光伏系統設計中太陽輻射強度影響的分析

劉 艷

（上海晶芯電力有限公司，上海 200040）

0 引 言

新世紀以來，我國在太陽能利用方面取得了較為理想的研究成果，有效代替了傳統的化石能源，對于緩解我國電耗壓力，促進我國可持續發展具有重要意義。但從目前技術發展情況來看，我國太陽能光伏系統的設計仍存在電池轉換效率低的問題。若想有效提高光伏利用效率，應該保證光伏系統有著科學、合理的設計。這樣一來，才能夠保證光伏系統不受季節變化的影響，始終處于穩定工作狀態，在最大程度上提高光伏利用效率。

1 光伏系統的概念界定

1.1 光伏系統的構成

太陽能光伏系統的設計主要基于半導體效應，借助其中太陽能電池板，能夠實現太陽能向電能的轉化，從而為機械設備、電器提供能源支撐。一般光伏系統由如下四部分組成。（1）太陽能電池板，主要負責太陽能向電能的轉換，并將轉化的電能輸送到儲能裝置當中或者被機械設備、電器直接使用。通常，單體太陽能光伏電池的額定工作電壓都處于0.45～0.5 V，額定工作電流處于20～25 mA/cm2。在實際應用的過程中，需要將諸多單體太陽能電池組成光伏組件，從而保證轉化后的電能方便并網使用。（2）逆變器，主要承擔電流轉換的責任，能夠實現由光伏組件產生的直流電向交流電的轉換。一般來講，逆變器按照并網類型劃分可分為離網型、并網型兩種逆變器；按照輸出波形劃分可分為方波逆變器、正弦波逆變器。（3）儲能裝置，主要負責電能的存儲，能夠將太陽能電池板轉化而來的電能存儲起來，以供機械設備、電器的使用。常見的儲能技術有3 種，分別為鋰離子電池儲能、化學儲能以及飛輪儲能。其中，化學儲能屬于傳統儲能方式，鋰離子電池儲能應用范圍最廣，而飛輪儲能則是目前研究的重點，與前兩種儲能方式相比，其不僅功率更大，并且還有著適應性強、使用壽命長等優勢。（4）控制器，主要負責控制、管理光伏系統，主要由電子元器件、專用處理器、開關功率管以及顯示器所組成。通過太陽能控制器，不僅能夠對光伏系統的工作狀態進行動態監測，并且其還具有調節功率、通信、電氣保護等功能，是太陽能光伏系統當中的重要組成部分[1]。

1.2 光伏系統的工作原理

太陽能光伏系統的實現主要依托于光伏發電原理，即借助半導體界面特有的光生伏特效應，從而實現太陽能向電能的有效轉化。作為太陽能光伏系統的組成元件之一，太陽能電池起著至關重要的作用。太陽能電池通過串聯形成電池組件，在此基礎上配合功率控制器、控制器、逆變器等部件形成了太陽能光伏系統。

從物理學角度來講，太陽能有兩種發電方式，一種是光能轉換為熱能，再由熱能轉換為電能；另一種是由光能直接轉化為電能。

其中，光能轉化熱能再轉化電能的實現方式主要依托太陽輻射當中的熱能進行發電。首先借助集熱器收集太陽能，再將熱能轉化為蒸氣，最后通過驅動汽輪機進行發電。與火力發電技術類似，這種發電技術不僅效率較低，并且需要投入較高的成本[2]。

光能直接轉化為電能的實現方式主要是借助光伏技術，通過太陽能電池直接將接收到的太陽能轉化為電能，這也是實現太陽能光伏系統的關鍵。太陽能電池的工作原理是光生伏特效應，借助這一技術原理，才得以實現太陽能向電能的有效轉化。太陽能電池的核心在于其內部的半導體光電二極管，當太陽能作用于半導體二極管之后，會產生電子-空穴對，受PN 結的影響，所產生的空穴會由N 區向P 區流動，電子會由P區向N區流動，從而在接通電路之后便形成了電流。雖然太陽能電池單體的輸出功率較少，但諸多太陽能單體電池經過串并聯便形成了有著很高輸出功率的光伏組件。現階段，我國在太陽能電池方面的研究已經取得了一定成果，其已經成為未來發展重點研究的新型電源[3]。

