太阳电池发电量比较

1、儿种太阳能电池组件比功率发电量的模拟与比较2010年11月22日来源：电工电气作者：李振全；徐云亮；Shyshenq P Liou 责任编辑：doeboy【中心议题】介绍和比较了非晶硅和单、多晶硅太阳能电池组件的优缺点针对它们在并网光伏发电系统中的应用，采用PVsyst软件对各种太阳能电池组件 的比功率发电量进行模拟【解决方案】 选用西门子公司Sinvert Solar 20型逆变器 太阳能电池组件的倾斜角调整为200引言地球表面接收的太阳能辐射能够满足全球能源需求的1万倍。地表每平方米每年 接收到的辐射可发电1 700 kW - h。国际能源署数据显示，在全球4%的沙漠上安 装太阳能光伏系统

2、，就足以满足全球能源需求。太阳能光伏享有广阔的发展空间， 其潜力十分巨大。我国是能源消耗大国，石油、煤炭等能源资源稀少，太阳能利 用技术的研究有十分重要的意义。当前，衡量各种太阳能电池组件电性能的主要指标是在标准测试条件下的额定输 出功率。由于光照变化，太阳能电池组件的输出功率也在不断变化，因此，在实 际使用时，仅以额定输出功率衡量太阳能电池组件的电性能，不能完全反映其实 际发电效能。对用户来说，更关心的是在户外条件下太阳能电池组件每瓦在一段 时间内的比额定功率发电量，包括这段时间内所有户外光照情况下的发电量总 和，它能较好反映太阳能电池组件在应用中的实际发电能力。由于地球上的纬度 不同，日照

3、和气候条件差别很大，而太阳能电池对日照条件非常敏感，因此，在 某一地点得出的实验结论，在其他地点是否相同，尚需进一步验证。为了便于比 较分析，本文针对地处北纬22.16、东经114.1深圳地区的非晶硅和单、多 晶硅太阳能电池组件的比额定功率发电量进行模拟，并对其结果进行了分析。1各种太阳能电池组件的分析与比较1.1晶体硅太阳能电池品体硅太阳能电池有单晶硅与多晶硅两大类，生产技术成熟，是光伏市场上的主 导产品。国际公认最高效率在AM1.5（即大气质量1.5）条件下为24%，空间用高 质量的效率在AM0（即大气质量为0,日-地平均距离为一个天文单位时，太阳的 总辐射度和光谱分布）条件下为13.5%

4、18%,地面用大量生产的在AM1条件下多 在11%18%。大晶粒多晶硅太阳能电池的转换效率最高达18.6%。多晶硅太阳能 电池没有光致衰退效应，材料质量有所下降时也不会导致太阳能电池受影响，是 国际上正掀起的前沿性研究热点。随硅元件使用的多少以及纯度的改变，单件功 率不确定，同样面积的板块功率可以变化。薄膜品体硅太阳能电池能够大大降低 晶硅用量，但目前还处于研发阶段，尚未工业化。品体硅太阳能电池的优点是可在单位面积上获得较高的发电功率和稳定的发电 性能。如果其中一小部分被遮挡，会产生孤岛效应，但由于其强光发电的特性， 只有保障与阳光的合理角度才能达到应有的光电转换率，因此必须考虑安装角度 问题

5、，这使得可安装的总面积和平面布局都受到限制。1.2非晶硅太阳能电池非晶硅太阳能电池一般采用高频辉光放电方法使硅烷气体分解沉积而成。由于外 解沉积温度低，可在玻璃、不锈钢板、陶瓷板、柔性塑料片上沉积约1m厚的 薄膜，易于大面积化生产，成本较低。研发动向是改善薄膜特性，精确设计太阳能电池结构和控制各层厚度，改善各层 之间界面状态，以求得高效率和高稳定性。突出优点是造价低，透光性和弱光发电性能好，因此可以不侧重考虑安装角度问 题，有利于建筑整体效果的体现。在风沙环境下，其弱光性能有优势，并且不产 生孤岛效应，不会因不能产生电流而被反偏。缺点是光电转换率低，其发电效率 大约只有品体硅电池的一半。如果采

