陳平翰，汪煒怡*，徐青山

（1.中國科學技術大學，合肥 230027；2.中國科學院 安徽光學精密機械研究所，合肥 230031）

隨著現(xiàn)代社會的快速發(fā)展，人們對能源的需求不斷增長，全球能源危機日益突出。傳統(tǒng)的化石能源如煤炭、石油和天然氣是有限的。隨著21世紀的到來，傳統(tǒng)能源正處于枯竭的邊緣，將爆發(fā)能源危機并引發(fā)全球環(huán)境問題。隨著化石能源的減少，其價格不斷上漲，嚴重制約了人們的生產(chǎn)和生活水平。因此，亟待開發(fā)可再生能源。在這種情況下，包括太陽能在內(nèi)的大量新能源技術被廣泛接受。

太陽能是一種不同于諸如石油和煤炭等傳統(tǒng)化石能源的新型清潔能源。研究表明，太陽能的使用一般不會導致“溫室效應”[1]，且對環(huán)境的污染也較少。目前太陽能技術已被用于許多領域，包括抽水、供暖、空調(diào)制冷系統(tǒng)、海水淡化、工業(yè)加熱和熱電[2-4]，且超過23個國家有官方太陽能研究中心，致力于太陽能技術的研發(fā)與應用。

作為第3代光伏技術之一，銅銦鎵硒太陽能電池CIGS[5]由于具有良好的弱光性[6]，且與傳統(tǒng)的光伏設備相比材料成本低[7]，應用范圍廣，逐漸成為了未來光伏設備的領軍者。CIGS 設備在大部分情況下不需要添加額外的配套設備，同時也具有良好的發(fā)電效率，可以滿足大部分光伏用戶的需求。

CIGS太陽能薄膜電池，由Cu（銅）、In（銦）、Ga（鎵）、Se（硒）4 種元素以最佳比例構(gòu)成黃銅礦結(jié)晶薄膜太陽能電池，這也是組成太陽能薄膜電池板的關鍵技術。柔性銅銦鎵硒（CIGS）太陽能薄膜電池具有輕柔、低成本、無污染、弱光性好、可透光、回報周期短、容易彎曲、集成度高和外形美觀等眾多優(yōu)點，相近功率情況下，與傳統(tǒng)晶硅電池相比，具有更高的發(fā)電量。

太陽能電池的種類有很多種，然而設計出一種高效益的太陽能電池需要考慮的因素有很多。比如晶體硅太陽能電池雖然效率很高，但是成本也高。非晶體硅成本低，但是效率也很低。根據(jù)我國可利用資源，銦可以被充分利用到太陽能電池當中制作成CIGS 太陽能電池，這種太陽能電池的成本低，效率卻很高，使用壽命很長，可以預見有廣闊的發(fā)展前景。

1 環(huán)境資源分析

對于光伏系統(tǒng)，最重要的環(huán)境因素是局部照明時間和光強度[8]。從本質(zhì)上來說，上述兩個條件可以簡化為局部輻射強度來考慮。這一數(shù)據(jù)指標直接決定了是否可以在當?shù)剡M行光伏系統(tǒng)的建設。過低的太陽能輻射量將使得建造成本與發(fā)電成本上升[9]。在低輻射地區(qū)，光伏設備的工作條件是非常嚴苛的，不夠充分的光照使得發(fā)電成本直線上升[10]，同時弱光損失也會使光伏設備的整體發(fā)電量下降，這導致使用傳統(tǒng)的光伏設備已經(jīng)很難給光伏用戶提供足夠的能量。在我國四川地區(qū)，光照時間短、輻射阻隔嚴重一直都是制約當?shù)毓夥l(fā)展的重要問題。經(jīng)統(tǒng)計，四川地區(qū)的年光照輻射量的最大峰值約為1 200 kWh/m2。經(jīng)過類比，這一地區(qū)的光照輻射和歐洲的部分低輻射地區(qū)很相似。這里以英國東北部的紐卡斯爾為例進行分析。

圖1 所示的是NASA（National Aeronautics and Space Adminstration）提供的英國2017—2018 年的光照輻射量[11]。

圖1 英國2017—2018年光照輻射量Fig.1 Quantity of illumination of UK during 2017—2018

可以看出，英國的年光照輻射量并不高，只有在每年的3—8 月英國才屬于“適宜發(fā)展光伏地區(qū)”，其峰值光照輻射量為每天8 kWh/m2，年約為2 100 kWh/m2，與之前提到的我國低輻射地區(qū)（四川）類似。因此，兩地對于光伏設備的發(fā)電效率都有特殊的要求。

同時對低輻射地區(qū)的光照條件也要進行分析,大部分的低輻射地區(qū)在每年冬季的光照時間都極短，平均日光照時間不足6 h，這無疑為光伏組件的設立帶來了很大的阻力。為了克服這種極端的弱光條件，組件應當盡量選擇弱光性能好的設備。

