溫度對光伏組件的影響及溫度的影響因素

伊紀(jì)祿 胡濤 袁明翰 王金玉

【摘 ?要】國內(nèi)光伏所產(chǎn)生的發(fā)電量也已經(jīng)在國內(nèi)總發(fā)電量中占據(jù)了一定的比例，如何更好地提高電站的發(fā)電量至關(guān)重要。本文首先探討了溫度對光伏組件實(shí)際發(fā)電的影響，然后分析可能導(dǎo)致溫度變化的因素，如環(huán)境溫度、輻照度分布和風(fēng)力條件，并分別研究了這些因素對組件溫度以及組件功率輸出的影響，最后分析組件在實(shí)際的復(fù)雜環(huán)境條件下的實(shí)際功率輸出變化。結(jié)果顯示環(huán)境溫度、輻照度分布的變化以及風(fēng)速的變化都會影響組件溫度，進(jìn)而影響組件的功率輸出。

【關(guān)鍵詞】光伏電池;組件溫度;光伏電站

目前國內(nèi)的光伏總裝機(jī)容量已經(jīng)形成較大規(guī)模，截止到2017年底，中國大陸光伏總裝機(jī)容量達(dá)到1.3億千瓦，占全球總裝機(jī)容量的32.4%。光伏所產(chǎn)生的發(fā)電量在國內(nèi)總發(fā)電量中的比重已經(jīng)超過3%。光伏電站的發(fā)電能力是電站的主要評價因素，因此在光伏電站的初始設(shè)計中，發(fā)電量預(yù)測成為至關(guān)重要的一環(huán)。光伏組件的輸出功率與光伏組件表面所接受到的光強(qiáng)成正比，因此大部分光伏電站的初始設(shè)計以及組件選型是根據(jù)建設(shè)地的光資源情況來進(jìn)行。但是光強(qiáng)并不是唯一影響因素，溫度對組件輸出功率的影響同樣巨大。

1、溫度影響的原理

光伏電池作為一種光電子半導(dǎo)體器件，溫度是影響其性能的重要因素。隨著溫度的升高，光伏電池材料的禁帶寬度會變小，本征載流子濃度會變大，短路電流Isc會有略微的提升;P-N結(jié)的內(nèi)建勢變小，復(fù)合載流子遷移率減小，復(fù)合系數(shù)增大，因此開路電壓VOC和填充因子FF會變小，短路電流的增加彌補(bǔ)不了開路電壓和填充因子的減小對轉(zhuǎn)換效率的影響，組件峰值功率會降低【1】，組件峰值功率受溫度影響率公式可大體總結(jié)為 。某廠家STC（標(biāo)準(zhǔn)測試條件）峰值功率為338.5W的組件，在大氣質(zhì)量AM1.5、輻照度1000 w/m2的條件下，其不同溫度下的峰值功率數(shù)據(jù)見下表：

結(jié)果顯示：對對實(shí)驗(yàn)組件來說，溫度每提升一度，峰值輸出功率下降約1.36W，功率的相對溫度系數(shù)為-0.4%。實(shí)際電站中，組件在不同地區(qū)，不同情況下的工作溫度可能會相差十幾度，尤其是部分屋頂安裝組件，其實(shí)際工作溫度甚至?xí)_(dá)超過80℃。所以溫度對組件的功率輸出影響是巨大的。

2、組件工作溫度計算方法

國際標(biāo)準(zhǔn)“IEC 61852-2：2016《光伏組件性能測量與能效評定第2部分：光譜響應(yīng)、入射角度和組件工作溫度測量》中的章節(jié)8：確定組件工作溫度的影響因子的方法”中給出了具體的公式。具體公式為 ，其中Tm為組件實(shí)際溫度;Tamb為環(huán)境溫度;G為實(shí)時輻照度;u0為輻照度影響因子;u1為風(fēng)速影響因子; 為實(shí)時風(fēng)速。

此標(biāo)準(zhǔn)的目的在于確定環(huán)境溫度、風(fēng)速、光吸收對能源產(chǎn)品的影響，光伏組件的溫度與環(huán)境溫度、風(fēng)速、輻照度和其安裝系統(tǒng)存在的函數(shù)關(guān)系[2]，以便于更好的預(yù)估發(fā)電量。本文主要分析除環(huán)境溫度以外的其他溫度因素對組件的影響。選取組件的輻照度影響因子u0=27.4 風(fēng)速影響因子u1=7.566，其標(biāo)稱組件工作溫度（NMOT）為42.9℃。STC（標(biāo)準(zhǔn)測試條件）下的峰值功率輸出為350W，組件功率相對溫度系數(shù)為-0.45%。