6、用透明玻璃非晶硅电池，其发电效率仅仅为 1%2%；其他根据透光率不同，发电效率不同，从4%8%不等。这意味着要发 出同样的电力，采用非晶硅薄膜电池时需要安装的面积应成倍增加。2并网光伏电站的模拟与比较2.1相关组件的选取 本文以70kW并网光伏电站为例，各种太阳能电池组件的选型如表1所示，选用 西门子公司Sinvert Solar 20型逆变器，其最大功率电压跟踪范围为450750V， 额定交流输出功率为15kW，共4组。表1各种太阳能电池组件的规格参数类型型号模粗功率/w单晶硅STP 080S-12/Bb80多晶硅STP 080-12/Bb80非晶硅SMT 30302.2气象参数的设定由于P

7、Vsyst软件中只有国内几个具有代表性城市，无深圳地区日照参数，因此， 本文根据深圳地区的经纬度，从NASA官方网站上（也可以从加拿大清洁能源项目 分析软件RETScreen上）直接查取后输入PVsyst软件。2.3最佳倾斜角的选取倾斜角不同，各个月份方阵面接收到的太阳辐射量差别很大。因此，确定方阵的 最佳倾斜角是光伏发电系统设计中不可缺少的重要环节，对于并网光伏发电系 统，通常总是要求在全年中得到最大的太阳辐射量。在此光伏系统的模拟过程中，当太阳能电池组件的倾斜角调整为20时，在方 阵表面上接收到的太阳辐射量最大，因此以此为最佳倾斜角，如图1所示。口 口区布置方式倾斜|E 方位角】何kJl同

8、定角度蜕装 FH-最优化缶下发电械。复如47月）。备率。3月）取消x芷成j阁1最住倾斜角的选取2.4模拟结果 模拟过程中，假设太阳能电池组件上无阴影遮盖，反射率统一取0.20。为了便 于比较，首先，我们统一比较标准，即太阳能电池的比功率发电量，它是指一段 时间内太阳能电池在户外实际光照条件下的总累积发电量与太阳能电池额定功 率的比值，其定义为太阳能电池每千瓦日均发电量。表2列出了非晶硅和单、多晶硅光伏发电系统的具体数据。由表2可看出，使用 非晶硅太阳能电池的并网光伏发电系统的安装面积要比单、多晶硅系统多得多。 表3为非晶硅和单、多晶硅并网发电系统比功率发电量及损失数据。由表3可知， 在此并网光

9、伏发电系统中，每千瓦单晶硅太阳能电池的日平均发电量为 2.89kWh，与多晶硅的结果2.92kWh相差不大，但每千瓦非晶硅太阳能电池 的日平均发电量为3.26kWh，比单、多晶硅要多12.8%左右，正是因为非晶硅 太阳能薄膜电池组件具有较好的弱光效应。此模拟结果与深圳大学柴金龙的测试 结果相符。表2光伏组件布置方式、安装面积及年发电旱类型总功率 /kW行列电池板 数量安装 面积/V半发电量 /(MW-h)比以率发 电 S/(kWh)单晶碓71372188857175. 72.89务晶硅71372d88857175. 02.92非晶硅7038612 3181 21682. 73.26表3非晶硅和

10、单、多晶硅井网发电系统比功率发电量及损失类型比以率发电金 /(kW-h)光伏鲍件损失 /(kW-h)系统损失/(kWh)单晶硅2.890.910. 25多晶硅2.920.880. 25非晶硅3.260.520. 273结语本文采用PVsyst软件对非晶硅太阳能电池板和单、多晶硅太阳能电池板在相同 条件下的比额定功率发电量进行模拟比较，结果表明，在深圳地区，非晶硅太阳 能电池板的比功率发电量均大于单、多晶硅太阳能电池的比功率发电量。目前，非晶硅太阳能电池板的生产成本约为单、多晶硅太阳能电池板的60%，因 此，性价比高的非晶硅(薄膜)太阳能电池具有广阔的市场前景。但非晶硅太阳能 电池的转换效率比单

