光伏組件在黃土高原氣候條件下的性能研究

隴東學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 ■ 楊娜娜 趙磊 張建銳

甘肅省電力公司檢修公司 ■ 楊祖寧

0 引言

在進(jìn)行光伏電站設(shè)計(jì)時(shí)，需要結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件評(píng)估安裝地點(diǎn)的光伏組件的輸出特性。一般評(píng)估時(shí)選用的是在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件(太陽(yáng)光譜AM1.5，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度1000 W/m2，組件溫度25℃)下的光伏組件性能，而實(shí)際的氣候條件會(huì)隨著緯度、氣候、季節(jié)的因素而變化。影響光伏組件輸出特性的最直接的氣候因素是太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和組件溫度，而它們又受到環(huán)境溫度、風(fēng)速、組件方位及傾角的影響[1-3]。因此，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件并不能代表戶外實(shí)際的氣候條件，僅采用在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下測(cè)試的組件參數(shù)無(wú)法對(duì)光伏電站進(jìn)行準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)和評(píng)估。

隴東黃土高原位于甘肅省東部，包括整個(gè)慶陽(yáng)市和平?jīng)鍪?；處于季風(fēng)區(qū)邊緣帶，氣候干旱且不穩(wěn)定，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度及溫度具有明顯的季節(jié)性特征；春季與夏季時(shí)晴天較多，秋季與冬季時(shí)多云、陰天較多[4]。該地區(qū)一年中的氣候具有很大的波動(dòng)性，而目前研究波動(dòng)的氣候條件對(duì)光伏組件電學(xué)性能影響的文獻(xiàn)尚且不多。王露等[5]研究了青海地區(qū)環(huán)境溫度和太陽(yáng)輻照度對(duì)光伏組件開(kāi)路電壓和短路電流的影響。韓涵等[6]研究了晶硅電池在夏季晴天時(shí)全天的輸出特性。本文選擇隴東地區(qū)晴天、多云、陰天3種典型的氣候條件，對(duì)單晶硅光伏組件的I-V特性參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，分析了影響光伏組件電學(xué)性能的主導(dǎo)因素，并研究了陰影對(duì)光伏組件電學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由光伏組件、太陽(yáng)能光伏發(fā)電測(cè)試系統(tǒng)和氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)3部分組成。其中，光伏組件包括2塊功率為90 Wp的單晶硅組件；太陽(yáng)能光伏發(fā)電測(cè)試系統(tǒng)包括2臺(tái)可編程直流電子負(fù)載、測(cè)試軟件及采集模塊；氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括太陽(yáng)總輻射表、散射表、直射表、環(huán)境溫濕度記錄儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于隴東地區(qū)(35.7°N，107.7°E)，海拔1380 m；實(shí)驗(yàn)時(shí)間段為2017年7～9月。將單晶硅光伏組件置于戶外連續(xù)測(cè)量3個(gè)月，保證涵蓋了晴天、多云、陰天等天氣。光伏組件方位角為正南方向，為了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，一塊組件的傾角固定為20°，另一塊組件進(jìn)行傾角實(shí)驗(yàn)。數(shù)據(jù)測(cè)試間隔為1 min/次，測(cè)試數(shù)據(jù)包括光伏組件的電學(xué)參數(shù)及氣象條件。

2 結(jié)果與討論

2.1 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度與組件溫度

圖1反映了在3種天氣(晴天、多云、陰天)條件下，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度及組件溫度的變化情況。晴天時(shí)，組件溫度變化趨勢(shì)與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化一致，而環(huán)境溫度變化較為平緩，組件溫度和環(huán)境溫度相差較大；多云天氣時(shí)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度波動(dòng)較大，組件溫度相應(yīng)產(chǎn)生較大波動(dòng)，而環(huán)境溫度變化較平緩；陰天時(shí)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度整體較低，組件溫度和環(huán)境溫度相差較小。這是由于晴天太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大，光伏組件連續(xù)吸收太陽(yáng)輻射，導(dǎo)致溫度持續(xù)增加，而光伏組件熱交換的方式主要為輻射和對(duì)流，其比熱容較大(1.5×104～3×104J/K)，晴天的風(fēng)速較小，導(dǎo)致組件溫度和環(huán)境溫度相差很大[3,7]。由于組件溫度與所安裝地點(diǎn)的空氣流動(dòng)有很大關(guān)系，而本裝置的安裝地點(diǎn)背后為建筑物，因此本實(shí)驗(yàn)組件的溫度在晴天中午時(shí)達(dá)到最高的61.5 ℃，與環(huán)境溫度最大相差28.8 ℃；而陰天時(shí)風(fēng)速較大，使組件降溫較快，導(dǎo)致組件溫度和環(huán)境溫度相差較小。

