光伏发电效率影响因素研究进展及前景展望

许伟滨 陈秋宇 刘佳坤 刘泓浩 关小龙

（1. 广东海洋大学 2. 广东工业大学）

0 引言

开发和利用新能源替代传统的化石能源是缓解化石能源匮乏和环境污染等问题的有效方式[1-2]。太阳能光电系统是一种安全、可靠、无污染、不需要任何能源的系统，是未来太阳能利用的重点研究领域[3]。中国已向世界确保，到2030 年二氧化碳的排放量达到最大值，可再生能源占总能源消耗总量的20%[4]。所以研究和发展新能源是促进可持续发展的一项关键措施。太阳能的清洁、高效率、可持续发展等的突出优势，是构建洁净低碳安全高效能源体系和实现“碳达峰、碳中和”目标的关键。

为促进光伏发电的发展，并助力“双碳”目标的达成，肖佳等[4]人对光伏发电行业进行系统研究。结果表明，光伏发电将成为新能源发电技术的主要选择；光伏组件回收处理技术有待提高，研发高质量低成本光伏组件、提高光伏组件的生产技术水平，是当前我国光伏发电的主要目标[5]。因此，本文分析总结影响太阳能光伏发电效率的因素，研究国内外光伏发电的现状，接着从光伏板自身、太阳能电池材料等方面分析我国光伏发电效率低的主要因素，并且结合我国新能源的政策，对光伏发电需要解决的问题进行相应的分析和总结，最后提出光伏发电发展的挑战和展望。

1 光伏发电国内外发展现状

1.1 全球光伏发电现状

在“碳中和”目标的背景下，全球光伏发电技术发展迅速和全球使用量持续增加。根据目前全球的发展状况，可以推测光伏发电的需求量将持续增加。虽然2019 年受疫情影响，但是近年来全球装机总量仍然持续上升。中国光电产业协会表示，全球太阳能发电量在2021 年能够达到170GW。SEIA 的数据显示，中国、美国、印度、欧盟光伏装机量表现突出。其中，中国光伏装机量为54.88GW，欧盟光伏装机容量为25.9GW，美国的装机容量为23.6GW，印度装机11.89GW。

欧洲光伏产业协会发布的2022 年度光伏进展调查报告显示，欧盟在2022 年太阳能发电系统的装机容量达到41.4GW，比2021 年的28.1GW 增长47%，说明在未来一年内，欧盟的太阳能装置将会新增25%的装机容量达到208GW。

面对日益加剧的能源危机，欧盟安装光伏系统装机容量的巨大增长是在脱碳道路上迈出的坚实一步。德国是表现最为突出的成员国，今年安装了7.9GW的光伏系统，紧随其后的是西班牙（7.5GW）、波兰（4.9GW）、荷兰（4GW）和法国（2.7GW）。

1.2 我国光伏行业发展现状

国家能源局在2022 年3 月9 日发布的数据显示[6]，2021 年中国增加了5300 万kW 的风力发电量，是世界上连续九年发电量最大的国家。根据2021 年底统计，太阳能光伏发电系统的总装机容量达到3.06108亿kW，连续七年居全球首位[7-8]。从新增装机量来看，装机量占比较高的地区为华中、华东和华北地区，分别占全国新增装机量的15%、19%和39%。

在“十四五”规划中，第一年光伏发电建设取得多项新突破。一是分布式光伏发电已突破1 亿kW，约为光伏并网装机容量的1/3。其次，在新增装机中，分布式光伏发电首次占新增装机总量的50%。此外，新增分布式光伏中，户用电量首次突破1000万kW。第二年就超过2000 万kW，太阳能已成为该国“碳峰值和碳中和”的主要驱动力。

2 影响光伏发电的主要因素

研究表明，目前的光伏发电的效率在15%～20%的范围内，而市面上最有效的光伏组件效率略高于22%。众多研究者都专注于如何提高光伏发电的效率，如提高硅的精度，以及采用机器学习进行光伏最大效率点的追踪以及预测等等。尽管如此，光伏发电还是受到各种因素的影响。因此，对光伏发电影响因素进行研究和分析是必要的。影响因素主要有环境温度、太阳高度角、太阳能光伏组件等。

2.1 环境温度

在现有的研究中，由于晴天持续的高照射，太阳能电池在高功率状态下连续运行，其蓄热会导致组件的温度随时间增加。王婧怡等[9]根据太阳能屋顶太阳能电站的实际观测资料，证实由于日照累积而引起的组件温度随着时间的推移而增加，将会对发电效率造成不利的影响。然后，将时间作为一种新的影响因子，建立一种更为精确的多风系统的电力系统模型。由于太阳光的近红外光引起了光伏组件的温度升高，从而影响组件的发电效率。王平等[10]通过研究表明，采用自制的纳米氧化锡锑透明绝缘薄膜涂层，可有效降低组件的工作温度。

