多種光伏組件的性能及影響對比研究

羊術(shù)創(chuàng)，陳思銘，李冰之，孫韻琳，2 ，肖文平

（1.廣東華矩檢測技術(shù)有限公司，廣東 廣州 516400；2.順德中山大學太陽能研究院，廣東 佛山 528300；3.順德職業(yè)技術(shù)學院 智能制造學院，廣東 佛山 528333）

隨著全球光伏應(yīng)用市場和光伏組件生產(chǎn)規(guī)模增長迅猛，光伏組件在實際應(yīng)用中的發(fā)電性能問題已受到普遍關(guān)注。陳菊芳等研究了銅銦鎵硒光伏組件、碲化鎘光伏組件和非晶硅光伏組件在廣州地區(qū)的發(fā)電性能，但缺少單晶硅光伏組件和多晶硅光伏組件的實驗數(shù)據(jù)，也沒有給出同期的太陽能輻照量，因此無法對薄膜光伏組件與晶硅光伏組件的發(fā)電性能進行比較［1］。張傳升研究了單晶硅光伏組件、多晶硅光伏組件、非晶硅光伏組件、銅銦鎵硒光伏組件和碲化鎘光伏組件在北京地區(qū)的發(fā)電性能［2］，結(jié)果表明了銅銦鎵硒光伏組件的發(fā)電性能最優(yōu)，其次是單晶硅光伏組件和多晶硅光伏組件，非晶硅和碲化鎘光伏組件的發(fā)電量明顯低于前三者。我國幅員遼闊，縱跨緯度近50°，氣候類型復(fù)雜多樣［3］。不同地區(qū)、不同光伏組件的發(fā)電性能可以使用PR指標進行比較，但是無法從PR指標中獲悉不同光伏組件發(fā)電性能存在差異的原因。

為了研究各種光伏組件發(fā)電系統(tǒng)在實際中的發(fā)電性能及其主要影響因素，項目研究組在佛山市順德區(qū)廣東工業(yè)設(shè)計城建造了光伏實驗平臺，對同一戶外條件下對不同類型光伏組件發(fā)電系統(tǒng)進行長期的實驗觀測，研究在同一環(huán)境下，多種光伏組件發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電性能及其影響因素。

1 實驗平臺介紹

實驗平臺坐落于廣東省佛山市順德區(qū)廣東工業(yè)設(shè)計城辦公樓樓面（東經(jīng)113.2°，北緯22.9°），當?shù)貧夂驅(qū)儆趤啛釒駶櫄夂?，周圍沒有遮擋物。在實驗過程中，各系統(tǒng)采用正常的光伏電站運維管理模式，不進行任何的特殊處理，以便實驗結(jié)果可以給實際工程應(yīng)用提供參考。

圖1是本實驗平臺現(xiàn)場。本實驗平臺采用統(tǒng)一固定傾角安裝，其安裝角度為16°，方位角為南偏西5°。實驗平臺裝有4種光伏組件搭建成的6個系統(tǒng)，分別是：1個m-Si 1#單晶PREC光伏組件系統(tǒng)、1個m-Si 2#單晶常規(guī)光伏組件系統(tǒng)、2個陣列同個廠家的多晶硅光伏組件系統(tǒng)、1個陣列的CIGS光伏組件（共蒸法）系統(tǒng)、以及1個陣列的非晶硅光伏組件（非微晶硅基雙結(jié)疊層）系統(tǒng)。系統(tǒng)配置見表1所示：

圖1 光伏實驗平臺現(xiàn)場

表1 實驗平臺各系統(tǒng)配置

所有光伏組件都提前進行了IV、EL等的初裝檢測，以保證后期數(shù)據(jù)分析、對照的準確性和嚴謹性。實驗平臺設(shè)有環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，用于自動監(jiān)測、采集和保存溫度、濕度、風速、風向和水平面太陽輻照度等環(huán)境數(shù)據(jù)及光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電數(shù)據(jù)。

2 參數(shù)定義

光伏并網(wǎng)發(fā)電站的系統(tǒng)綜合效率是表征光伏電站運行性能的重要指標。GB 50797-2012 《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》給出光伏發(fā)電站上網(wǎng)電量計算公式為：

式中：

EP為上網(wǎng)發(fā)電量（kWh）；HA為水平面太陽能總輻照量（kWh/㎡）；ES為標準條件下的輻照度（常數(shù)=1 kWh/㎡）；PAZ為組件安裝容量（kWp）；K為綜合效率系數(shù)，包括：光伏組件類型修正系數(shù)K1、光伏方陣的傾角K2、方位角修正系數(shù)K3、光伏發(fā)電系統(tǒng)可用率K4、光照利用率K5、逆變器效率K6、集電線路損耗K7、升壓變壓器損耗K8、光伏組件表面污染修正系數(shù)K9、光伏組件轉(zhuǎn)換效率修正系數(shù)K10