圖2為組件溫度和太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度的相關(guān)性散點(diǎn)圖。從圖中可以看出，組件溫度與太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度呈正比；而在太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度較低時(shí)，即太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度小于200 W/m2時(shí)，數(shù)據(jù)點(diǎn)較為分散，無(wú)明顯的相關(guān)性。

圖1 不同天氣情況下組件溫度、環(huán)境溫度與太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度的日變化曲線

圖2 組件溫度與太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系

2.2 短路電流及其影響因素分析

短路電流主要受太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和溫度的影響，且與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和溫度呈線性關(guān)系。但溫度并不直接影響短路電流，而是直接影響帶隙。對(duì)于晶體硅太陽(yáng)電池來(lái)說(shuō)，溫度增加，禁帶寬度減小，相應(yīng)的太陽(yáng)光譜中更長(zhǎng)的波長(zhǎng)可被吸收，從而使短路電流增加[8]。由于帶隙改變引起的波長(zhǎng)改變區(qū)間有限，因此對(duì)短路電流的影響幅度較小。圖3反映了2017年8月4日太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度和短路電流的變化情況，該天早晨為多云天氣，下午為晴天。從圖中可以看出，太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度與短路電流的變化趨勢(shì)一致。

圖3 短路電流與太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度日變化曲線

圖4為短路電流與太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系。從圖4可以看出，短路電流和太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度呈正比關(guān)系，太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度從200 W/m2升至1200 W/m2時(shí)，短路電流平均增加346%。

圖4 短路電流與太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系

圖5為短路電流與組件溫度的相關(guān)關(guān)系。從圖5可以看出，短路電流與溫度呈正比關(guān)系，組件溫度從25 ℃升至70 ℃時(shí)，短路電流僅增加1.5%。因此，組件溫度對(duì)短路電流的影響非常小，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度是影響短路電流變化的主要因素。

圖5 短路電流與組件溫度的相關(guān)關(guān)系[9]

電池傾角的改變會(huì)直接影響傾斜面上的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，從而影響短路電流。傾斜面上的太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度IT由太陽(yáng)直接輻射強(qiáng)度Ibβ、太陽(yáng)散射輻射強(qiáng)度Is和地面反射輻射強(qiáng)度Ir這3部分組成[10]，即：

傾斜面上的太陽(yáng)直接輻射強(qiáng)度表達(dá)式為：

式中，Ib為水平面上的太陽(yáng)直接輻射強(qiáng)度；Rb為直射輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)換因子。Rb可表示為：

式中，φ為當(dāng)?shù)鼐S度；β為斜面傾角；δ為太陽(yáng)赤緯角；ω為日升時(shí)角。

目前，傾斜面上的太陽(yáng)散射輻射強(qiáng)度計(jì)算模型有Liu & Jordan的各向同性模型、Hay的各向異性模型、Klucher的各向異性模型，這些模型適用于不同的天氣情況[11]。本實(shí)驗(yàn)所在地附近有樹(shù)木、房屋，采集數(shù)據(jù)日天空有云彩，因此本實(shí)驗(yàn)選用Hay的各向異性模型。傾斜面上的太陽(yáng)散射輻射強(qiáng)度公式為：

式中，Id為水平面上散射輻射強(qiáng)度；I0為大氣層外水平面上太陽(yáng)輻射強(qiáng)度。

傾斜面上的地面反射輻射強(qiáng)度為：

式中，ρ為地面反射率，一般情況下取0.2；I為水平面上的太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度。

圖6為不同角度傾斜面的逐時(shí)太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度。從圖6可以看出，9∶00之前和15∶30之后，傾角越小，其傾斜面上獲得的輻射強(qiáng)度越大。在當(dāng)?shù)靥?yáng)時(shí)12∶00～14∶00、15°～20°傾角下的太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度最大；無(wú)論傾角增大或減小，正午時(shí)傾斜面上的輻射強(qiáng)度均減小；但0°～30°傾角的傾斜面上接收的日總輻射強(qiáng)度偏差不超過(guò)5%。

