太阳低辐射地区CIGS光伏技术应用分析

陈平翰，汪炜怡*，徐青山

（1.中国科学技术大学，合肥 230027；2.中国科学院 安徽光学精密机械研究所，合肥 230031）

随着现代社会的快速发展，人们对能源的需求不断增长，全球能源危机日益突出。传统的化石能源如煤炭、石油和天然气是有限的。随着21世纪的到来，传统能源正处于枯竭的边缘，将爆发能源危机并引发全球环境问题。随着化石能源的减少，其价格不断上涨，严重制约了人们的生产和生活水平。因此，亟待开发可再生能源。在这种情况下，包括太阳能在内的大量新能源技术被广泛接受。

太阳能是一种不同于诸如石油和煤炭等传统化石能源的新型清洁能源。研究表明，太阳能的使用一般不会导致“温室效应”[1]，且对环境的污染也较少。目前太阳能技术已被用于许多领域，包括抽水、供暖、空调制冷系统、海水淡化、工业加热和热电[2-4]，且超过23个国家有官方太阳能研究中心，致力于太阳能技术的研发与应用。

作为第3代光伏技术之一，铜铟镓硒太阳能电池CIGS[5]由于具有良好的弱光性[6]，且与传统的光伏设备相比材料成本低[7]，应用范围广，逐渐成为了未来光伏设备的领军者。CIGS 设备在大部分情况下不需要添加额外的配套设备，同时也具有良好的发电效率，可以满足大部分光伏用户的需求。

CIGS太阳能薄膜电池，由Cu（铜）、In（铟）、Ga（镓）、Se（硒）4 种元素以最佳比例构成黄铜矿结晶薄膜太阳能电池，这也是组成太阳能薄膜电池板的关键技术。柔性铜铟镓硒（CIGS）太阳能薄膜电池具有轻柔、低成本、无污染、弱光性好、可透光、回报周期短、容易弯曲、集成度高和外形美观等众多优点，相近功率情况下，与传统晶硅电池相比，具有更高的发电量。

太阳能电池的种类有很多种，然而设计出一种高效益的太阳能电池需要考虑的因素有很多。比如晶体硅太阳能电池虽然效率很高，但是成本也高。非晶体硅成本低，但是效率也很低。根据我国可利用资源，铟可以被充分利用到太阳能电池当中制作成CIGS 太阳能电池，这种太阳能电池的成本低，效率却很高，使用寿命很长，可以预见有广阔的发展前景。

1 环境资源分析

对于光伏系统，最重要的环境因素是局部照明时间和光强度[8]。从本质上来说，上述两个条件可以简化为局部辐射强度来考虑。这一数据指标直接决定了是否可以在当地进行光伏系统的建设。过低的太阳能辐射量将使得建造成本与发电成本上升[9]。在低辐射地区，光伏设备的工作条件是非常严苛的，不够充分的光照使得发电成本直线上升[10]，同时弱光损失也会使光伏设备的整体发电量下降，这导致使用传统的光伏设备已经很难给光伏用户提供足够的能量。在我国四川地区，光照时间短、辐射阻隔严重一直都是制约当地光伏发展的重要问题。经统计，四川地区的年光照辐射量的最大峰值约为1 200 kWh/m2。经过类比，这一地区的光照辐射和欧洲的部分低辐射地区很相似。这里以英国东北部的纽卡斯尔为例进行分析。

图1 所示的是NASA（National Aeronautics and Space Adminstration）提供的英国2017—2018 年的光照辐射量[11]。

图1 英国2017—2018年光照辐射量Fig.1 Quantity of illumination of UK during 2017—2018

可以看出，英国的年光照辐射量并不高，只有在每年的3—8 月英国才属于“适宜发展光伏地区”，其峰值光照辐射量为每天8 kWh/m2，年约为2 100 kWh/m2，与之前提到的我国低辐射地区（四川）类似。因此，两地对于光伏设备的发电效率都有特殊的要求。

同时对低辐射地区的光照条件也要进行分析,大部分的低辐射地区在每年冬季的光照时间都极短，平均日光照时间不足6 h，这无疑为光伏组件的设立带来了很大的阻力。为了克服这种极端的弱光条件，组件应当尽量选择弱光性能好的设备。

