基于10年工作期光伏組件發(fā)電狀況的研究

劉　婕，鞠振河，郭琳琳

(沈陽工程學(xué)院 電氣學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

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基于10年工作期光伏組件發(fā)電狀況的研究

劉婕，鞠振河，郭琳琳

(沈陽工程學(xué)院 電氣學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

摘要：在有限常規(guī)資源和環(huán)境破壞的雙重壓力下光伏發(fā)電得到了快速發(fā)展。自2004年以來，中國光伏累計(jì)裝機(jī)量已經(jīng)超過20 GW。大量的光伏組件常年暴露在復(fù)雜環(huán)境下，伴隨時(shí)間的推移，光伏組件發(fā)電狀況在不斷變化。以2004年安裝使用的多晶硅太陽能組件為研究對象，通過對同規(guī)格、10年期新舊組件實(shí)際測試與分析，對比組件技術(shù)規(guī)程，得出了多晶硅光伏組件在使用過程中出現(xiàn)的10年期衰減程度。對我國在用的和即將大量投入使用的光伏組件如何控制質(zhì)量提出了建設(shè)性的指導(dǎo)意見。分析了導(dǎo)致組件老化的原因，提出降低組件功率衰減的改進(jìn)方案。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；光伏組件；功率衰減

太陽能光伏發(fā)電是利用光伏電池組件(俗稱太陽能光伏板)將太陽能輻射能量轉(zhuǎn)換成電能的直接發(fā)電形式。而對于光伏電池板大多數(shù)制造商按照國標(biāo)向客戶保證的是產(chǎn)品的使用年限為25年，使用20年的光伏組件衰減不超過20%，使用10年的光伏組件衰減不超過10%，組件供應(yīng)商通常會在光伏組件銷售合同里注明上述指標(biāo)。而對于已用10年的光伏電池板的衰減到底達(dá)到何種程度不得而知，因此以用10年的光伏組件為研究對象，通過大量的實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)對使用10年的光伏組件的衰減情況進(jìn)行評估。

1多晶硅光伏組件的簡介

多晶硅光伏組件如圖1所示,是由玻璃、EVA、電池片、背板、鋁邊框、接線盒、硅膠等主材，按照一定的生產(chǎn)工藝進(jìn)行封裝，在一定的光照條件下達(dá)到一定輸出功率和輸出電壓的光伏器件。

光伏組件的背板位于電池背面的最外層，是光伏電池的重要組成部分，不僅起到封裝的作用，同時(shí)還起到保證光伏電池不受到環(huán)境影響的作用，確保光伏電池的使用壽命[3]。

圖1　多晶硅光伏組件的結(jié)構(gòu)

2測量過程

2.1研究對象選擇

以2004年安裝在沈陽工程學(xué)院沈北新校區(qū)的34套太陽能路燈的45 W的多晶硅太陽能光伏電池組件為研究對象。

它的標(biāo)稱參數(shù)為

1)最大功率：45 W。

2)開路電壓：21.6 V。

3)短路電流：2.88 A。

4)最大功率點(diǎn)電壓：17.2 V。

5)最大功率點(diǎn)電流：2.63 A。

6)外形尺寸為610 mm×540 mm×25 mm。

2.2方位選擇

考慮室外測量常會受到自然條件的影響，為保證在自然條件下光伏組件技術(shù)數(shù)據(jù)測量的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)場地的建筑物與樹木較少。為了實(shí)驗(yàn)的便捷性，將此實(shí)驗(yàn)設(shè)在了沈陽工程學(xué)院沈北新校區(qū)的太陽能房附近，用太陽能眼測試了當(dāng)?shù)氐耐腹饴?，并找到了了五月份透光率比較好的位置，測試結(jié)果如圖2所示。

圖2　實(shí)驗(yàn)場所透光率測試圖

由圖2可知本實(shí)驗(yàn)的測試點(diǎn)地理?xiàng)l件：北緯41.9°，東經(jīng)123.4°，年平均透光率為93%，五月份的透光率為91%。

3測量方法

3.1測量電路的設(shè)計(jì)

此實(shí)驗(yàn)是要測試已用10年的太陽能電池板和同時(shí)期同批號同規(guī)格的新的電池板的發(fā)電量，并比較數(shù)據(jù)查看舊板子功率衰減情況。為了避免舊板子的特殊性以及損壞對實(shí)驗(yàn)帶來影響，選取了2塊舊板子并命名為A板和B板，新板子為C板。由于舊板子長期處于室外發(fā)電，上面布滿了灰塵，而新板子是無灰塵的。為了考慮實(shí)驗(yàn)對象條件的同等性，先將舊板子的灰塵擦去，使新舊板子表面的清潔度一樣。然后連接電路進(jìn)行測試。測量所用的儀器為：電流表、電壓表、功率表、電位器、實(shí)驗(yàn)臺、連接線。

3.1.1電壓和電流測量電路

圖3接法為四端接法，其中r為接觸電阻(含電纜電阻)。電路特點(diǎn)是電壓和電流的測量采用分開的端子。由圖可見，流過電壓表的電流非常少，故接觸電阻(含電纜電阻)所產(chǎn)生的壓降可以忽略不計(jì)，從而可正確的測出光伏電池的電壓和電流。