2 弱光性分析

與傳統(tǒng)的硅系光伏設備相比，CIGS 電池的弱光性能更高，這也意味著CIGS 電池的單日工作時間更長。為了明確地表達CIGS 電池在弱光環(huán)境下的表現(xiàn)，利用電池的工作參數(shù)PR[12]進行計算。PR的定義式見式（1）：

式中：ET為T時間段內(nèi)光伏電站向電網(wǎng)輸送的電量；Pe為光伏電站的標稱裝機容量；hT為T時間段內(nèi)光伏組件表面的峰值日照時數(shù)。計算PR時需要測定兩個參數(shù)：①研究時間段內(nèi)的發(fā)電量；②該時間段方陣面接收到的總輻射量，總輻射量的測定需要使用總輻射表，或利用標定的光伏電池。由于各光伏電站所在地的總輻射量檢測會有偏差，因此要對公式進行改變，通過瞬時光照量和輸出量對效率進行計算。轉(zhuǎn)化完成之后的公式為：

式中，P的定義依然是裝機容量，而W為瞬時的輸出功率，α為瞬時輻射度，而T為時間段。通過公式（2），即可利用瞬時的光照效率對CIGS 設備進行分析計算，減少不必要的誤差。

參考張傳升[12]的相關工作可以得出結(jié)論，在400 W/m2的照射環(huán)境下，CIGS 光伏設備的效率均值為0.869 2，比傳統(tǒng)太陽能光伏設備的效率平均值（0.822 0）高1.03%。在低輻射地區(qū)，其平均輻射強度遠低于400 W/m2，因此在低輻射地區(qū)，CIGS設備的弱光損失低于普通硅電池。類比同樣處于低輻射地帶的英國紐卡斯爾地區(qū)，其光照強度在冬季時的最高值也只有750 W/m2，因此可以看出，在低輻射地區(qū)使用CIGS 設備可以有效提高弱光效率，減少弱光損失。

3 發(fā)電效率計算

光伏電站的發(fā)電效率與年發(fā)電量有關。發(fā)電效率和年度預期發(fā)電量（裝機容量為20 kW）可以計算如下。

（a）光伏陣列效率

能源轉(zhuǎn)換和傳輸過程中光伏電站太陽能電池板的損失，主要包括組件匹配損耗和太陽輻射損失，前者高精度和高質(zhì)量施工系統(tǒng)的能耗損失約4%，后者主要包括太陽能發(fā)電組件表面陰影或葉片等遮擋和弱太陽輻射損失，約為5%。

（b）逆變器轉(zhuǎn)換效率

以陽光電源標準逆變器為例，其轉(zhuǎn)換效率為η2=98%。

（c）最大功率點損耗的偏差

包括局部溫度、設備等，最大功率點跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）精度等能量損失約為2%。

（d）DC線路損耗

根據(jù)相關性，應小于3%。得到：

η1=96%×95%×98%×97%=87%

光伏系統(tǒng)的總效率等于上述各種效率的乘積：

η=η1×η2=87%×98%=85%

（e）發(fā)電系統(tǒng)的年發(fā)電量

光伏電站的發(fā)電量Ep計算如下：

式中，P為系統(tǒng)安裝容量（kW），H為當?shù)貥藴嗜照諘r間（h），η為系統(tǒng)的整體效率。η通過計算為85%，標準日照時間如圖2所示。

圖2 標準日照時間[13]Fig.2 Standard sunshine hours

通過對圖2的分析可得下列計算結(jié)果：

再計算弱光性損失后，有：

上述計算結(jié)果表明CIGS 技術在低太陽輻射的紐卡斯爾地區(qū)能夠產(chǎn)生可觀的電能。

4 總結(jié)

本研究著重介紹了CIGS 光伏電池對弱光較為敏感的特點，表明CIGS 在低光照輻射地區(qū)具有良好的適用性和發(fā)展前景，尤其適用于弱光環(huán)境下的供電。在我國四川的大部分地區(qū)，年光照總量都低于國家劃分的“適宜發(fā)展光伏設備”標準線。通過類比歐洲的低光照地區(qū)，可以發(fā)現(xiàn)通過使用新型材料能夠更充分地利用太陽輻射，使四川地區(qū)可以通過光伏設備對當?shù)氐陌l(fā)電量進行補充。

本研究以2017—2018 年英國低光照輻射地區(qū)紐卡斯爾的相關輻射數(shù)據(jù)為基礎進行了CIGS 發(fā)電效率理論計算，計算結(jié)果顯示CIGS 在紐卡斯爾地區(qū)具有良好的發(fā)電效率，同時進一步表明CIGS 在低光照輻射地區(qū)具有廣闊的應用前景。該計算結(jié)果也可以為我國低輻射地區(qū)光伏設備的建設提供一定參考。