光伏發(fā)電效率影響因素研究進(jìn)展及前景展望

許偉濱 陳秋宇 劉佳坤 劉泓浩 關(guān)小龍

（1. 廣東海洋大學(xué) 2. 廣東工業(yè)大學(xué)）

0 引言

開發(fā)和利用新能源替代傳統(tǒng)的化石能源是緩解化石能源匱乏和環(huán)境污染等問題的有效方式[1-2]。太陽能光電系統(tǒng)是一種安全、可靠、無污染、不需要任何能源的系統(tǒng)，是未來太陽能利用的重點研究領(lǐng)域[3]。中國已向世界確保，到2030 年二氧化碳的排放量達(dá)到最大值，可再生能源占總能源消耗總量的20%[4]。所以研究和發(fā)展新能源是促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的一項關(guān)鍵措施。太陽能的清潔、高效率、可持續(xù)發(fā)展等的突出優(yōu)勢，是構(gòu)建潔凈低碳安全高效能源體系和實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的關(guān)鍵。

為促進(jìn)光伏發(fā)電的發(fā)展，并助力“雙碳”目標(biāo)的達(dá)成，肖佳等[4]人對光伏發(fā)電行業(yè)進(jìn)行系統(tǒng)研究。結(jié)果表明，光伏發(fā)電將成為新能源發(fā)電技術(shù)的主要選擇；光伏組件回收處理技術(shù)有待提高，研發(fā)高質(zhì)量低成本光伏組件、提高光伏組件的生產(chǎn)技術(shù)水平，是當(dāng)前我國光伏發(fā)電的主要目標(biāo)[5]。因此，本文分析總結(jié)影響太陽能光伏發(fā)電效率的因素，研究國內(nèi)外光伏發(fā)電的現(xiàn)狀，接著從光伏板自身、太陽能電池材料等方面分析我國光伏發(fā)電效率低的主要因素，并且結(jié)合我國新能源的政策，對光伏發(fā)電需要解決的問題進(jìn)行相應(yīng)的分析和總結(jié)，最后提出光伏發(fā)電發(fā)展的挑戰(zhàn)和展望。

1 光伏發(fā)電國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 全球光伏發(fā)電現(xiàn)狀

在“碳中和”目標(biāo)的背景下，全球光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速和全球使用量持續(xù)增加。根據(jù)目前全球的發(fā)展?fàn)顩r，可以推測光伏發(fā)電的需求量將持續(xù)增加。雖然2019 年受疫情影響，但是近年來全球裝機總量仍然持續(xù)上升。中國光電產(chǎn)業(yè)協(xié)會表示，全球太陽能發(fā)電量在2021 年能夠達(dá)到170GW。SEIA 的數(shù)據(jù)顯示，中國、美國、印度、歐盟光伏裝機量表現(xiàn)突出。其中，中國光伏裝機量為54.88GW，歐盟光伏裝機容量為25.9GW，美國的裝機容量為23.6GW，印度裝機11.89GW。

歐洲光伏產(chǎn)業(yè)協(xié)會發(fā)布的2022 年度光伏進(jìn)展調(diào)查報告顯示，歐盟在2022 年太陽能發(fā)電系統(tǒng)的裝機容量達(dá)到41.4GW，比2021 年的28.1GW 增長47%，說明在未來一年內(nèi)，歐盟的太陽能裝置將會新增25%的裝機容量達(dá)到208GW。

面對日益加劇的能源危機，歐盟安裝光伏系統(tǒng)裝機容量的巨大增長是在脫碳道路上邁出的堅實一步。德國是表現(xiàn)最為突出的成員國，今年安裝了7.9GW的光伏系統(tǒng)，緊隨其后的是西班牙（7.5GW）、波蘭（4.9GW）、荷蘭（4GW）和法國（2.7GW）。

