不同光伏发电系统科技示范及综合效率分析

概要： 以酒泉地区某0.6 MW 科技示范光伏发电系统为例，介绍了不同光伏组件、不同跟踪模式的光伏发电系统，并综合分析了单晶硅、多晶硅、非晶硅等不同光伏组件平均日累计发电量和系统发电功率，以及固定式、平单轴、斜单轴、双轴等不同跟踪模式发电系统平均日累计发电量和系统发电功率。结果表明， 单晶硅发电系和双轴跟踪发电系统累计发电量和发电功率较高 ，但综合考虑其生产成本、运营维护成本， 多晶硅固定式发电系统性价比较高 ，受到了大规模的发展。

1 概述

随着化石能源的不断消耗和环境污染问题的日益严重，太阳能作为“取之不尽，用之不竭”的可再 生清洁能源，得到了大规模的发展。我国光伏发电装 机 容量预计达80GW，成为全球光伏发电装机容量最大，发展速度最快的国家。 应用较广泛的光伏组件主 要有多晶硅、单晶硅、 非晶硅薄膜 、砷化镓等，常见的 跟踪模式主要有高倍聚光、平单轴、斜单轴、双轴跟 踪等。 不同跟踪模式、不同光伏组件的光伏发电系统效率不同， 衰减程度也不同。 文章以酒泉地区某 0.6MW 光伏发电科技示范电站为例， 综合分析不同跟踪模式、不同光伏发电系统发电效率及衰减情况。

2 不同光伏发电系统

该电站于2012 年12 月31 日建成，并上网发电。不同发电系统包括0.1MW砷化镓高倍聚光发电系统， 0.1MW 多晶硅平单轴跟踪发电系统，0.1MW 多晶硅斜单轴跟踪发电系统，0.1MW 多晶硅双轴跟踪式发电系 统，0.1MW 单晶硅固定式发电系统，0.1MW 非晶薄膜 固定发电系统。不同光伏发电系统具体如下。

2.1 不同跟踪模式发电系统

图1（a）为砷化镓高陪聚光发电系统 ，高陪聚光发电系统具有独立跟踪功能，实现全方位跟踪太阳。每个独立的发电系统由48 个发电模块组成，每个发电模块由16 个发电单元组成。每个发电单元结构从上到下分别为菲涅尔 透光镜 、高陪聚光镜、导电胶、散热片、导热胶、基板等。

图1（b）为多晶硅平单轴发电系统 ，平单轴跟踪系统由主轴、驱动电机、太阳能感应系统、支架等组成，实现从东向西跟踪太 阳能。多晶硅光伏组件水平固定在跟踪主轴上，倾 角约为38°，在驱动电机的带动下，随跟踪主轴从东 向西跟踪太阳， 组成平单轴光伏发电系统。如图1 所示。

图1（c）为多晶硅斜单轴跟踪发电系统 ，斜单轴跟踪发电系统与平单轴跟踪系统一样，均由跟踪主 轴、驱动电机、太阳能感应系统、支架等组成，实现从东向西跟踪太阳能。 与平单轴跟踪系统不同的是 光伏组件不是水平固定在驱动主轴上，而是与主轴成45°夹角，倾斜固定在主轴上。

图1（d）为多晶硅双轴跟踪发电系统 ，双轴跟踪发电系统具有独立双轴跟踪功能，跟踪系统由钢结构、驱动电机、太阳能跟 踪系统、混凝土轨道等组成，光伏组件固定于钢结构上面，倾角为25°，实现全方位跟踪太阳。

2.2 不同光伏组件发电系统

图2（a）（b）（c）为分别为多晶硅、单晶硅、非晶薄膜固定式光伏发电系统，光伏组件面朝西南方向 固定在支架上面，支架固定在地面，不具有跟踪功能，组件倾角为38°。

多晶硅电池组件理论发电效率16%， 较单晶硅电池发电效率稍微低一些；但是多晶 硅电池组件制作工艺较单晶硅简单，节约能耗，总的生产成本低于单晶硅，得到了大量的发展。

单晶硅光伏发电系统光电转换效率18% ， 组件理论效率可达24%，高于多晶硅发电效率。 但单晶硅光伏组件制造工艺相对复杂、能耗高、生产成本高于多晶硅。 目前， 随着科学技术的不断进步，单晶硅生产成本的降低，单晶硅高效叠瓦光伏组件得到了大量发展。

非晶硅薄膜光伏组件 是在玻璃基板上通过真空镀膜的方法，将硅及半导体材料镀于玻璃表面，薄膜表面再封装一层 光伏玻璃 制成， 理论光电转换效率10% 。

与晶体硅材料光伏组件相比，非晶薄膜光伏组件的硅材料消耗较少、能耗较低、制造成本低于晶 硅组件。但随着运行时间的延长，其效率衰减较快。 非晶薄膜组件的优点在于弱光条件下也能正常发 电，晶硅组件适合于强光条件下发电。与晶硅电池 相比，砷化镓光伏电池禁带宽度较大，耐高温性较 高， 光谱响应性 和空间光谱匹配能力较好，单结的 砷化镓电池理论效率达27%，多结砷化镓电池理论 效率超过50%。

