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太阳电池组件的实际发电效率的探究

`清洁能源网   2012 年 06 月 26 日 16:16   来源:清洁能源网

  导语:太阳能利用是解决能源危机和环境问题的必由之路,各国对太阳能的利用越来越重视。光伏发电是太阳能利用发展最迅猛的领域,据不完全统计,目前全世界范围内光伏发电系统的装机容量已超过40GWp,而且在持续高速增长。

  太阳能利用是解决能源危机和环境问题的必由之路,各国对太阳能的利用越来越重视。光伏发电是太阳能利用发展最迅猛的领域,据不完全统计,目前全世界范围内光伏发电系统的装机容量已超过40GWp,而且在持续高速增长。

  随着技术成熟和成本降低,光伏发电产业已经步入商业阶段,这是毋庸置疑的。但是对已建成的光伏电站的发电能力的跟踪和评价,这对于电站的运营维护和技术发展,同时对于促进光伏产业的发展具有重要的意义。

  太阳电池组件是光伏电站中实现光电转换的核心元件,目前用来衡量太阳电池组件性能优劣的重要指标就是效率,通常太阳电池的效率指的是标准条件下的组件的效率,标准条件具体是指:温度25℃,光谱分布AM1.5,辐照强度是1000W/m2,组件的标称功率也是在标准条件下的测试结果。但是在光伏电站现场实际的光照和温度条件很难达到标准条件,这就会造成组件实际功率与标称功率不符,考虑到光照和温度条件在连续变化,组件的标称功率不能直观地体现组件的实际发电能力。根据随机抽测的统计数据,不同厂家的标称功率的组件在实际使用中的发电量会差别很大,对于组件的实际发电能力,需要综合考虑温度、光强和光谱影响。

  1、温度对组件功率的影响

  像所有其它半导体器件一样,太阳能电池对温度非常敏感。温度的升高会降低硅材料的禁带宽度,因此影响了大多数的表征材料性能的参数,进而影响了组件的电性能参数,会导致组件的开路电压降低,短路电流会略微增加,总体的结果是功率降低。对于电压来说,在20~100℃范围,大约每升高1℃每片电池的电压减小2mV,而对于电流,:大约每升高1℃每片电池的光电流增加0.03mA/℃?cm2,综合结果是导致功率下降,温度升高太阳电池的功率下降,组件功率的特征温度系数为-0.35%/℃。

图1 不同温度组件的I-V曲线

  2、光强对组件功率的影响

  太阳电池本质上就是一个大面积的PN结,在光照条件下,由于光生伏特效应在电池两端产生光电压,这与PN结外加正偏压一样。当受到光照的太阳电池接上负载时,光生电流流经负载,并在负载两端产生端压,这时可以用图2所示的等效电路来描述太阳电池的工作情况。图2中把太阳电池看成稳定产生光电流IL的电流源,与之并联的有一个处于正偏压下的二极管及一个并联电路Rsh。

图2 太阳电池等效电路图

  光照条件的太阳电池被短路时,PN结处于零偏压,这是短路电流等于光生电流,正比于入射光强,即 ,当太阳电池开路时,若不考虑串并联电阻的影响,开路电压与短路电流的关系为: ,其中n是二极管的品质因子,k是波尔兹曼常熟,T是开尔文温度,q是电子电量,Io是二极管的反向饱和电流。当入射光强变为原来的X倍时,由于电池的短路电流大小与光的强度成线性关系,因此在X倍光强下的电池短路电流变成原来的X倍,这种改变并没有带来转换效率的变化,因为入射功率也随光强呈线性变化,而开路电压与短路电流呈对数关系,如下面式子所示:

  由此可知VOC随着光强变大呈对数形式变大,当X小于1,即光强变弱时,开路电压会减小,这会导致组件效率降低。表1列出了国内三个组件厂家在第三方实验室进行不同辐照强度下的效率测试结果,可以看到在辐照强度小于400W/m2时,组件的效率明显的变小,测试结果与理论分析一致。因此在考虑组件的实际发电能力时,光强的影响是必须要考虑的因素。

表1 不同辐照强度下组件的效率

  3、光谱的影响

  太阳辐射光谱的主要波长范围为0.15-0.4μm,虽然太阳辐射的波长范围很宽,但是绝大部分能力却集中在0.22-0.4μm的波段内,占总能量的99%,其中可见光波段约占43%,红外波段约占48.3%,紫外波段约占8.7%。对于太阳电池,不同波长光子的量子效率是不一样的,所谓“量子效率”,即太阳能电池所收集的载流子的数量与入射光子的数量的比例。对于晶硅太阳电池,紫外波段和红外波段的量子效率明显低于可见光波段的量子效率。

  标准测试条件下光谱是AM1.5,即大气质量1.5下的光谱,也是地球表面的标准光谱。大气质量被定义为光穿过大气的路径长度,长度最短时的路径(即当太阳处在头顶正上方时)规定为“一个标准大气质量”。“大气质量”量化了太阳辐射穿过大气层时被空气和尘埃吸收后的衰减程度。大气质量由下式给出:

  ,式中θ表示太阳光线与垂直线的夹角,当太阳处在头顶时,大气质量为1。

图3  AM1.0和AM1.5的光谱(蓝色和红色曲线分别为1.5和0大气质量时的辐射强度,绿色曲线代表温度为6000k黑体的辐射强度)

  地球大气层外的标准光谱称为AM0,因为光没有穿过任何大气。AM1.5D的辐射强度近似于减少28%能量后的AM0光谱的光谱强度(18%被吸收,10%被散射)。AM1.0和AM1.5的光谱如图3所示。从上面的计算可得AM1.5G的值近似为970W/m2。然而,由于整数计算比较方便以及入射太阳光存在固有的变化,人们规范了标准的AM1.5G光谱值为1KW/m2。

  通过以上分析,大气质量决定了太阳辐射的光强和光谱,对于光伏电站,太阳时刻不停的运转,高度角时刻变化,太阳辐射对应的大气质量也在变化,则太阳辐射的光谱也是时刻变化,这对组件的实际发电能力会产生很大的影响。

  四、组件综合效率的概念

  温度、太阳辐射强度和光谱是影响组件效率的三个重要因素,目前组件标称功率是在标准测试条件下的功率,不能直观反应组件的实际发电能力。为了更加切实的评估组件在应用中的实际发电效率,应该在不同温度、光强和光谱的测试条件,测试多个效率,对各个效率进行加权平均,定义为组件的综合效率,即 ,综合效率为评估组件的实际发电效率提供更准确的依据。

  五、总结

  本文分析了温度、光谱和光强对组件效率的影响,为了直观的反应组件的实际发电能力,提出了组件的综合效率的定义,应该有针对性得完善相关标准,使光伏产品和市场得为更加规范化,更好得推动光伏产业的发展。

> 关键词:太阳电池组件  发电效率    




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