氣象條件對光伏電站發(fā)電量的影響

摘要：文章論述了太陽輻照度、光譜、環(huán)境溫度等氣象條件對光伏電站發(fā)電量的影響，分別從光伏組件的輸出功率、蓄電池的充放電效率、MPPT控制器的匹配效率三個(gè)方面進(jìn)行敘述。

關(guān)鍵詞：太陽輻照度；光伏電站；發(fā)電量；輸出功率；溫度；蓄電池；MPPT

中圖分類號：TM619 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）05-0120-02

太陽能作為新能源，因其清潔環(huán)保和可再生的特點(diǎn)，迎來了蓬勃發(fā)展的機(jī)會(huì)。作為太陽能大規(guī)模運(yùn)用的光伏電站，在光伏板規(guī)模固定的情況下，如何提高發(fā)電量已經(jīng)成為了光伏行業(yè)的一個(gè)研究課題，以下將列舉數(shù)種對光伏電站發(fā)電量造成影響的因素。

1 光伏組件的輸出功率

光伏組件的發(fā)電量與太陽輻照強(qiáng)度、光譜和自身溫度等因素有關(guān)，而光伏組件溫度與環(huán)境溫度、太陽輻照強(qiáng)度和光伏電池結(jié)構(gòu)有關(guān)，也與流過光伏組件的風(fēng)速等因素有關(guān)。

據(jù)J.A.del.Cueto等人的研究：在2000和2001年連續(xù)兩年對北緯40°室外安裝的14種平板式太陽電池組件的輸出功率和能量特性進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)單晶硅、多晶硅和銅銦硒電池組件性能隨季節(jié)波動(dòng)，其輸出功率和有效效率在冬天變大，而夏天則相反，季節(jié)氣溫變化則太陽電池效率發(fā)生波動(dòng)。而David L.King等對光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量的季節(jié)性變化及其影響因素所做的分析結(jié)論與J.A.del.Cueto類似，同時(shí)他認(rèn)為冬季光伏組件能量輸出較夏季大，與大氣質(zhì)量有關(guān)。

我國大部分地區(qū)的太陽輻照強(qiáng)度，每天的變化范圍是0～1100W/m2，光譜從AM∞變到AM1，環(huán)境溫度從最低的日出溫度變到最高的中午溫度再下降。光伏組件的溫度隨之不斷變化，其發(fā)電量也發(fā)生規(guī)律性的變化。利用光伏電池特性進(jìn)行深入研究可發(fā)現(xiàn)，光伏組件的輸出電量不隨太陽輻照強(qiáng)度的加大而上升，是與光伏電池的雜質(zhì)濃度和反射系數(shù)有關(guān)的，由于太陽輻照強(qiáng)度加大而引起的溫度上升，導(dǎo)致了不同構(gòu)造的電池有不同的溫升以及不同的效率下降。光伏組件的測試標(biāo)準(zhǔn)是，處于輻照強(qiáng)度1000W/m2、組件溫度25℃的條件下。由于光伏組件一般是負(fù)溫度系統(tǒng)，而硅基光伏組件溫度系數(shù)大約為-0.47%。如果光伏組件溫度達(dá)到60℃，輸出功率由于有35℃的溫差，可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)電量降低17.5%左右。由此可估算出，在我國夏季的時(shí)候，一般太陽電池的輸出功率將比標(biāo)準(zhǔn)狀況低10%以上，效率絕對值下降2%左右。在通風(fēng)不良的情況下，輸出功率的下降可能高達(dá)30%以上，效率絕對值下降達(dá)3%～4%。這對于效率在10%～14%之間的光伏組件來說，影響絕對是巨大的。

2 蓄電池的充放電效率

獨(dú)立運(yùn)行的光伏電站中，其中一個(gè)關(guān)鍵的系統(tǒng)是儲(chǔ)能裝置，目前的主流配置是鉛酸蓄電池。鉛酸蓄電池受溫度影響比較大，在保障蓄電池性能的前提下，無論在浮充狀態(tài)或在循環(huán)狀態(tài)下運(yùn)行，都需要隨溫度變化來改變充電電壓，單體電池的溫度補(bǔ)償系數(shù)為-（3～7）mv/℃，通常蓄電池在循環(huán)狀態(tài)使用時(shí)，單體電池的溫度補(bǔ)償系數(shù)可取-4mv/℃；在浮充狀態(tài)使用時(shí)，單體電池溫度補(bǔ)償系數(shù)可取

-315mv/℃；在進(jìn)行均充時(shí)，單體電池溫度補(bǔ)償系數(shù)為-5mv/℃。

而鉛酸蓄電的容量受溫度影響更大，-30℃時(shí)放電容量僅達(dá)到額定容量的30%。蓄電池的浮充壽命隨溫度的變化而變化，基本上是每升高10℃，浮充壽命減少約一半，高溫對蓄電池失水干涸、熱失控、正極板柵腐蝕和變形等都起到加速作用，低溫會(huì)引起負(fù)極鈍化失效，溫度波動(dòng)會(huì)加速鉛酸蓄電池內(nèi)部短路等。跟整個(gè)光伏電站發(fā)電量相關(guān)的，是蓄電池的自放電大小，除與制造材料、存貯時(shí)間有關(guān)外，溫度是影響電池自放電的主要因素，溫度越高，蓄電池自放電率越高，因此，蓄電池要避免在高溫環(huán)境下長期儲(chǔ)存。