3 光伏发电系统综合效率分析

分别以0.1MW 多晶硅、单晶硅、非晶薄膜固定式光伏发电系统为研究对象，研究不同光伏组件对 光伏发电系统日累计发电量及发电功率的影响；以 0.1MW 多晶硅固定式、多晶硅平单轴、多晶硅斜单 轴、多晶硅双轴跟踪模式为研究对象，研究不同跟踪模式对光伏发电系统日累计发电量及发电功率的影 响。系统效率测试，从早7h 至晚上20h，每隔1h 从 光伏发电系统逆变器读取不同光伏组件、不同跟踪模式系统日累计发电量和系统发电功率，连续测试 1 个月，取其平均值。

以上述光伏发电科技示范系统为例，测试2018 年8 月15 日至9 月15 日不同光伏组件、不同跟踪 模式系统的日累计发电量及发电功率。

图3（a）为0.1MW 多晶硅、单晶硅、非晶薄膜等 不同光伏组件平均日累计发电量折线图，纵坐标为 光伏组件日累计发电量，横坐标为时间。 从图可知，非晶薄膜组件平均日发电量为400kWh， 明显低于 单晶硅和多晶硅组件日发电量。多晶硅组件平均日 发电量为700kWh，稍低于多晶硅组件，单晶硅组件平均日发电量750kWh。

图3（b）为不同光伏组件日 发电功率折线图，纵坐标为系统发电功率。 从图可知，光伏组件日峰值发电功率在13~14h，单晶硅发 电功率最高，峰值功率为90kW；多晶硅发电功率稍 低于单晶硅，峰值功率为85kW；非晶薄膜发电功率 明显低于晶体硅组件，其峰值功率为55kW，这与单晶硅、多晶硅、非晶薄膜光伏组件理论转换效率相 符。

图4（a）为固定式、平单轴、斜单轴、双轴等不同 跟踪模式0.1MW 多晶硅光伏发电系统平均日累计 发电量折线图， 纵坐标为光伏组件日累计发电量， 横坐标为时间。从图可知，不同跟踪模式日累计发 电量在620kWh 至700kWh 之间， 其中双轴跟踪模式日累计发电量最大， 固定式日累计发电量最小， 斜单轴跟踪模式日累计发电量稍高于平单轴。

图4 （b）为不同跟踪模式0.1MW 多晶硅光伏发电系统日 发电功率折线图，纵坐标为系统发电功率。由图可 知， 双轴跟踪与固定式发电系统功率折线图在13~14h 时，出现峰值发电功率，二者日发电功率走势相 同，但双轴跟踪发电系统峰值功率稍大于固定式发电系统。 平单轴与斜单轴跟踪模式发电系统在10h之前，系统发电功率增长速率高于双轴跟踪与固定 式发电系统。而在13~14h 时，平单轴与斜单轴跟踪 模式系统发电功率保持平稳增长，并未出现峰值发电功率，这说明 太阳能跟踪模式能够提高光伏发电系统综合效率 。

4 总结

1） 非晶硅薄膜光伏发电系统效率明显低于晶硅发电系统料率，单晶硅发电系统效率稍高于多晶硅发电系统效率。 日发电功率在13~14h 达到最大， 单晶硅系统峰值功率为90kW， 多晶硅系统峰值功 率为85kW； 非晶薄膜系统峰值功率为55kW。相对 应单晶硅系统日累计发电量最大，达到750kWh，多晶硅系统日累计发电量700kWh， 非晶薄膜系统 400kWh。

2）双轴跟踪与固定式发电系统功率走势相同，在13~14h 时，出现峰值功率，但双轴跟踪发电系统峰值功率稍大于固定式发电系统。 而在13~14h 时， 平单轴与斜单轴跟踪模式系统发电功率保持平稳 增长，并未出现峰值发电功率。 双轴跟踪系统日累计发电量最大，为700kWh； 固定式日累计发电量最小，为620kWh； 斜单轴跟踪模式日累计发电量稍高于平单轴。

3）单晶硅系统发电效率稍高于多晶硅系统发电效率，但由于单晶硅组件生产成本高于多晶硅组件，其广泛应用受到了限制。 太阳能跟踪系统能够提高 系统综合发电效率，但是跟踪系统的安装复杂、机械 故障较多、驱动系统耗能等综合成本高于固定式发 电系统。因此， 在酒泉地区大面积光伏电站的建设 中，主要采用多晶硅固定式光伏发电系统。

4）砷化镓光伏组件理论转换效率较高，但其对光的吸收要求比较高， 其系统运行过程中，由于钢 结构的变形等因素， 导致其系统发电效率衰减较 大。本文提到的砷化镓高倍聚光发电系统目前峰值 功率15kWh 左右，与较高的转换效率不符，所应并 未受到广泛的应用。