光伏組件發(fā)電量戶外實證研究

蒲澤偉 劉志民 王玉群 孫國蘋

（1 西藏自治區(qū)能源研究示范中心，西藏 850000；2 中國建材檢驗認證集團股份有限公司，北京 100024）

1 研究背景與內(nèi)容

一般，對晶體硅光伏組件[1]和薄膜光伏組件[2]的性能表征方法主要有環(huán)境、力學(xué)、電性能、安全[3]等幾個方面，例如熱循環(huán)試驗、濕凍試驗、濕熱試驗、紫外預(yù)處理試驗、室外曝露試驗、光老煉試驗、標準測試條件（standard test conditions，STC）下的性能、標稱工作溫度（nominal operating cell temperature，NOCT；nominal module operating temperature，NMOT[4]）、機械載荷試驗、冰雹試驗、旁路二極管熱性能試驗、組件破損試驗、可觸及性試驗、反向電流試驗等。其中，對于光伏組件的電性能評價一般在標準測試條件以及低輻照、標稱工作溫度等三種條件下進行測試，這三種測試條件的共同點是光線垂直于組件入射（光入射角為0°）、AM1.5 光譜條件，且覆蓋的組件溫度（25 ℃，NOCT/NMOT）、輻照度（200 W/m2,800 W/m2,1000 W/m2）情況較為單一。光伏組件在戶外不同地理位置和氣候環(huán)境的實際應(yīng)用過程中，將會遇到太陽光入射角不為0°、實際太陽光譜不同于標準AM1.5 光譜、輻照度和溫度情況多變等情況。國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，IEC）分別發(fā)布了IEC 61853-1:2011、IEC 61853-2:2016 兩項標準[5-6]，規(guī)定了不同溫度、輻照度條件下的光伏組件功率評定方法，以及光譜響應(yīng)、光入射角和組件運行溫度條件的測量方法。未來將要發(fā)布的IEC 61853-3、IEC 61853-4 分別規(guī)定發(fā)電量計算方法、標準參考氣象數(shù)據(jù)庫等。

光伏組件發(fā)電量戶外實證研究的方式主要有光伏組件最大功率點跟蹤發(fā)電量測試，基于光伏電流-電壓特性測量[7]的光伏組件發(fā)電量測試，以及多因子影響光伏組件發(fā)電量的評估方法等。

2 研究方法介紹

2.1 光伏組件最大功率點跟蹤（MPPT）發(fā)電量測試

搭建光伏組件發(fā)電量測試系統(tǒng)，可以采用光伏組串加組串式逆變器并網(wǎng)發(fā)電，也可以采用單片光伏組件接入微逆（微型逆變器）并網(wǎng)發(fā)電或單片光伏組件連接MPPT 直流電子負載進行消耗。在直流側(cè)接入準確度不低于0.5 級的直流電能表，若采用分流器，分流器的準確度等級應(yīng)不低于0.5 級。

光伏組串發(fā)電量評估使用到組串式逆變器時，應(yīng)注意按照IEC 62548 進行科學(xué)設(shè)計，以免較低的負載率影響逆變器效率、逆變器低配導(dǎo)致限值光伏組串出力、光伏組串工作電壓或電流超過逆變器限值導(dǎo)致危險事故等。單片組件連接微逆并網(wǎng)發(fā)電時，同樣應(yīng)注意光伏組串和逆變器的匹配。光伏組件連接MPPT 直流電子負載時，應(yīng)注意負載的通風散熱。

該方法測試精度主要受逆變器、發(fā)電量檢測設(shè)備的影響。MPP 跟蹤的光伏組件發(fā)電量測試可以使樣品在戶外長期并網(wǎng)發(fā)電運行，驗證強紫外、高溫、強降雨、大風等氣象條件下組件的穩(wěn)定性。

2.2 基于光伏電流-電壓特性測量的光伏組件發(fā)電量測試

搭建單片組件發(fā)電量評估測試系統(tǒng)，使用與樣品共平面放置的日射強度計監(jiān)控樣品平面輻照度，使用光譜輻射儀持續(xù)記錄樣品平面的太陽光譜。組件樣品法線與直射太陽光夾角在±5°以內(nèi)、樣品溫度達到動態(tài)穩(wěn)定時進行測試，剔除測試期間總輻射波動超過±1%的數(shù)據(jù)。

該方法基于IEC 60904-1，可以較準確測得光伏組件的瞬時輸出功率，瞬時輸出功率對時間進行積分，即可得到某段時期的累計發(fā)電量。該方法的缺陷時在多云、大風等天氣較難測得有效的瞬時輸出功率，導(dǎo)致相鄰測得有效值的時間間隔較長。