3 MPPT控制器的匹配效率

小型的光伏系統(tǒng)通常都不配備MPPT控制器，而是由光伏組件向蓄電池充電或者直接將電能輸出到變流裝置。因此該類型光伏系統(tǒng)中的蓄電池充電曲線都配置在光伏組件的最大功率點(diǎn)附近，屬于直接匹配。鑒于蓄電池的特性，需要將光伏組件的峰值電壓設(shè)置得比蓄電池充電電壓高，特別需要保證溫差較大時(shí)的需求，因此造成真正的工作點(diǎn)與最大功率點(diǎn)有較大的距離。

而光伏電站一般都采用含有MPPT功能的控制器或者變流器，目前的MPPT控制器一般是利用buck或者boost拓?fù)錁?gòu)成的DC/DC模塊來實(shí)現(xiàn)的，常規(guī)的控制器能夠達(dá)到90%的轉(zhuǎn)換效率，高效率的可以達(dá)到95%，但是控制器與光伏組件之間存在系統(tǒng)匹配的問題，由于控制器的規(guī)格不可能匹配所有規(guī)模的光伏組件，那么只有兩者的功率大小相近時(shí)，MPPT控制器的效率才有可能達(dá)到理論上的轉(zhuǎn)換效率。

由于太陽輻照度和溫度變化的影響，必然導(dǎo)致冬夏以及全日溫差較大的地區(qū)，其光伏組件輸出功率會(huì)產(chǎn)生較大的變化。當(dāng)光伏組件輸出功率與MPPT控制器名義設(shè)計(jì)功率相比很小時(shí)，MPPT控制器的效率會(huì)很低。

MPPT的目的是挽回由于溫度的變化而導(dǎo)致的因系統(tǒng)直接匹配造成的效率損失，所以MPPT在全日溫差較大的地區(qū)效果最為明顯。然而MPPT本身的轉(zhuǎn)換效率只有90%左右，在對蓄電池充電的時(shí)候，如果增加的能量不能大于控制器本身損失的能量，MPPT就失去了意義。

4 結(jié)語

在上述影響機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，我們認(rèn)為可以從太陽電池設(shè)計(jì)和安裝的總體出發(fā)，從光和電池的耦合，到電池與環(huán)境的協(xié)調(diào)，太陽電池光熱綜合利用，全方位地進(jìn)行系統(tǒng)性的熱設(shè)計(jì)研究，采取有針對性的措施降低太陽電池對溫度的敏感性或降低電池溫度的變化幅度，全面提高太陽電池的利用效率。

而使光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠按照負(fù)載和蓄電池狀態(tài)變化運(yùn)行于最佳工作狀態(tài)，提高能量轉(zhuǎn)換效率，降低系統(tǒng)運(yùn)行成本是除了使用新型儲(chǔ)能裝置之外的一個(gè)有效手段。

在帶蓄電池的光伏電站中是否選擇采用MPPT控制方式要綜合當(dāng)?shù)厝隁鉁刈兓⒇?fù)載狀況、經(jīng)濟(jì)性以及可靠性等多方面因素考慮。

發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)是我們的必然選擇，太陽能作為新能源和可再生能源，因其清潔環(huán)保、永不衰竭的特點(diǎn)，受到世界各國的青睞。但是太陽輻照量、電池組件的轉(zhuǎn)換率、最大功率跟蹤等問題直接影響著太陽能光伏發(fā)電的效率，所以積極解決影響太陽能光伏效率的問題，對于充分開發(fā)利用太陽能，節(jié)約常規(guī)能源、保護(hù)自然環(huán)境、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展都有著極為重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的歷史意義。

參考文獻(xiàn)

[1] J. A. del. Cueto.Comparison of energy production and performance from flat-plate photovoltaic module technologies deployed at fixed tilt.2002， IEEE：1523-1526.

[2] David L. King， William E.Boyson， and Jay A. Kratochvil.Analysis of Factors Influencing The Annual Energy Production of Photovoltaic System，2002，IEEE：1356-1361.

[3] 史云鵬，王瑩瑩，李培芳.光伏系統(tǒng)中蓄電池充放電方案的探討[J].太陽能學(xué)報(bào)，2005，2（1）：86-89.

[4] 趙爭鳴，劉建政，孫曉瑛，袁立強(qiáng).太陽能光伏發(fā)電及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[5] 吳玉庭，等. 聚光與冷卻條件下常規(guī)太陽電池的特性 [J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2003， 48（8）：1052-1055.

作者簡介：曾鵬飛（1981-），男，廣東人，珠海興業(yè)綠色建筑科技有限公司電氣工程師，研究方向：電力電子。

（責(zé)任編輯：文 森）