改善光伏电池发电效率的若干措施

李超 徐启峰

（福州大学电气工程与自动化学院，福州 350108）

低效率与低效益问题一直制约着光伏发电系统的应用。目前国内针对提高光伏发电效率的研究主要集中在并网逆变器的硬件与软件设计上，对提高光伏电池的发电效率研究较少。逆变器效率已经可以达到99%[1]，进一步提升的空间有限，且所需成本较高，缺乏经济可行性。

本文分析了影响光伏电池发电效率的若干因素，提出了若干提升光伏电池发电效率的措施，并做了经济效益分析。

1 影响光伏电池发电效率的若干因素

1.1 固有效率

目前已经商业化的产品主要是多晶硅和单晶硅两种产品，单晶硅的效率在16%～22%之间，多晶硅的效率在14%～16%之间[2]。由于各厂家生产工艺、杂质含量、栅电极尺寸的不同，光伏电池的效率差异比较大。

1.2 安装方式

光伏电池按其安装方式的不同，分为屋顶式、集中式、建筑一体化式等。安装方式的不同，导致光伏电池的发电效率也不同。目前集中式安发电效率最高，建筑一体化式发电效率最低[3-4]。

1.3 环境因素

光伏电池安装地理位置的环境对光伏电池发电效率影响非常明显[5-10]，包括光照时长、纬度、温度、海拔、污染等因素，其特性见表1。

表1 环境对光伏电池的影响

2 提高光伏电池发电效率的若干措施

在实用中，光伏电池的固有效率和安装方式无法改变，但可以通过改进安装角度和改善环境因素使光伏电池得到最大程度的利用[11]。比如通过跟踪系统使光伏电池角度正对太阳；通过聚光措施使光伏电池承受更多的光照等。针对影响发电效率的各种因素，本节提出了跟踪系统、聚光装置、降温装置、驱鸟装置等措施。

2.1 改进安装角度

针对屋顶式和集中式光伏发电系统，可通过改进光伏电池的安装角度来提升光伏电池发电效率。按照安装方式可分为固定式和跟踪式[12-16]。

1）固定式

光伏电池安装方式如图1所示，α是高度角，即光伏电池与水平面上投影之间的夹角。β是方位角，即光伏电池与正南方向在地平面上的夹角。

图1 光伏电池安装方式

固定式安装时，α选择方法是，首先确定当地月平均光照强度最大的月份，然后使太阳光垂直照射到光伏电池时的角度，即确定系统的α值。β选择方法为：首先确定当地日平均光照强度最大的时刻，使光伏电池正对此刻太阳的方位，即确定系统的β值。北京地区α值最优为 35°～45°之间，β值最优为90°～105°之间。

2）跟踪系统

跟踪系统是根据经纬度和时间的变化通过电机改变高度角α和方位角β，使太阳光时刻保持垂直照射在光伏电池的表面。

跟踪系统方法和光伏电池发电效率相关数据如表2所示（光伏电池模型效率为16%）。

表2 跟踪系统的方法和特性

跟踪系统的实现又分为时间式跟踪和光强式跟踪。时间式跟踪是根据经纬度和时间来读取已设定的角度值，进而控制电机。光强式跟踪是根据光照强度传感器进行检测，实时调节相关角度。时间式跟踪方法简单、可靠，但无法根据光照变化进行实时调节，尤其是阴雨天光伏系统关闭时，跟踪系统仍在运行。光强式跟踪方法精度较高，但成本较高，同时传感头容易受到灰尘、云朵等因素影响，可靠性低。

本文研制了一种以时间跟踪为主、光强判断为辅的连续跟踪系统，如图2所示。

图2 跟踪系统框图

光伏电池本身就可以作为光强检测装置使用，主控制器首先根据光伏极板电压值和输出功率进行光照强度判断，然后确定是否起动跟踪系统。光强判断措施可确保光伏系统因为天气等原因停机时及时关闭跟踪系统，减少功耗。

跟踪系统控制器接收起动信号后，根据时钟和经纬度进行角度调节。角度调节公式如式（1）、式（2）所示[11]。

式中，λ为经度，φ为纬度，n为1年的第n天，Hs为本标准时区时间，λs为本标准时区经度。

实用中考虑到步进电机的步距问题，高度角和方位角不是连续变化的，而是根据步距分为多个角度级别，控制器根据时间确定步进电机步数后，驱动电机带动光伏电池支架的转轴进行跟踪。