基于光伏電流-電壓特性測量的光伏組件發(fā)電量測試可以獲得組件在戶外實際情況下的輸出性能，篩選出組件平面輻照度大于800W/m2的IV 曲線根據(jù)IEC60891 進行修正，可以監(jiān)測不同運行時間的組件輸出性能衰降特性。

2.3 多因子影響光伏組件發(fā)電量的評估方法

建立光伏組件能級評定與發(fā)電量評估測試分析系統(tǒng)，建立能級評定數(shù)據(jù)庫（數(shù)據(jù)記錄間隔應(yīng)不長于1 小時）。通過監(jiān)控的直射和散射輻照度、光入射角、光譜修正等因子修正輻照度，通過環(huán)境溫度、風速等因子推算組件運行溫度，再結(jié)合組件在不同溫度輻照度下的性能，評估組件的當時輸出功率以及累計計算發(fā)電量。

該方法參考IEC 61853 系列標準，由試驗地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)（正對太陽直射輻照度、組件平面總輻照度、太陽光譜輻照度、風速、環(huán)境溫度等）推導(dǎo)得出組件平面有效的輻照度和組件溫度，再結(jié)合實測光伏組件在不同輻照度和溫度條件下的性能，得到光伏組件瞬時功率理論值。該瞬時功率理論值對時間進行積分，即可得到某時間段的光伏組件發(fā)電量。該方法不足在于需要實驗室檢測，以及特定地點的發(fā)電量評估將需要精度較高的氣象測量設(shè)備。

多因子影響光伏組件發(fā)電量的評估方法采用實驗室內(nèi)測試和戶外氣象數(shù)據(jù)理論模擬相結(jié)合的形式，可以較快的預(yù)測光伏組件在典型地區(qū)的發(fā)電量情況，便于比較不同組件的發(fā)電性能。

3 結(jié)果與討論

表1 相同型號光伏組件在不同天氣條件

2018年4月，筆者選取相同規(guī)格型號、相同生產(chǎn)批次的、經(jīng)過初始穩(wěn)定處理的光伏組件3 片，分別采用上述三種方法進行發(fā)電量評估。統(tǒng)計出晴天、晴天間多云天氣、陰天三種情況時的日平均發(fā)電量，如表1所示。

由試驗數(shù)據(jù)可得出，晴天條件下，三種方法的發(fā)電量結(jié)果偏差較小（4%以內(nèi)）；多云和陰天條件下，基于光伏電流-電壓特性測量的光伏組件發(fā)電量測試由于較難獲得有效瞬時功率，多因子影響光伏組件發(fā)電量的評估方法由于氣象觀測設(shè)備準確性等因素，給測試結(jié)果帶來較大影響。

4 結(jié)語

本文介紹的三種光伏組件發(fā)電量戶外實證測試方法具有較強的可操作性。MPP 跟蹤的光伏組件發(fā)電量測試可以驗證組件穩(wěn)定性，基于光伏電流-電壓特性測量的光伏組件發(fā)電量測試可以獲得組件在戶外實際情況下的輸出性能，多因子影響光伏組件發(fā)電量的評估方法便于實際測試結(jié)合理論模擬比較不同組件的發(fā)電性能。對于不同目的和需求的測試可以選取其中一種作為實證測試方案。

總院在研“高活性可見光催化材料”被列入中國重大科學(xué)問題和工程技術(shù)難題

5月27日，第20 屆中國科協(xié)年會閉幕式上，中國科協(xié)副主席、國際宇航科學(xué)院院士李洪對外發(fā)布了由中國科協(xié)組織征集遴選的涉及公共安全、空天科技、信息科技、醫(yī)學(xué)健康等12 個領(lǐng)域的60 個重大科學(xué)問題和重大工程技術(shù)難題。其中，由中國建材總院水泥新材院在研的“高活性可見光催化材料”入選了“先進材料”領(lǐng)域重大科學(xué)問題和工程技術(shù)難題。

據(jù)中國科協(xié)發(fā)布，此次最終選出的60 個重大科學(xué)問題和工程技術(shù)難題是通過1100 多位專家學(xué)者推薦、2100 多名一線科研人員參與初選、54 名學(xué)科領(lǐng)軍專家復(fù)選，最后經(jīng)過33 名院士專家終選而最后確定的。“高活性可見光催化材料”從近千個科學(xué)問題及難題中被選出，體現(xiàn)了光催化環(huán)境材料受到科學(xué)界高度重視，也充分體現(xiàn)了中國建材總院秉承“科技領(lǐng)先，服務(wù)建設(shè)”的核心理念，勇?lián)厝?，領(lǐng)跑無機非金屬新材料研發(fā)的堅定信心。