不同太阳能光伏发电系统 发电性能的对比研究

随着我国对环保的日益重视，新能源发电作为政府高补贴的行业被投资人竞相追逐。如何提高能源利用效率具有更现实和长远的意义。光伏发电作为理想的清洁能源成为新能源发电中的焦点，大型地面电站建设如雨后春笋。电站建设中光伏发电系统如何设计和选择才能使投资方获得更大的经济效益，是投资方考虑的主要方面。本文通过在同一光伏电站内的不同光伏发电系统的数据实测进行分析比较，给出适宜该地区光伏电站建设的建议。

太阳能光伏发电系统的分类

光伏发电系统也叫太阳能光伏发电系统，是利用太阳能电池片的光生伏打效应，由太阳电池组件和其他辅助设备组成的将太阳能转化为电能的发电系统。光伏发电系统有许多分类方式，依据输电模式可将光伏发电系统分为并网光伏发电系统和离网光伏发电系统；依据应用的分布情况可以将光伏发电系统分为集中式光伏发电系统、分布式光伏发电系统；依据光伏组件类型的不同，还可以将光伏发电系统分为晶硅光伏发电系统、薄膜光伏发电系统、聚光光伏发电系统等；依据光伏支架追光追光的形式不同还可以分为固定式光伏发电系统、跟踪式光伏发电系统。

荒漠气候下不同光伏发电系统发电性能的数据采集与分析不同光伏发电系统的选取。本文选取荒漠地区并网光伏电站中六种不同形式的光伏发电系统作为研究对象，并将其在电站中分为8 个光伏阵列，对应逆变器采集数据。这些阵列中包含晶硅光伏发电系统、薄膜光伏发电系统和聚光光伏发电系统，目的在于对比在同一环境下，不同组件的光伏发电系统的发电性能，以便于确定该地区最适宜的光伏发电系统。另外，光伏支架的选取也对光伏发电系统的发电量有一定影响，为此，我们专门设计了不同类型的光伏支架，以确定同一光伏组件采用不同光伏支架对其发电量的影响。在这六种不同光伏发电系统中，多晶硅、单晶硅和非晶薄膜光伏组件均采用了固定式支架，来对比市场上最常见的光伏组件在本地区的实际发电性能；多晶硅组件采用了固定式、平单轴跟踪、斜单轴跟踪和双轴跟踪等4 种光伏支架，来对比市场上使用最广的多晶硅组件在不同光伏支架上的实际发电性能。

荒漠气候下不同光伏发电系统发电性能的数据分析

不同支架的光伏发电系统受太阳辐照度的影响不同。从图1、图2 可以看出，在全天的不同时段，由于太阳能辐照度的变化，不同光伏发电系统发电量也产生变化，但支架为固定式的多晶硅和薄膜光伏发电系统基本都呈现为抛物线式的曲线，而跟踪式的光伏发电系统则在9 时至17 时呈现较为平均的发电状态，说明太阳能辐照度对固定式的光伏发电系统影响较大，而跟踪式的光伏发电系统则由于其本身的追光性能，在更多的时间保持较高的发电量。证明跟踪式光伏发电系统对发电量的提升有较大的作用，双轴跟踪式的光伏发电系统的发电量最大，平单轴支架的光伏发电系统次之，斜单轴支架的光伏发电系统最低。固定式支架的多晶硅光伏发电系统比双轴跟踪的光伏发电系统平均低25.3% 的发电量，比平单轴跟踪的光伏发电系统低24%，比斜单轴跟踪的光伏发电系统低9.9%。从后期的维护来看，双轴跟踪的光伏发电系统维护量大，且荒漠地区一般风沙较大，造成双轴跟踪支架的故障率较高，且建设成本高，因此并不是最适宜的支架。而单轴跟踪支架的多晶硅光伏发电系统相对较为稳定，受大风的影响相对较小，故障率低，发电量却要比固定式光伏支架高出24%，仅比双轴跟踪光伏发电系统低1.3%，体现了较好的发电性能，建设初期的建设成本要比双轴跟踪的低，比固定式要高，但从长期的收益回报来看，仍具有一定的应用空间。