由公式（1）可以反推出K的計算公式為：

K的實際定義為：

光伏組件類型修正系數(shù)K1是表征光伏組件材料類型與發(fā)電性能關(guān)聯(lián)度的客觀指標。由公式（2）和（3），剔除其它因素的影響，研究組利用實驗平臺分析評價不同材料的K1特性。在K的10個影響因子中，實驗平臺的光伏發(fā)電系統(tǒng)均安裝于同一地點，采用相同的傾角和方位角統(tǒng)一并網(wǎng)，在運維管理方面采用一致化運維方式，它們位于同一個屋面，各子系統(tǒng)采用的線纜基本一致，且本項目屬于低壓220 V并網(wǎng)不需要使用升壓變壓器，故可認為各系統(tǒng)的K2、K3、K4、K7和K8這 5個系數(shù)均為一致；分析所選取的135組數(shù)據(jù)，均是一整天發(fā)電，數(shù)據(jù)完整，故各系統(tǒng)光照利用率K5也一致。為了更為準確分析不同材料類型光伏組件的系統(tǒng)性能，研究組采用系統(tǒng)實際容量進行計算以消除光伏組件轉(zhuǎn)換效率修正系數(shù)K10的影響。

K6為逆變器效率系數(shù)，由于項目研究組并未對各子系統(tǒng)逆變器進行逆變器效率測試，故采用廠家提供的逆變器歐洲效率值，逆變器效率系數(shù)記為K6'；光伏組件表面污染修正系數(shù)K9為光伏發(fā)電系統(tǒng)的常用參數(shù)，需根據(jù)實驗平臺各系統(tǒng)的具體情況而確定；根據(jù)K6'和K9得出各系統(tǒng)的光伏組件類型修正系數(shù)K1'，其計算公式為：

3 實驗分析

晶硅光伏組件的4個系統(tǒng)和薄膜光伏組件的兩個系統(tǒng)分別于2016年10月15和11月20日開始并網(wǎng)發(fā)電，為了使對比更具有合理性，項目研究組提取2016年12月1日至2017年5月30日共135個有效天數(shù)的發(fā)電數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。通過氣象監(jiān)控數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)統(tǒng)計，在實驗平臺運行有效天數(shù)內(nèi)，累計水平面總輻照量為423.58 kWh/㎡。

3.1 污漬灰塵對系統(tǒng)發(fā)電量的影響分析

采用合理的清洗方案，能有效提高系統(tǒng)的發(fā)電量，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)收益。實驗平臺處于工業(yè)區(qū)，根據(jù)平臺的規(guī)模和所在位置的特殊性，采用人工清洗，在篩選的135組有效數(shù)據(jù)期間，實驗平臺共清洗了兩次。

實際上K9反映了灰塵影響程度，當無灰塵遮擋時，K9值即為1。研究組視清洗后在短時間運行內(nèi)無灰塵遮擋，因此可根據(jù)兩次清洗前后的性能改變程度來計算K9。通過定義得

圖2 2017年2月10日傍晚清洗前后三天系統(tǒng)運行情況

圖3 2017年4月13日傍晚清洗前后三天系統(tǒng)運行情況

表2 實驗平臺兩次清洗前后平均系統(tǒng)效率及污漬遮擋損失情況

不同的降雨強度對灰塵的沖刷量不同，通常情況下降雨強度與其沖刷作用成正比［4］，由圖2、圖3及表2可知，各陣列在清洗后系統(tǒng)綜合效率K'都有一定的提升，但兩次清洗后效率提升差異明顯，分析其主要原因為佛山地區(qū)在2、3和4月份雨水比較充沛，降雨對光伏組件表面的灰塵具有沖刷作用，因此在降雨量和降雨頻率較高的廣東2月份，雨水清潔光伏組件后光伏發(fā)電系統(tǒng)效率的提升比值會小于降雨量和降雨頻率更低的4月份。

比較分析兩次數(shù)據(jù)均顯示：m-Si 1#、m-Si 2#、p-Si 1#和p-Si 2#在清洗過后效率提升比值基本一致，而CIGS和a-SI清洗前后效率提升結(jié)果基本一致且明顯高于前四者。造成各系統(tǒng)在清洗前后效率提升存在差異主要由封裝玻璃的不同所致：實驗平臺的6個系統(tǒng)中，m-Si 1#、m-Si 2#、p-Si 1#和p-Si 2#的光伏組件均采用鍍膜玻璃，而CIGS和a-SI采用非鍍膜工藝玻璃；鍍膜玻璃除了透過率增益帶來的功率增益以外，其良好的親水性也可以提升光伏組件表面自清潔性能，從而提升光伏組件的戶外輸出性能［5］。從這可以得出，在條件允許的情況加強對CIGS和a-Si的清洗頻率將有效提高系統(tǒng)的發(fā)電量。