3.1.2功率測量電路

圖3　光伏電池電壓、電流的測量電路

圖4　功率測量電路

圖4中p為光伏電池，U為功率表，本實(shí)驗(yàn)中選用功率表的150 V電壓檔，2 A電流檔，可以測量的最大功率為150×2×0.2=60 W而光伏電池的最大功率為45 W<60 W，此種連接方式滿足實(shí)驗(yàn)需求。

3.2實(shí)物電路

圖5為實(shí)物電路圖，其中左邊為新板,右邊為同樣規(guī)格的已用10年的舊板。

圖5　實(shí)物電路

4數(shù)據(jù)測量結(jié)果與分析

光伏電池的特性一般包括光伏電池的輸入輸出(伏安特性)、照度特性以及溫度特性[4-5]。實(shí)驗(yàn)只研究伏安特性和照度特性來觀察新舊板子的差異。

第一組數(shù)據(jù)：A板、B板、C板在標(biāo)準(zhǔn)條件下測得開路電壓與短路電流，測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　標(biāo)準(zhǔn)情況下的開路電壓與短路電流

第二組數(shù)據(jù)：C板(新)與A板(舊)和B板(舊)的伏安特性曲線以及功率-電壓曲線，如圖6、7、8、9所示。

圖6　C板與A板的伏安特性曲線

圖7　C板與B板的伏安特性曲線

圖8　C板與A板的電壓-功率曲線

圖9　C板與B板的電壓-功率曲線

通過曲線可以知道同電壓情況下舊板子的電流明顯減少了很多，轉(zhuǎn)換效率比較低。同電壓時(shí)舊板子的功率也衰減不少。

第三組實(shí)驗(yàn)新舊板子在不同輻射量下的發(fā)電量以及電壓電流值實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2和表3。

衰減公式為(新板功率-舊板功率)/新板功率，故此組數(shù)據(jù)中為(PC-PA)/PC，和新板子(C板)相比已用10年的舊板子(A板)的平均衰減為28%。由圖表可知相同輻射量下不同負(fù)載時(shí)舊板子衰減程度也有所不同。

功率衰減為(PC-PB)/PC，和新板子(C板)相比已用10年的舊板子(B板)的平均衰減為22.26%。

表2　負(fù)載為12歐時(shí)A板與C板在不同輻射量下電壓、電流、功率

表3　負(fù)載為10歐時(shí)A板與C板在不同輻射量下電壓、電流、功率

表4　B板與C板在不同輻射量下的電壓、電流、功率

5結(jié)論

通過對比分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出在相同條件下和新板相比使用10年的舊板的發(fā)電功率衰減了25%左右。衰減原因?yàn)椋?/p>

1)老化衰減主要由組件材料老化所致，因此可以選用耐紫外線功能較強(qiáng)的EVA和背板材料，可以有效降低組件的功率衰減程度。

2)熱斑的出現(xiàn)，如圖10所示。

圖10　帶有熱斑的已用10年的太陽能電池板

電池組件在陽光照射下，由于部分組件受到遮擋無法工作，使得被遮蓋的部分升溫遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于未被遮蓋部分，致使溫度過高出現(xiàn)燒壞的暗斑。對于內(nèi)部未帶旁路二極管的光伏組件在使用時(shí)外部電路中要加上，并且應(yīng)保持組件表面清潔，及時(shí)清理組件表面的遮擋物。

參考文獻(xiàn)

[1]鞠振河.太陽能光伏照明技術(shù)規(guī)程[S].沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2009.

[2]鞠振河.太陽能光伏與建筑一體化技術(shù)規(guī)程[S].沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2010.

[3]張傳吉,戴建民,成三弟.太陽能電池背板的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢,[J].北京：電力與能源，2012，2(4)：177-180.

[4]Akbaba M,Alattawi M A A.A New Model for I-V Characteristic of Solar Cell Generators and Its Application[J].Solar Energy materials and Solar Cells，2005，37(2)：123-132.

[5]馮垛生.太陽能電池輸出特性的分析及檢測[J].新能源雜志，2000,22(22):1820-1824.

(責(zé)任編輯佟金鍇校對張凱)

Research on power generation based on 10-year photovoltaic modules

LIU Jie,JU Zhen-he,GUO Lin-lin

(School of Electric Power,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province)

Abstract：Under stress of limited conventional resources and damaged environment,photovoltaic generation developed increasingly.Since 2004,Chinese cumulative installed capacity of PV module had reached more than 20 GW.With time going by,power generation of PV module had changed greatly as exposed in complex environment throughout the years.By contrast the polycrystalline silicon solar panels installed in 2004 with the new ones,and considering the PV module technical regulation,we derived how much the photovoltaic module used for ten years has been degraded.We put forward constructive and practical advices to the quality control of PV module which are being used and will be used.Finally,we analyzed the cause of degradation and suggested the improved scheme to reduce the power degradation of PV module.

Key words：photovoltaic power generation;photovoltaic modules;power degradation

DOI：10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.01.005

通訊作者：劉青(1965-)，女，湖北宜昌人，副教授，碩士。

作者簡介：杜鵬飛(1965-)，男，陜西榆林人，工程師。

基金項(xiàng)目：科技部國際合作項(xiàng)目(2011DFA60390)

收稿日期：2014-11-05

中圖分類號：TM615

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-1603(2015)01-0014-05