取，且光照强度随着天气变化有较大的浮动，导致光伏发电的输出功率存在不稳定性和跳跃性，因此文章对光伏发电功率影响因素进行分析，以提升光伏发电效率。

1 光伏电池

1.1 组成及分类

光伏电池由P型半导体、N型半导体和两者之间的P-N结等组成。当太阳能照射到电池板时，电池内部的电子开始运动。其中，P型半导体的作用是吸收负电荷，N型半导体是让电子输出。在阳光的照射下，大量的电子由N型半导体通过P-N结的连接，传输至P型半导体上，从而形成局部电场，即在太阳光照射下电池板所发生的光伏效应。

根据光伏电池的使用情况，可以将其分为两种[1]：一种用在太空工作站，主要为太空中的一些设备供电，这种光伏电池的安全系数非常高，能够适应苛刻的太空条件；另一种放置在地面上吸收光能进行发电，包括发电站、路灯、发电板等，能实现较大规模的制造，且使用安全性较高，因此受到广泛应用。

1.2 光伏电池的数学模型

光伏电池等效电路图如图1所示。

图1 光伏电池等效电路

光伏电池的输出电流方程为

式中：I为输出电流；Iph为通过光电转化效应生成的电流；Id为通过反向二极管的电流；Ish为流过等效并联电阻Rsh的电流；Rsh为等效并联电阻；U为输出电压；Rs为等效串联电阻。

设光伏电池在标准测试条件下（S=1 000 W/m2，T=25 ℃）。由于Rs远小于反向二极管的正向电阻，光伏发电输出电流Iph约等于流入Rsh的电流，即

式中：Iscr为短路时电流；α为短路时的温度系数；T为电池板的温度；Tref为工作情况下的电池板温度；△T为电池板温度与工作情况下电池板温度的差值；I0为二极管饱和电流；k为波尔兹曼系数；q为一个电子所带的电荷量；Ud为反向二极管两侧之间的电位差；A为二极管因子；Srcf为光伏电池工作情况下的太阳辐照。

2 光伏发电功率的影响因素

2.1 太阳辐照度

因为输出的电能是由光伏发电系统吸收太阳辐照度而转化，所以太阳辐照度决定光伏发电系统产生的电量[2]。太阳辐照度通常被认为是预测光伏发电功率的一个重要参数。以国能日新公司所提供的电站1的训练数据中2017年12月12日的数据为例，当日太阳辐照度和实际功率的关系如图2所示，可以发现辐照度和实际功率的相关性较强。

图2 辐照度与实际功率关系图

2.2 季节

不同季节下的太阳会存在位移、高度、时间上的差异。因为季节的变化影响着太阳辐照度，所以间接影响光伏发电功率[3]。根据国能日新公司提供的电站1中训练数据，分别以2016年9月15日、2016年12月15日、2017年3月21日、2017年6月21日作为秋、冬、春、夏的代表进行分析。不同季节中输出功率的曲线如图3所示。由此可知，光伏发电功率对季节较为敏感，不同季节的发电功率有明显的差异。

图3 不同季节的发电功率关系图

2.3 温度

根据国能日新公司所提供的电站1的训练数据，选取2017年12月12日数据，画出温度和实际功率的关系图如图4所示。

图4 温度与实际功率的关系图

由图4可以看出，温度对光伏发电功率有一定的影响，但是温度最高的时刻并不一定发电功率最大。这是因为如果周围的温度过高，光伏发电设备的输出电压会比逆变器的工作电压更低，从而影响其正常的发电功率[4]。在发电的整个过程中，开路电压最容易受到温度的作用，温度如果升得过高，开路电压会逐渐减小。开路电压决定着光伏电池对温度变化的灵敏性，因此发电设备的输出功率会有一定的减小。研究表明，温度过高时，光伏发电设备将光能转化为电能的效率会显著降低。因此，安装发电系统后，吸光面板上的空气温度不宜过高。

2.4 其他

光伏电站的实际发电功率还会受到湿度、风速、风向、空气中灰尘指数等的影响。空气越潮湿，代表空气中的水分越多，太阳光经过水汽时会发生反射和折射，进而减弱到达光伏发电设备的光照强度。因此光伏发电装置吸收的光能有限，转化成的电能也有限，进一步影响发电效率，即实际功率。此外，风对发电功率的直接影响较小，但是风会带走大气层的云朵，从而影响辐照度。相关文献表明，雾霾、灰尘等会降低太阳辐照度值。