通過對清洗前后系統(tǒng)綜合效率的變化，可得6個系統(tǒng)分別對應(yīng)的光伏組件表面修正系數(shù)K9'。K9'是一個相對系數(shù)，以兩次清洗前后三天K'變化的平均值來表示。灰塵等污漬對光伏系統(tǒng)的影響是一個呈上升變化的過程，為更準確表示系統(tǒng)在兩次清洗期間的光伏組件表面污染修正系數(shù)，我們?nèi)∏昂笕霮'變化的平均值的中間值K9'mid。由此可以得到實驗平臺各系統(tǒng)光伏組件表面污染修正系數(shù)K9'mid見表3。

表3 實驗平臺各系統(tǒng)光伏組件表面污染修正系數(shù)

需要補充說明的是，圖中部分日的K9'值高于1，這是因為光伏陣列是以16°傾角朝南偏西5°安裝的，光伏陣列傾斜表面接收到的太陽輻射量高于水平面太陽輻射量，而我們是采用水平面的每月總太陽輻射量來計算每日系統(tǒng)K'值的，因此，出現(xiàn)了部分的K'值大于1的現(xiàn)象。

3.2 組件類型對系統(tǒng)發(fā)電量影響對比分析

由上述分析可得，各系統(tǒng)的光伏組件類型修正系數(shù)K1'為：

則實驗平臺的6個系統(tǒng)、4類光伏組件的K1'見表4：

將m-Si 1#和m-Si 2#的K1'取平均值，p-Si 1#和p-Si 2#取平均值，更能反映單晶硅光伏組件和多晶光伏組件的K1。通過觀察，我們可以發(fā)現(xiàn)m-Si1#、m-Si 2#、p-Si 1#、p-Si 2#和CIGS的K1'基本一致，a-Si較低只有0.88。

表4 實驗平臺各系統(tǒng)光伏組件類型修正系數(shù)

影響K1的原因是不同類型光伏組件的量子效率，量子效率差異主要表現(xiàn)在其光譜響應(yīng)的差異。

圖4展示了八種不同類型太陽電池的光譜響應(yīng)曲線?？梢杂^察得到，CIGS光伏組件的吸收范圍最廣，光譜吸收范圍約為220～1 380 nm，其次是單晶硅光伏組件和多晶硅光伏組件，二者的光譜吸收范圍均約為300～1 200 nm；非晶硅光伏組件的光譜吸收范圍最窄，光譜吸收范圍約為350～800 nm。

圖4 八種不同類型太陽電池的光譜響應(yīng)曲線［6］

實驗平臺的4類光伏組件的光伏組件類型修正系數(shù)K1'與其光伏吸收范圍具有一致性。故在同個光譜輻照度下，由于光譜響應(yīng)范圍的差異，a-Si的發(fā)電性能弱于前三者。

3.3 發(fā)電性能比較分析

觀測表5實驗平臺中各個子系統(tǒng)的歸一化發(fā)電量（取有效天數(shù)），得到排序為：m-Si 1#最高，其次分別是p-Si 2#、p-Si 1#、m-Si 1#、CIGS和a-Si，其中m-Si 1#比a-Si高出17.8%。

表5 實驗平臺光伏組件發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電數(shù)據(jù)和歸一化發(fā)電量

圖5展示了實驗平臺6個系統(tǒng)的月度平均系統(tǒng)效率?？梢杂^察得到，m-Si 1#的系統(tǒng)綜合效率始終是最高，其次分別是p-Si 2#、p-Si 1#、m-Si 1#、CIGS 和 a-Si。

圖5 6個系統(tǒng)每月平均綜合系統(tǒng)效率

4 結(jié)論

基于廣東工業(yè)設(shè)計城樓頂光伏實驗平臺的6個系統(tǒng)、4種不同光伏組件的運行數(shù)據(jù)，對單晶硅光伏組件、多晶硅光伏組件、非晶硅薄膜光伏組件和銅銦鎵硒光伏組件4類光伏發(fā)電系統(tǒng)進行長期實驗監(jiān)測，通過定義組件類型系統(tǒng)綜合效率K1'、結(jié)合灰塵清潔和光譜響應(yīng)分析各類系統(tǒng)在實際運行下的發(fā)電性能的影響因素：1）在系統(tǒng)發(fā)電性能上，采用同種運維清洗方案，鍍膜光伏組件發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電性能優(yōu)于非鍍膜光伏組件發(fā)電系統(tǒng)。2）從光伏組件類型修正系數(shù)K1'上看，單晶硅光伏組件、多晶硅光伏組件和銅銦鎵硒光伏組件在發(fā)電性能上基本一致，非晶硅薄膜光伏組件發(fā)電性稍弱。通過分析鍍膜和非鍍膜光伏組件發(fā)電系統(tǒng)運維清洗方案對光伏系統(tǒng)發(fā)電量的影響，對企業(yè)進行光伏應(yīng)用行為給出科學的指導(dǎo)方法，能夠最大程度的保證企業(yè)的收益。