1.2 我國光伏行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

國家能源局在2022 年3 月9 日發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示[6]，2021 年中國增加了5300 萬kW 的風(fēng)力發(fā)電量，是世界上連續(xù)九年發(fā)電量最大的國家。根據(jù)2021 年底統(tǒng)計，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的總裝機容量達(dá)到3.06108億kW，連續(xù)七年居全球首位[7-8]。從新增裝機量來看，裝機量占比較高的地區(qū)為華中、華東和華北地區(qū)，分別占全國新增裝機量的15%、19%和39%。

在“十四五”規(guī)劃中，第一年光伏發(fā)電建設(shè)取得多項新突破。一是分布式光伏發(fā)電已突破1 億kW，約為光伏并網(wǎng)裝機容量的1/3。其次，在新增裝機中，分布式光伏發(fā)電首次占新增裝機總量的50%。此外，新增分布式光伏中，戶用電量首次突破1000萬kW。第二年就超過2000 萬kW，太陽能已成為該國“碳峰值和碳中和”的主要驅(qū)動力。

2 影響光伏發(fā)電的主要因素

研究表明，目前的光伏發(fā)電的效率在15%～20%的范圍內(nèi)，而市面上最有效的光伏組件效率略高于22%。眾多研究者都專注于如何提高光伏發(fā)電的效率，如提高硅的精度，以及采用機器學(xué)習(xí)進(jìn)行光伏最大效率點的追蹤以及預(yù)測等等。盡管如此，光伏發(fā)電還是受到各種因素的影響。因此，對光伏發(fā)電影響因素進(jìn)行研究和分析是必要的。影響因素主要有環(huán)境溫度、太陽高度角、太陽能光伏組件等。

2.1 環(huán)境溫度

在現(xiàn)有的研究中，由于晴天持續(xù)的高照射，太陽能電池在高功率狀態(tài)下連續(xù)運行，其蓄熱會導(dǎo)致組件的溫度隨時間增加。王婧怡等[9]根據(jù)太陽能屋頂太陽能電站的實際觀測資料，證實由于日照累積而引起的組件溫度隨著時間的推移而增加，將會對發(fā)電效率造成不利的影響。然后，將時間作為一種新的影響因子，建立一種更為精確的多風(fēng)系統(tǒng)的電力系統(tǒng)模型。由于太陽光的近紅外光引起了光伏組件的溫度升高，從而影響組件的發(fā)電效率。王平等[10]通過研究表明，采用自制的納米氧化錫銻透明絕緣薄膜涂層，可有效降低組件的工作溫度。

2.2 太陽高度角

太陽高度角度是太陽能光電陣列的傾斜角度，它可以通過方位來采集太陽能的能量。根據(jù)太陽照射的角度，光伏陣列的放置方法可分為固定式和跟蹤式[11]。跟蹤型為旋轉(zhuǎn)光伏支架，具有可跟蹤的太陽高度角。光伏組件安裝在支架上，使光伏組件能夠時刻最大限度地獲得垂直的陽光，接收更多的陽光。由于各個地方的太陽能高度和方位角都不同，因此在建造光伏電站時，需要考慮組件在電站地理范圍上的最佳安裝傾角。

馬春蘭等[12]通過分析得出，當(dāng)太陽傾角為37°時，接受輻射量最大以及光伏發(fā)電效率最好。向征等人[13]總結(jié)發(fā)電效率較低的現(xiàn)象。為了實現(xiàn)能耗精確預(yù)測，提出一種基于并網(wǎng)太陽能光伏/電池系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)供電低功耗策略和一種啟發(fā)式負(fù)載均衡算法和資源塊分配技術(shù)，以優(yōu)化太陽能的利用，最終發(fā)電效率高達(dá)54.8%，實現(xiàn)光伏發(fā)電效率的提高。