不同光伏组件发电系统发电性能对比。从上面三个图可以看出，在荒漠环境中的并网光伏电站中，非晶薄膜的发电量与多晶硅的发电量基本持平，在某些月份发电量还比晶硅光伏组件的发电系统要高。而此电站中的高倍聚光光伏发电系统在实际测试中，则表现最差，无论是哪种情况，都是发电量最低的发电系统。

不同光伏组件发电系统应用的优缺点。在所选取的不同光伏组件发电系统中有三种材料的组件，分别是多晶硅组件、非晶薄膜组件和砷化钾高倍聚光组件，这三种组件在光伏电站的应用方面优缺点如下：多晶硅组件的优点是单位面积发电量高，意味着建设同样规模的光伏电站占地面积小，相关配套产品的成本较低，方便运输，安装较为简便。但多晶硅光伏组件会有热斑效应，在光伏电站建设中往往是组串式阵列排布，一旦个别组件出现问题，往往影响整个组串的发电量，对整个电站的发电量影响较大。另外多晶硅组件温度系数大，自身的温度对其发电量影响较大，这在温差较大地区也是影响发电性能的重要原因。

非晶薄膜组件在本电站的实际测试中体现了较好的发电性能，主要是非晶薄膜温度系数小，弱光情况下仍能提供较好的发电效率，但非晶薄膜组件的单位面积发电量比多晶硅组件要低，因此同容量发电量需要的电气配套设施更多，在电站中的系统损失也较大。另外非晶薄膜组件的安装和运输难度都较大，不利于偏远地区的电站应用。砷化钾高倍聚光组件在实验室中的发电效率是最高的， 可达40% 以上， 但在本电站的实际应用中却表现最差，主要原因是系统设计时间距不够大，造成一定程度的遮挡，另外高倍聚光对追光精度要求较高，一旦有偏差，将大大降低发电量。高倍聚光光伏组件在建设初期的系统调试和后期的系统维护均十分重要，是其提高高发电效率的重要保障，一旦任何一个环节不到位，都将大大降低其发电效率。除此之外，高倍聚光光伏发电系统的投入成本十分高昂，是多晶硅固定式光伏发电系统的2 倍以上。

并网光伏电站的发电输出受很多因素的影响，在不考虑外界环境的情况下，设备的非正常运行在很大程度上影响输出。本文以真实数据出发，将本电站的不同光伏发电系统做对比分析，将各种因素融入其中，可以看出在短期内，光伏发电应用产业仍较不成熟的情况下，多晶硅固定式光伏组件仍是投资方首选，因其成本较低，建设安装均较简便，能最快捷的完成电站建设。然而从长远来看，薄膜组件的光伏发电系统仍有较为广阔的空间，无论是从薄膜组件生产的环境友好性，还是组件自身的成本，随着其发电效率的不断提高，未来薄膜光伏组件将能获得更大规模的应用。

另外从本文的分析可以看出，单轴跟踪式多晶硅光伏组件的发电系统的发电性能性价比较高，在不考虑个别单轴跟踪式因缺少维护而降低发电量的情况下，在西北荒漠气候中单轴跟踪式多晶硅光伏组件发电系统要比固定式支架的光伏发电系统高20-25%的发电量，如果有较好的维护，发电性能可能还会更高。跟踪式支架需配备驱动和控制系统，使得成本增加，但和增加的发电量比较，增加的成本相对较低，因此在电站建设中可以采用单轴跟踪式多晶硅光伏组件发电系统来提高整体投资回报率。

而高倍聚光光伏发电系统，在本电站的实测中，并不具备优势，因此，建设电站时应慎重考虑。

基金项目：甘肃省高校科研项目资助项目编号：2015A-210

（作者单位：酒泉职业技术学院）