2.2 聚光装置

对于一些小型光伏发电系统，考虑到光伏电池成本较高，无法增加光伏电池容量，往往采用聚光装置增大光伏电池表面太阳辐射强度[11-16]。

当使用高倍率聚光装置时，太阳辐射强度过大，使光伏电池表面温度急剧上升，一方面降低光伏电池等组件的使用寿命，另一方面需增加散热装置，增加系统成本，因此高倍率聚光装置不具有实用性[11]。在此提出了一种低成本、简单可行、低倍率的聚光方法。其结构如图3所示，在极板前方的地方使用屋顶反射节能涂料，一方面使光线可反射至光伏电池，由于涂料平面平整度略低，反射与散射同时存在，太阳辐射强度适中，温度上升不明显；另一方面可使屋顶有效减少光线照射，降低室内温度。

图3 聚光装置

光伏电池的宽度为L，反射涂层与地平面夹角为θ，阳光垂直照射在光伏电池表面，光伏电池高度角为α。可计算得

例如α取45°，θ取10°，则△L=0.342L，增加34.2%的有效阳光照射面积，因此在不考虑散射情况下，太阳辐射度大幅度增加。

此方法适于在高纬度地区使用，当α较大时，θ可取零度，直接在屋顶等平面涂抹反射涂料。对于低纬度地区，可将光伏电池与反射涂层的位置互换，也可达到同样效果。

2.3 驱鸟装置

光伏电池常年室外放置，通常布满灰尘，影响发电效率。通过系统长时间运行发现，灰尘可以通过雨水的冲刷得以去除，而鸟类在光伏电池上停落所遗留的排泄物难以清除，长时间未清洗的光伏电池，其发电效率可下降50%。本文提出在光伏电池的四周增加防鸟刺和驱鸟器等驱鸟装置，实用效果明显，可提升光伏电池发电效率。

2.4 降温装置

光伏电池极板具有反温度系数。针对其温度特性，提出了一个简单可靠的降温措施来提升系统发电效率。紧靠光伏电池的背部，增加一个厚度约5cm的密封水箱，中间涂抹导热脂。通过密封水箱可降低光伏电池的温度，实验数据表明，日平均温度可降低 5°～10°左右。

3 仿真与实验分析

对选址在北京地区的屋顶光伏并网发电系统进行仿真和实验，实验所用光伏电池标称功率为10kW。仿真模型如图4所示，系统由太阳、光伏电池、逆变器、电网和负载组成[2]，仿真模型综合考虑了日照、污染、温度、阳光折射、逆变器功耗、跟踪系统功耗等因素。

图4 仿真模型

仿真得到该地区每天的辐射度如图5所示，可见每天辐射度最高的时刻在12：30分左右。

当阳光垂直照射光伏电池时，结合每月的天气清洁度，仿真得到月平均日辐射量如图6所示。可见每年发电量的高峰在5－10月份之间。由图5和图6可确定该地区光伏电池极板的安装角度。

图5 24h辐射度

图6 每月日辐射量

对跟踪系统进行仿真，固定式、跟踪式光伏电池月平均输出功率对比数据如图7所示。

对跟踪系统、聚光、降温和驱鸟措施进行单独和整体仿真与实验，得到日发电量如表3所示。

图7 固定式/跟踪式光伏电池月平均输出功率

表3 仿真与实验数据

仿真与实验结果表明，这些措施可明显提升系统的发电效率。

4 效益分析

以上措施能否提高系统经济效益是其实际应用的关键。对各措施进行经济可行性仿真分析，相关参数如下：工程使用寿命25年、地理位置为北京、年平均温度47℃、光伏电池价格18元/W、光伏电池效率17.2%、逆变器2元/W、逆变器效率97%、商业电价0.74元/kW·h、光伏发电回收价格2.22元/kW·h（参考欧美3倍回收电价）。

通过仿真软件对各措施的成本与效益进行仿真[2]，得到现金流量图如图8所示。

图8 现金流量图

综合考虑每年维护费用，设备使用寿命，温度等因素后，得到单独使用一种新措施时的平均日发电量和工程净利润。最后也给出了采取全部措施后的数据，计算可知发电量提高了85.7%，净利润提高了293025元。

表4 效益分析

可见新提出的几种措施，不但可以明显提升系统的发电量，也可大幅度增加工程的净利润。

5 结论

提升发电效率是光伏发电系统推广应用的关键。在并网逆变器效率已达到99%的情况下，继续提高逆变器效率成本高、效益低，因此本文重点研究了如何提升光伏电池的发电效率。

本文针对影响光伏电池发电效率的因素提出了一系列措施，并对各种措施进行了仿真、实验和经济可行性分析。通过仿真和实验数据表明，这些措施成本低、可行性高、可明显提升系统发电量，经济效益得到明显提升，具有经济可行性。

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