2 弱光性分析

与传统的硅系光伏设备相比，CIGS 电池的弱光性能更高，这也意味着CIGS 电池的单日工作时间更长。为了明确地表达CIGS 电池在弱光环境下的表现，利用电池的工作参数PR[12]进行计算。PR的定义式见式（1）：

式中：ET为T时间段内光伏电站向电网输送的电量；Pe为光伏电站的标称装机容量；hT为T时间段内光伏组件表面的峰值日照时数。计算PR时需要测定两个参数：①研究时间段内的发电量；②该时间段方阵面接收到的总辐射量，总辐射量的测定需要使用总辐射表，或利用标定的光伏电池。由于各光伏电站所在地的总辐射量检测会有偏差，因此要对公式进行改变，通过瞬时光照量和输出量对效率进行计算。转化完成之后的公式为：

式中，P的定义依然是装机容量，而W为瞬时的输出功率，α为瞬时辐射度，而T为时间段。通过公式（2），即可利用瞬时的光照效率对CIGS 设备进行分析计算，减少不必要的误差。

参考张传升[12]的相关工作可以得出结论，在400 W/m2的照射环境下，CIGS 光伏设备的效率均值为0.869 2，比传统太阳能光伏设备的效率平均值（0.822 0）高1.03%。在低辐射地区，其平均辐射强度远低于400 W/m2，因此在低辐射地区，CIGS设备的弱光损失低于普通硅电池。类比同样处于低辐射地带的英国纽卡斯尔地区，其光照强度在冬季时的最高值也只有750 W/m2，因此可以看出，在低辐射地区使用CIGS 设备可以有效提高弱光效率，减少弱光损失。

3 发电效率计算

光伏电站的发电效率与年发电量有关。发电效率和年度预期发电量（装机容量为20 kW）可以计算如下。

（a）光伏阵列效率

能源转换和传输过程中光伏电站太阳能电池板的损失，主要包括组件匹配损耗和太阳辐射损失，前者高精度和高质量施工系统的能耗损失约4%，后者主要包括太阳能发电组件表面阴影或叶片等遮挡和弱太阳辐射损失，约为5%。

（b）逆变器转换效率

以阳光电源标准逆变器为例，其转换效率为η2=98%。

（c）最大功率点损耗的偏差

包括局部温度、设备等，最大功率点跟踪（maximum power point tracking，MPPT）精度等能量损失约为2%。

（d）DC线路损耗

根据相关性，应小于3%。得到：

η1=96%×95%×98%×97%=87%

光伏系统的总效率等于上述各种效率的乘积：

η=η1×η2=87%×98%=85%

（e）发电系统的年发电量

光伏电站的发电量Ep计算如下：

式中，P为系统安装容量（kW），H为当地标准日照时间（h），η为系统的整体效率。η通过计算为85%，标准日照时间如图2所示。

图2 标准日照时间[13]Fig.2 Standard sunshine hours

通过对图2的分析可得下列计算结果：

再计算弱光性损失后，有：

上述计算结果表明CIGS 技术在低太阳辐射的纽卡斯尔地区能够产生可观的电能。

4 总结

本研究着重介绍了CIGS 光伏电池对弱光较为敏感的特点，表明CIGS 在低光照辐射地区具有良好的适用性和发展前景，尤其适用于弱光环境下的供电。在我国四川的大部分地区，年光照总量都低于国家划分的“适宜发展光伏设备”标准线。通过类比欧洲的低光照地区，可以发现通过使用新型材料能够更充分地利用太阳辐射，使四川地区可以通过光伏设备对当地的发电量进行补充。

本研究以2017—2018 年英国低光照辐射地区纽卡斯尔的相关辐射数据为基础进行了CIGS 发电效率理论计算，计算结果显示CIGS 在纽卡斯尔地区具有良好的发电效率，同时进一步表明CIGS 在低光照辐射地区具有广阔的应用前景。该计算结果也可以为我国低辐射地区光伏设备的建设提供一定参考。