2.3 遮擋損耗

張琳等人[14]在2022 年指出，光伏組件的發(fā)電量與灰塵密度、遮擋情況相關(guān)聯(lián)，灰塵密度大或存在較大面積的遮擋，則會嚴(yán)重影響集中式光伏電站的發(fā)電效率。除此之外，降落到光伏組件上的灰塵或樹葉等遮擋物，在光伏組件上形成了陰影，導(dǎo)致組件的局部傳熱形式發(fā)生改變，光伏組件在長時間的陽光照射下，受遮擋部分組件無法工作，使得被遮擋部分溫升遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于組件其他部分，如不及時清理可能會在組件上形成熱斑，從而極大地影響到光伏組件的實際使用壽命。

2.4 太陽能光伏組件特性

光伏組件的特性和質(zhì)量由太陽能電池的材料決定，材料的質(zhì)量直接影響光伏組件的效率。太陽能電池的原材料是半導(dǎo)體，太陽能電池分為硅電池、無機鹽電池等。目前硅光伏電池已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。硅光電池是一種以單晶和多晶為主體的晶體結(jié)構(gòu)，占世界總產(chǎn)能的90%。單晶硅、多晶硅已被廣泛使用，但是單晶硅由于昂貴的價格，因此目前多晶硅太陽能電池是大多數(shù)光伏發(fā)電的首選。光伏組件自身的質(zhì)量會影響發(fā)電效率。高建喜指出[12]，影響光伏發(fā)電效率的因素包含光伏板自身問題，太陽能電池板在出廠之前都會進(jìn)行嚴(yán)格的檢查，但也有可能出現(xiàn)一些問題，比如內(nèi)部裂紋、硅片之間的斷裂。

2.5 逆變器效率

光伏發(fā)電系統(tǒng)的逆變器作用是將光伏顯示器的直流電轉(zhuǎn)換為交流電進(jìn)行輸出。張佳平等人[8]分析光伏影響因素時指出，在選擇逆變器時，要選擇與光伏電站建設(shè)能力相匹配的逆變器。通常逆變器的轉(zhuǎn)換效率與發(fā)電成本成反比。因此，高效逆變器是光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。尚華[3]分析最大功率峰值跟蹤對效率影響時，提出了采用最大功率追蹤運算裝置與顯示裝置相連接，以達(dá)到最大能量傳輸。張琳等[14]提出，逆變器加權(quán)效率已經(jīng)接近97%，但是存在跟蹤滯后性，導(dǎo)致有部分能量仍然會損失。

3 光伏發(fā)電前景與展望

太陽能光伏是一種新型的發(fā)展方式。并網(wǎng)發(fā)電相對匱乏，將光伏發(fā)電與生活實際聯(lián)系起來，做到“光伏+”，從而更大化地利用太陽能。吳福保研究了并網(wǎng)發(fā)電[16]，提出目前光伏系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，即以并網(wǎng)為核心。太陽能發(fā)電系統(tǒng)將太陽能電池陣列置于建筑物的頂部或其他外圍，從而為使用者提供電力，減少電力供應(yīng)。作者認(rèn)為，有必要研制一套儲能式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，來有效地降低電網(wǎng)的電力需求。采用最大功率追蹤與并網(wǎng)逆變技術(shù)，利用太陽能光伏發(fā)電，將太陽能電池的電能儲存到蓄電池中，從而提高發(fā)電的效率。在光伏并網(wǎng)發(fā)電漸漸普及之后，效率決定發(fā)電量，而太陽能電池陣列所能獲得的輻射強度是最直接的影響因素。當(dāng)安裝位置確定后，需要考慮地理緯度、海拔等因素，這時的太陽能發(fā)電功率主要取決于組件的溫度和方位。因此，提高太陽能電池陣列能夠俘獲最大輻射量的方法是在光照跟蹤方面加大力度。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文從理論方面對太陽能光電系統(tǒng)的影響進(jìn)行系統(tǒng)的總結(jié)。由以上結(jié)果可知，環(huán)境溫度、太陽高度角、遮擋損耗、太陽能光伏組件特性、逆變器效率等因素均會直接或間接地影響光伏系統(tǒng)的效能。