隨機性對光伏發電光電轉化率的影響

劉圣君，豐 海

（廈門城市職業學院，福建 廈門 361008）

1 引言

隨著煤、石油、天然氣等常規能源的日益枯竭和氣候變化等環境壓力的日益增大，人們將目光轉向了能為我們提供清潔能源的太陽.諾貝爾獎得主Smalley在華盛頓召開的一次學術會議上列出了在今后的50年中人類面臨最大的十個問題,其中能源和環境問題都在里面,并且能源問題居于榜首[1]8.占地球總能量99%以上的太陽能,可以說是取之不盡,用之不竭,而且更重要的是其潔凈無污,因而日益成為綠色能源的首選[2]1,[3]4.歐美等發達國家在90年代初就大力發展光伏產業，日本在今年的福島核電站事故后，更是大力應用太陽能光伏發電.我國在十二五規劃中也強調了大力發展光伏產業，推廣應用太陽能光伏發電.

太陽能光伏發電的原理簡單地說就是在光照下，具有特殊電性能的n型半導體和p型半導體內能產生自由移動的電荷并形成內電場，這些自由電荷在內電場的作用下定向移動并積累，從而在其兩端形成穩定的電動勢，將其兩端閉合便產生電流.太陽能光伏發電的基本流程如下：

由太陽能電池陣列出來的是直流電，若負載是交流設備，我們需用逆變器把直流電轉換為交流電，若發的電用不完，我們用蓄電池把多余的電能儲存起來供陰雨天使用.其中的中央控制器是用來控制對蓄電池的充放電和逆變的控制，為了防止過充或過放電進而保護蓄電池.然而，如何提高太陽能光伏發電的光電轉換率一直是業界科學家們研究的重要課題.影響太陽能光伏發電的光電轉換率的因素有很多，太陽能電池板制作的工藝和材料等光伏系統內在的問題，以及光伏發電廠所處的緯度，光伏組件的安裝傾角，環境的溫度、濕度、季節的變化、陰晴度等都對光電轉換率有重要的影響.本文通過一個具體的模型，闡述了光伏發電系統內部及外部一些環境的隨機性對太陽能光伏發電的光電轉換率的影響，并給出具體算法的程序和計算結果.

2 模型和算法

我們的模型把影響光伏發電系統光電轉化率的因素分為兩大類，光伏發電系統內部的隨機性和外部環境的隨機性.由于溫度和濕度等因素的變化會影響光伏發電系統的光電轉化率，其變化對光電轉化率的影響有一定的延遲性，因此，在我們的模型引中引入了兩個時間延遲，分別是濕度和溫度變化的延遲時間.模型的方程式如下：

其中，x(t)是照射到光伏組件上的太陽輻射能量；s(t)是通過逆變器輸出的電流；在光電轉化過程中考慮到兩個延遲時間 τ1和 τ2，τ1和 τ2分別是濕度和溫度變化的延遲時間.ξ是各種環境因素相互作用的強度；D 1是溫度和濕度等環境因素對光電轉化效率的影響；D 2是系統內部因素對光電轉化效率的影響，通過影響材料對太陽光的吸收能力和電荷載流子的遷移率來影響光電轉化率,t是時間，A,B,C是常數.

模擬計算的算法程序如下：

計算結果如下圖：

圖1 光伏系統外部的隨機性對功率的影響

圖2 光伏系統內部的隨機性對功率的影響

圖1和圖2分別表明了光伏系統外部的隨機因素和內部的隨機性對光電轉換率的影響.由圖可知，溫度和濕度對光伏系統光電轉換率的影響相對較大，光伏系統外部的隨機性對光電轉化率的影響是主要的.因為在不同溫度下,光伏電池的禁帶寬度、開路電壓、輸出功率和效率的變化都不同，對于晶體硅材料而言，半導體硅的能帶結構和能隙寬度與硅的原子間距有關,當溫度升高時,半導體原子平均動能增加,因而，電子被激發到導帶所需的能量減少.但光伏系統內部的隨機性也不能忽略，當隨機因數調整到合適時，可以得到較大的功率.因此我們可以通過各種物理摻雜來影響光伏系統內部的隨機性,進而改善材料對太陽光的吸收能力和電荷載流子的遷移率，最終提高光電轉化率.此外，還要考慮到電池板制作的工藝和材料等問題導致電池板內部存在漏電,如電池板表面有污點而產生的沿著電池邊緣的表面漏電流；沿著位錯微觀裂紋和晶體缺陷等形成的細小橋路而產生的漏電流等.我們可以從熱力學觀點來分析光伏系統內部的隨機性以及環境等因素對光電轉化率的影響,光電轉換中電子從低能帶躍遷到高能帶,要滿足兩個條件:一是入射光子的能量要大于材料的禁帶寬度;二是入射光子的能量中所含的有效能要大于電子躍遷所需的有效能.

3 小結

本文建立了一個具體的模型來描述光伏發電的光電轉換率，此模型把影響光電轉換率的隨機因素分為兩類，光伏系統內部的隨機因素和周圍環境的隨機因素.并考慮了溫度和濕度變化影響光電轉換率的延遲性，引入了兩個時間延遲.此外，還考慮了各種隨機因素的相互作用.本文給出了具體的隨機模擬算法的程序，最后得出了影響光電轉化率的定性和定量的結果.溫度和濕度對光伏系統光電轉換率的影響相對較大，光伏系統內部的隨機性對光電轉化率的影響也是不能忽略的.我們考慮隨機性時只是很粗略地劃分，若能把光伏系統內部的隨機性進一步細化，通過調整各個影響因子的大小，則能為提高光電轉化率奠定一個堅實的理論基礎.此模型和算法經進一步修正還可應用于更多實際的隨機系統.

〔1〕MichaelGratzel.Chemistry Letters[J].2005(34):8-20.

〔2〕Hang Chun hui,Li Fu you,Huang Yan yi.Ultrathin Films for Optics and Electronics[M].Beijing:Peking University Press,2001.

〔3〕LeiYongquan.New EnergyMaterials[M].Tianjin:Tian jin University Press,2000.