光伏電池及光伏發電功率影響因素分析

何志鵬

天津理工大學 電氣工程與自動化學院，天津 300380

0 引言

我國天然氣、石油、煤等能源的儲量較多，但是這些資源均屬于不可再生資源，它們的數量會越來越少。能源的過度使用會破壞人們生存的環境，造成全球變暖以及水源嚴重污染等問題。面對這些不可忽視的挑戰，急需開發出能為人類提供長期可持續發展的新能源。由于太陽光只有在白天才能提取，且光照強度隨著天氣變化有較大的浮動，導致光伏發電的輸出功率存在不穩定性和跳躍性，因此文章對光伏發電功率影響因素進行分析，以提升光伏發電效率。

1 光伏電池

1.1 組成及分類

光伏電池由P型半導體、N型半導體和兩者之間的P-N結等組成。當太陽能照射到電池板時，電池內部的電子開始運動。其中，P型半導體的作用是吸收負電荷，N型半導體是讓電子輸出。在陽光的照射下，大量的電子由N型半導體通過P-N結的連接，傳輸至P型半導體上，從而形成局部電場，即在太陽光照射下電池板所發生的光伏效應。

根據光伏電池的使用情況，可以將其分為兩種[1]：一種用在太空工作站，主要為太空中的一些設備供電，這種光伏電池的安全系數非常高，能夠適應苛刻的太空條件；另一種放置在地面上吸收光能進行發電，包括發電站、路燈、發電板等，能實現較大規模的制造，且使用安全性較高，因此受到廣泛應用。

1.2 光伏電池的數學模型

光伏電池等效電路圖如圖1所示。

圖1 光伏電池等效電路

光伏電池的輸出電流方程為

式中：I為輸出電流；Iph為通過光電轉化效應生成的電流；Id為通過反向二極管的電流；Ish為流過等效并聯電阻Rsh的電流；Rsh為等效并聯電阻；U為輸出電壓；Rs為等效串聯電阻。

設光伏電池在標準測試條件下（S=1 000 W/m2，T=25 ℃）。由于Rs遠小于反向二極管的正向電阻，光伏發電輸出電流Iph約等于流入Rsh的電流，即

式中：Iscr為短路時電流；α為短路時的溫度系數；T為電池板的溫度；Tref為工作情況下的電池板溫度；△T為電池板溫度與工作情況下電池板溫度的差值；I0為二極管飽和電流；k為波爾茲曼系數；q為一個電子所帶的電荷量；Ud為反向二極管兩側之間的電位差；A為二極管因子；Srcf為光伏電池工作情況下的太陽輻照。

2 光伏發電功率的影響因素

2.1 太陽輻照度

因為輸出的電能是由光伏發電系統吸收太陽輻照度而轉化，所以太陽輻照度決定光伏發電系統產生的電量[2]。太陽輻照度通常被認為是預測光伏發電功率的一個重要參數。以國能日新公司所提供的電站1的訓練數據中2017年12月12日的數據為例，當日太陽輻照度和實際功率的關系如圖2所示，可以發現輻照度和實際功率的相關性較強。

圖2 輻照度與實際功率關系圖

2.2 季節

不同季節下的太陽會存在位移、高度、時間上的差異。因為季節的變化影響著太陽輻照度，所以間接影響光伏發電功率[3]。根據國能日新公司提供的電站1中訓練數據，分別 以2016年9月15日、2016年12月15日、2017年3月21日、2017年6月21日作為秋、冬、春、夏的代表進行分析。不同季節中輸出功率的曲線如圖3所示。由此可知，光伏發電功率對季節較為敏感，不同季節的發電功率有明顯的差異。

圖3 不同季節的發電功率關系圖

2.3 溫度

根據國能日新公司所提供的電站1的訓練數據，選取2017年12月12日數據，畫出溫度和實際功率的關系圖如圖4所示。

圖4 溫度與實際功率的關系圖

由圖4可以看出，溫度對光伏發電功率有一定的影響，但是溫度最高的時刻并不一定發電功率最大。這是因為如果周圍的溫度過高，光伏發電設備的輸出電壓會比逆變器的工作電壓更低，從而影響其正常的發電功率[4]。在發電的整個過程中，開路電壓最容易受到溫度的作用，溫度如果升得過高，開路電壓會逐漸減小。開路電壓決定著光伏電池對溫度變化的靈敏性，因此發電設備的輸出功率會有一定的減小。研究表明，溫度過高時，光伏發電設備將光能轉化為電能的效率會顯著降低。因此，安裝發電系統后，吸光面板上的空氣溫度不宜過高。

2.4 其他

光伏電站的實際發電功率還會受到濕度、風速、風向、空氣中灰塵指數等的影響。空氣越潮濕，代表空氣中的水分越多，太陽光經過水汽時會發生反射和折射，進而減弱到達光伏發電設備的光照強度。因此光伏發電裝置吸收的光能有限，轉化成的電能也有限，進一步影響發電效率，即實際功率。此外，風對發電功率的直接影響較小，但是風會帶走大氣層的云朵，從而影響輻照度。相關文獻表明，霧霾、灰塵等會降低太陽輻照度值。

3 結束語

光伏發電具有巨大且穩定的發電量，可以滿足人們生活和生產等方面的諸多需求。文章首先介紹了光伏電池的基本結構以及數學模型，然后分析了實際光伏發電功率影響因素，主要包含太陽輻射度、季節、溫度等。可以基于此制訂發電計劃，充分利用太陽能，輸出更多的電能，從而提升系統的運行效率以及降低電網的運行成本。