11、、多晶硅太阳能电池的转换效率要低，造成采用非晶硅薄膜 电池时需要的安装面积成倍增加，但因其具有可透光及弱光效应等优点，因此有 必要加强BIPV（太阳能光伏一建筑一体化）的研究与应用。选择合适的太阳能电池输出功率测试系统2010年12月03日来源：光伏国际作者：Bob Zollo 责任编辑：doeboy太阳能产业的成长增加了对太阳能电池（及太阳能模组）测试和测量解决方案的 需求，而且随着太阳能电池尺寸的增大和效率的提高，电池测试需要运用更大的 电流和更高的功率水平，这就要求采用更加灵活的测试设备。通常需要测量太阳能电池的几项关键参数。这些参数是：VOC开路电压。在电流等于0时的电池电压。ISC短

12、路电流。当负载电阻等于0时，从电池流出的电流。Pmax电池的最大功率输出。电池输出最大功率时的电压值和电流值。 I-V曲线（图1）上的Pmax点通常被称为最大功率点（MPP）。图1这张太阳能电池的I-V曲线显示了Pmax及其与Imax和Vmax的关系Vmax在Pmax点，电池的电压值。Imax在Pmax点，电池的电流值。n器件的转换效率。当太阳能电池连接到某个电路时，这个值等于 被转换的能量（从吸收的太阳光到电能）与被采集的能量的百分比。这个值可以 通过将Pmax除以输入的光辐照度（E，单位是W/m2，在标准测试条件下进行测 量），再乘以太阳能电池的表面积（AC,单位是平方米）计算得到。填充因

13、子（FF）Pmax除以VOC再乘上ISC。电池二极管属性。电池串联电阻。电池旁路电阻（或并联电阻）。常见解决方案现在，太阳能电池测试解决方案主要有两种形式：完整的交钥匙系统和通用的测 试仪器。如果需要在太阳能电池最大输出功率时进行测试，许多研究实验室都具备低功耗 四象限电源（有时也称为SMU），并具有以下功能：提供精确的正电压和负电压（“提供”也可称为“施加”）。提供精确的正向和反向电流（提供反向电流也被称为电流流入到电源 中）。精确地测量待测器件（DUT）的电压和电流（测量也被称为检测）。大多数高精度四象限电源都只能提供3A的电流或20W的连续功率。在测试较小的单个电池时，这些最大电流和功率

14、是可接受的，但是随着电池技术 向更高的效率、更大的电流密度和更大的电池尺寸推进，电池的功率输出将很快 会超出这些四象限电源的最大额定值。太阳能模组的输出通常会超过50W，而且 可能会爬升至300W或更高，这意味着许多针对模组的测试都无法使用四象限电 源来完成。在这些情况下，工程师应当借助于现成的电子负载、直流电源、DMM和数据采集 设备，包括温度测量、扫描、转换和数据记录设备，以便在宽泛的操作范围内灵 活地进行独特的测试，并且达到预期的测试精度。例如，可以使用数据采集系统 来扫描环境和待测器件的温度，已校准的参考电池的电压，以及在测试中需要捕 获的各种其他测试参数。户外测试有些工程师会使用交钥

15、匙的太阳能电池测试设备来进行测试，这种设备采用一种 太阳能模拟器，这是一种标准化的光源，可用于控制进入太阳能电池的光能。不 过，如果太阳能电池或模组非常大，太阳能模拟器将无法产生充足的光。例如，被测的太阳能模组可能是大型户外太阳能采集系统的一部分。在这种情况 下，太阳本身将是测试中唯一实际可用的光源。既然在户外实际上不可能运输一 套无太阳能模拟器的完整的交钥匙测试系统，所以这种测试就需要使用由标准测 试仪器改进而成的某些其他测试解决方案来执行。户外测试需要考虑的另一项因素是温度。因为电池的性能会受到温度的影响，因 此需要在测试中监视温度。不仅电池性能依赖于温度，而且测试设备的性能也依 赖于温度

16、。许多仪器供应商没有指明他们的测试设备在温度处于室温附近极窄范围（如 25C5C ）之外时的性能。其他供应商则提供了一项温度系数规格，能够调整 测试设备的精度规范，以针对工作在其指定工作温度范围之外进行校正。适用于更高功率测试的负载对于大功率应用，标准的电子负载可用于测试太阳能电池。许多工程师不会想到 使用电子负载来测试太阳能电池，因为他们习惯于使用交钥匙系统或四象限电 源。考虑到太阳能电池会产生能量，当使用四象限电源对它进行测试时，电源的实际工作模式是： 太阳能电池在电源的端子上施加一个正电压。同时，电流从太阳能电池流入四象限电源的端 子，这意味着四象限电源看到的是反向电流（就其端子而言）。