2.2 太阳高度角

太阳高度角度是太阳能光电阵列的倾斜角度，它可以通过方位来采集太阳能的能量。根据太阳照射的角度，光伏阵列的放置方法可分为固定式和跟踪式[11]。跟踪型为旋转光伏支架，具有可跟踪的太阳高度角。光伏组件安装在支架上，使光伏组件能够时刻最大限度地获得垂直的阳光，接收更多的阳光。由于各个地方的太阳能高度和方位角都不同，因此在建造光伏电站时，需要考虑组件在电站地理范围上的最佳安装倾角。

马春兰等[12]通过分析得出，当太阳倾角为37°时，接受辐射量最大以及光伏发电效率最好。向征等人[13]总结发电效率较低的现象。为了实现能耗精确预测，提出一种基于并网太阳能光伏/电池系统的无线网络供电低功耗策略和一种启发式负载均衡算法和资源块分配技术，以优化太阳能的利用，最终发电效率高达54.8%，实现光伏发电效率的提高。

2.3 遮挡损耗

张琳等人[14]在2022 年指出，光伏组件的发电量与灰尘密度、遮挡情况相关联，灰尘密度大或存在较大面积的遮挡，则会严重影响集中式光伏电站的发电效率。除此之外，降落到光伏组件上的灰尘或树叶等遮挡物，在光伏组件上形成了阴影，导致组件的局部传热形式发生改变，光伏组件在长时间的阳光照射下，受遮挡部分组件无法工作，使得被遮挡部分温升远远大于组件其他部分，如不及时清理可能会在组件上形成热斑，从而极大地影响到光伏组件的实际使用寿命。

2.4 太阳能光伏组件特性

光伏组件的特性和质量由太阳能电池的材料决定，材料的质量直接影响光伏组件的效率。太阳能电池的原材料是半导体，太阳能电池分为硅电池、无机盐电池等。目前硅光伏电池已经实现商业化应用。硅光电池是一种以单晶和多晶为主体的晶体结构，占世界总产能的90%。单晶硅、多晶硅已被广泛使用，但是单晶硅由于昂贵的价格，因此目前多晶硅太阳能电池是大多数光伏发电的首选。光伏组件自身的质量会影响发电效率。高建喜指出[12]，影响光伏发电效率的因素包含光伏板自身问题，太阳能电池板在出厂之前都会进行严格的检查，但也有可能出现一些问题，比如内部裂纹、硅片之间的断裂。

2.5 逆变器效率

光伏发电系统的逆变器作用是将光伏显示器的直流电转换为交流电进行输出。张佳平等人[8]分析光伏影响因素时指出，在选择逆变器时，要选择与光伏电站建设能力相匹配的逆变器。通常逆变器的转换效率与发电成本成反比。因此，高效逆变器是光伏发电技术发展的关键。尚华[3]分析最大功率峰值跟踪对效率影响时，提出了采用最大功率追踪运算装置与显示装置相连接，以达到最大能量传输。张琳等[14]提出，逆变器加权效率已经接近97%，但是存在跟踪滞后性，导致有部分能量仍然会损失。

3 光伏发电前景与展望

太阳能光伏是一种新型的发展方式。并网发电相对匮乏，将光伏发电与生活实际联系起来，做到“光伏+”，从而更大化地利用太阳能。吴福保研究了并网发电[16]，提出目前光伏系统的发展趋势，即以并网为核心。太阳能发电系统将太阳能电池阵列置于建筑物的顶部或其他外围，从而为使用者提供电力，减少电力供应。作者认为，有必要研制一套储能式光伏并网系统，来有效地降低电网的电力需求。采用最大功率追踪与并网逆变技术，利用太阳能光伏发电，将太阳能电池的电能储存到蓄电池中，从而提高发电的效率。在光伏并网发电渐渐普及之后，效率决定发电量，而太阳能电池阵列所能获得的辐射强度是最直接的影响因素。当安装位置确定后，需要考虑地理纬度、海拔等因素，这时的太阳能发电功率主要取决于组件的温度和方位。因此，提高太阳能电池阵列能够俘获最大辐射量的方法是在光照跟踪方面加大力度。

4 结束语

综上所述，本文从理论方面对太阳能光电系统的影响进行系统的总结。由以上结果可知，环境温度、太阳高度角、遮挡损耗、太阳能光伏组件特性、逆变器效率等因素均会直接或间接地影响光伏系统的效能。