2 太陽輻射強度影響分析

2.1 太陽輻射強度存在的影響

太陽能光伏系統設計過程中，通常按照公式（1）實現日輻射量與峰值日照時數之間的轉換，在得出峰值日照時數之后，再結合電池發電功率計算系統發電量。

其中，Tm表示峰值日照時數，單位為h；Ht表示光伏系統日輻射量，單位為J；H—t 表示光伏系統的月平均日輻射量，單位為J。

通過式（1）計算峰值日照時數，無需對太陽的輻射強度進行動態測量，只需要得到光伏系統的日輻射量或者月平均日輻射量即可，這種計算方式更加簡便、快捷，更方便于太陽輻射、發電量兩數之間的轉換。但借助式（1）計算峰值日照時數有一重要前提，即需要保證光伏系統的電池轉換效率恒定不變，不與太陽輻射強度發生關系。但通常情況下，太陽輻射強度對系統的日輻射量有著一定影響，且二者之間屬于非線性關系[4]。這樣一來，若采用式（1）進行計算，所帶入的日輻射量數值與實際數值之間會產生一定誤差，從而影響后續峰值日照時數、光伏系統發電量的計算。

為能夠應對不同太陽輻射強度下光伏電池效率的差值，需借助系數K1、K2。其中，K1表示光伏系統電池的功率系數、K2表示光伏系統的電池效率系數。本次研究按照標準系數計算，即K1為太陽輻射強度在 1 000 W·m-2情況下的電池功率、K2為太陽輻射強度在1 000 W·m-2情況下的電池效率，詳細計算公式如公式（2）、公式（3）所示。

圖1 為光伏系統功率比例系數和效率比例系數。

由圖1 可以看出，光伏系統的功率系數、光伏系統的效率系數與太陽輻射強度之間都具有一定的非線性關系。另外，通過圖1 還可以看出，在太陽輻射強度不超過1 000 W·m-2時，K1的比例系數一直低于100%，表示光伏系統的電池效率在太陽輻射強度未達到1 000 W·m-2之前，一直低于峰值日照情況下的效率。

圖1 光伏系統功率比例系數和效率比例系數

2.2 太陽輻射強度影響實例分析

本次研究以上海市為例，并結合我國的典型氣象年逐時數據進行計算，所選太陽能光伏系統性能如下：短路電流為8.1 A、開路電壓為29.5 V、最佳工作電流為7.4 A、最佳工作電壓為23 V、最大功率為170 W，且所選系統規格為1.31 m×0.99 m[5]。根據Liu、Jordan提出的模型對太陽輻射強度進行計算，詳細數據如表1所示。其中，輻射強度總量為5 989.15 W/m2，組件功率總量為954.22 kW。

表1 各時段太陽輻射強度與組件功率

根據表1 所提供數據，按照式（1）計算可得，Tm= 5 989.15/1 000=5.989 15 h。同時，根據這一峰值日照時數，能夠計算出峰值工作狀態下的光伏系統全天發電量Wm=170 W×5.989 15 h=1 018.15 W·h。另外，由表1 數據顯示能夠得出，光伏系統的全天總發電量W'm為954.22 W·h。那么根據這兩個數據便能夠計算出峰值功率狀態下的系統效率比例系數：

由此可見，若按照逐時計算的方法，上海市地區光伏系統全天實際發電量、發電效率與按照峰值日照時數計算的全天發電量、發電效率差值為6.28%[6]。

本次研究通過Visual Basic 語言進行編程，以上海市地區為例，設太陽能光伏系統的全年傾角為28°、方位角為0°，根據這些條件計算了太陽能光伏系統的輻射強度。另外，還根據100 W·m-2的太陽輻射強度間隔統計了上海市全面的逐時輻射數據，具體情況如表2 所示。

表2 上海市全年輻射強度分布情況

如表2 所示，太陽輻射強度與輻射小時數之間呈反比例關系，輻射強度越大，小時數越少。例如，超過1 000 W·m-2的輻射強度只占據了2.738%。由此可見，上海市全年的絕大多數時間太陽輻射強度都未達到峰值日照條件[7]。

3 結 論

本文主要對基于太陽能電池板、逆變器、控制器以及儲能裝置實現的太陽能光伏系統進行研究，簡單闡述了光伏系統的工作原理。此外，本文還對太陽能光伏系統的設計進行深入分析，分別對不考慮太陽輻射強度、考慮太陽輻射強度兩種不同情況下光伏系統的發電量進行計算。通過深入分析能夠看出，太陽輻射強度對于太陽能光伏系統的設計有著較為顯著的影響，不同太陽輻射強度下，太陽能光伏系統的電池效率有著明顯差異。