17、在这些条件下，也可以称四 象限电源是“电源沉”。从电学上讲，两端加有正电压并有电流流入（也就是反向电流）的仪器被称为电 子负载。因此，对于大多数有光照射并且太阳能电池也产生能量的太阳能电池测 试而言，四象限电源实际上发挥着电子负载的作用。使用电子负载的优势在于这种负载可用在各种电流和功率水平。使用额定50W 或高达数千瓦特和数百安培的电子负载，可以轻松克服四象限电源带来的3A， 20W的限制。电子负载可在恒压模式下工作，也称为CV模式。在CV模式下，负载可以通过调 节流经自己的电流，从而调整它两端的电压，以保持恒定的电压值。因此，CV 模式可用于创建电压扫描，使用负载来控制太阳能电池输出端的电

18、压，然后测量 产生的电流（如图2所示）。图2可以使用电子负载的3模式来测量太阳能电池的-V曲线有些负载（如Agilent N3300系列）可以快速地执行一系列CV定位点，以便在 CV模式下扫描输出电压，从而快速地描绘出I-V曲线。同时，负载可以将从太 阳能电池流出到负载内的电流波形数字化，类似于捕获示波器曲线。PV需要精确的电流测量2010年12月03日来源：EDN 责任编辑：doeboy光伏用逆变器最新的动向是多串技术：把系列相连的太阳能电池组成的多个串连 接到单个逆变器上，其中每块电池都有自己的最大功率点跟踪（MPPT）装置，从 而最大限度地产生能量。太阳能电池是不易使用的电源。电池是开路

19、，输出的额 定电压约0.6V:通常每个太阳能电池板最多有72块电池，形成44伏的开路。 短路电池可以输出一定水平的电流。在这些极限之间的一个点上，电池将在一定 电压和电流下输出最大功率。这个最大功率点随运行条件（如投射的太阳辐射水 平）变化，因此逆变器必须跟踪这个点以保持最高效率。设计人员依靠瞬时采集 数据的电压和电流传感器，通过软件运算法则做到这一点。逆变器的输出电流一般在15A50A，通过传感器测量到脉宽调制（PWM）正弦波 控制器的反馈输出，测量进入电网的电量。控制器主要基于微处理器或数字信号 处理器，这些处理器备有+5V电源，与电子控制系统的其他有功组件共用工作电 压基准。LEM的HM

20、S电流传感器使用+5V电源运行。通过单独的管脚提供内部基 准电压（2.5V），使它们易于和DSP或微处理器一同使用。但是，它们也能承受 这些DSP的外部基准（1.5V2.8V之间），从中生成自己的基准。这使整个应用 更加高效，有利于在计算误差时消除基准漂移。太阳能电池板采用的逆变器通过变压器或者使用直连式无变压器设计接入电网。 根据布局情况，前一种方法可在电网接入点使用工频变压器，或者使用高频变压 器作为逆变器电路内部的隔离点。基于低频变压器的电路提供内在的保护，能够 防止直流电注入交流电网，但变压器本身的损耗会造成效率损失。由于IGBT交 换不够精确等原因，逆变器的交流输出可能有直流成分;逆

21、变器控制回路中采用 的电流传感器的直流偏移本身显示为输出电路的直流成分，因此偏移应当尽量减 小。电网可接受的直流供电受到非常严格的限制;设计人员面临的问题不仅是这 些限制在各国存在差异，而且有的以额定电流百分比表示（如0.5%），有的以 低至20 mA （英国标准）的绝对限值表示。所有情况下，都需要测量很大的交流 电流中的很小的直流电流，同时需要有最小的偏移和漂移。另一个安全问题是对地漏电。无变压器的配置下，任何情况下太阳能电池板漏电 容或人体阻抗都有接地通路。需要采用剩余电流装置（RCD）探测不安全的入地 电流，或者再次采用适当规格的电流传感器，把RCD功能嵌入逆变器设计。通过 这种方法，系统能在标准规定的公认的不同