圖6 不同角度傾斜面的逐時(shí)太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度

圖7為8月4日不同傾角時(shí)的短路電流變化曲線。從圖中可以看出，傾角為0°～30°時(shí)的短路電流變化平緩；傾角超過(guò)30°后，短路電流急劇下降，在90°時(shí)達(dá)到最小值。這說(shuō)明傾角在一定范圍內(nèi)的小幅度改變對(duì)短路電流的影響較小。

圖7 短路電流與傾角的關(guān)系曲線

2.3 開(kāi)路電壓及其影響因素分析

圖8和圖9分別為溫度和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度對(duì)開(kāi)路電壓的影響。從圖中可以看出，隨著溫度的增加，開(kāi)路電壓減??；而隨著太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度的增加，開(kāi)路電壓增加。從擬合結(jié)果可以看出，隴東地區(qū)夏季晴天的日輻射強(qiáng)度從200 W/m2升至1300 W/m2時(shí)，開(kāi)路電壓增加5.6%；組件溫度從25 ℃升至60 ℃時(shí)，開(kāi)路電壓減小15.8%，因此，在有效輻射強(qiáng)度范圍內(nèi)，溫度對(duì)開(kāi)路電壓的影響更明顯。由于輻射強(qiáng)度對(duì)光伏組件溫度的影響較大，因此會(huì)間接影響開(kāi)路電壓。

圖8 開(kāi)路電壓與組件溫度的相關(guān)關(guān)系

圖9 開(kāi)路電壓與太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系

2.4 陰影遮擋對(duì)開(kāi)路電壓及短路電流的影響

由于實(shí)驗(yàn)所在地有高樓，16：30～17：00時(shí)，光伏組件上的入射太陽(yáng)光逐漸被遮擋直至完全被遮擋。圖10反映了陰影遮擋前后開(kāi)路電壓、短路電流，以及太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度和組件溫度的變化情況。

圖10 陰影遮擋前后開(kāi)路電壓、短路電流，以及太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度和組件溫度的變化曲線

從圖10可以看出，陰影遮擋前后，短路電流和太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度的變化趨勢(shì)一致。隨著太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度的下降，短路電流減?。划?dāng)太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度急劇下降時(shí)，短路電流也急劇下降。這說(shuō)明在陰影遮擋或太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較低的情況下，短路電流受太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的影響較大。在陰影遮擋前，開(kāi)路電壓隨著組件溫度的波動(dòng)而波動(dòng)，且在太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度急劇下降的瞬間發(fā)生陡降，但組件溫度并未出現(xiàn)瞬間陡降。這說(shuō)明在太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較低的情況下，太陽(yáng)輻照強(qiáng)度對(duì)開(kāi)路電壓產(chǎn)生的影響較大。當(dāng)光伏組件被完全遮擋后，由于負(fù)相關(guān)性的溫度和正相關(guān)性的太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度的綜合作用，開(kāi)路電壓呈現(xiàn)先上升后下降的現(xiàn)象。在陰影遮擋前后，太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度下降了91%，短路電流下降89%，開(kāi)路電壓下降了3.5%。

3 結(jié)論

本文對(duì)隴東黃土高原地區(qū)的單晶硅光伏組件輸出參數(shù)在不同氣象條件下的變化規(guī)律進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：

1)晴天時(shí)，組件溫度受太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的影響明顯，組件溫度和環(huán)境溫度相差較大；多云時(shí)，組件溫度隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的波動(dòng)而波動(dòng)，但組件溫度和環(huán)境溫度依然相差很大；陰天時(shí)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度低，組件溫度和環(huán)境溫度相差較小。

2)短路電流與光伏組件表面太陽(yáng)輻射強(qiáng)度呈線性關(guān)系，與溫度呈弱線性關(guān)系。通過(guò)傾角實(shí)驗(yàn)可以看出，一定范圍內(nèi)的傾角變化對(duì)傾斜面上的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和短路電流的影響較小。

3)開(kāi)路電壓與組件溫度呈負(fù)線性關(guān)系，與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度呈正線性關(guān)系，但組件溫度對(duì)開(kāi)路電壓的影響更大。

4)當(dāng)有陰影遮擋時(shí)，短路電流和開(kāi)路電壓均隨組件傾斜面太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化發(fā)生陡降，而組件溫度緩慢下降。這說(shuō)明在太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較低時(shí)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度對(duì)開(kāi)路電壓產(chǎn)生的影響較大。