2.1輻照度分布所帶來的溫度變化對功率輸出的影響。

上述兩地區(qū)風(fēng)速 始終保持在1m/s，且環(huán)境溫度Tamb始終為20℃。將已知環(huán)境條件、輻照度影響因子和風(fēng)速影響因子帶入公式 T得出組件溫度與輻照度的線性公式 Tm=G/，將表2中的輻照度數(shù)據(jù)代入上式計算得出各輻照度下的溫度，結(jié)合組件STC功率和溫度系數(shù)并進(jìn)行時間積分，計算得出地區(qū)A總輻照量為2.157KWh，地區(qū)B為2.226KWh，地區(qū)實(shí)際發(fā)電量差別為3.2%。

小結(jié)：雖然以上舉例看似比較極端化，但是不同地區(qū)確實(shí)存在這方面的差異。比如有些地區(qū)日照時間長，但是天氣條件存在霧或者霾，全天輻照度都不高;有些地區(qū)可能由于某些遮擋因素（例如山溝）導(dǎo)致其日照時間短，但是日照時間內(nèi)其輻照資源非常好。這兩種條件下，實(shí)際發(fā)電情況是需要做上述分析來更加準(zhǔn)確的預(yù)估其發(fā)電量。

2.2 風(fēng)速不同所帶來的溫度變化對功率輸出的影響：

組件工作條件為環(huán)境溫度為20℃，輻照度為800 ?W/m2，將已知環(huán)境條件、輻照度影響因子和風(fēng)速影響因子帶入公式 ，得出組件溫度與風(fēng)速 的線性公式： ，計算得出不同風(fēng)速下組件溫度，并結(jié)合組件STC功率和溫度系數(shù)進(jìn)行修正，得出組件的輸出功率，得出：風(fēng)速對組件的溫度以及實(shí)際輸出功率影響很大，尤其是在低風(fēng)速區(qū)域，比如風(fēng)速由無風(fēng)變化為1 m/s時，組件溫度降低9.1℃，輸出功率提高12 W，風(fēng)速由1 m/s變化為2 m/s時，輸出功率提高也有7 W。

小結(jié)：電站建設(shè)選址時要充分考慮建設(shè)地的風(fēng)速，日照時間內(nèi)長期處于無風(fēng)或者風(fēng)速長期不高于2 m/s的地區(qū)，需要謹(jǐn)慎考慮;電站規(guī)劃以及施工過程中，組件的排布需要考慮通風(fēng)問題，在保證組件接受足夠多的光照的同時，還能有更好的通風(fēng)，盡量不讓光伏組件長期處于低風(fēng)速狀態(tài)。

2.3 輻照度分布和風(fēng)速綜合作用所帶來的溫度變化對功率輸出的影響：

實(shí)際的電站選址地區(qū)的氣候是復(fù)雜多變的，輻照度的分布和風(fēng)力資源都有較大波動，這種地區(qū)的發(fā)電量預(yù)估計較困難，下面，我們繼續(xù)采用上述組件，工作條件為環(huán)境溫度20 ℃，將已知環(huán)境條件、輻照度影響因子和風(fēng)速影響因子帶入公式 ，得出實(shí)際工作溫度的計算公式 T，并結(jié)合組件STC功率和溫度系數(shù)進(jìn)行修正得出結(jié)果，實(shí)驗(yàn)室STC峰值功率值為350W的光伏組件在實(shí)際復(fù)雜環(huán)境條件下的功率輸出可能低至只有291.1W，發(fā)電效率差別是相當(dāng)大的。輻照度影響基本成等比變化，風(fēng)速影響是非線性的，低風(fēng)速區(qū)域影響巨大，總體來說，風(fēng)速影響大于輻照度影響。

小結(jié)：針對復(fù)雜環(huán)境條件的電站選址，優(yōu)先考慮風(fēng)力資源，并且輻照度越高，風(fēng)力資源影響越大。

3結(jié)論

影響電站發(fā)電量的因素主要是年輻照量和組件實(shí)際工作溫度[3]，以往的電站設(shè)計中充分的考慮了輻照情況的影響而忽略了溫度的巨大影響，本文主要闡述了實(shí)際工作溫度對光伏組件輸出功率的影響，以及環(huán)境溫度、輻照度分布、風(fēng)速三個實(shí)際工作溫度的影響分量的作用機(jī)理。環(huán)境溫度直接影響組件實(shí)際工作溫度，環(huán)境溫度升高，組件工作溫度就會相應(yīng)數(shù)值的升高，發(fā)電量相應(yīng)降低;輻照度分布不同也可以帶來發(fā)電量差別，輻照量相同，平均輻照度每提高100 ?W/m2，組件溫度提高2.9℃，損失發(fā)電量比例為1.31%;風(fēng)速的影響為非線性，低風(fēng)速區(qū)間，尤其是2m/s以下，差別非常巨大，應(yīng)盡量避免。光伏電站的排布設(shè)計，應(yīng)兼顧光資源利用率和通風(fēng)保障，在保證光資源利用率的情況下，設(shè)計合理的方陣排布、組件排布以及組件處理，盡可能提高通風(fēng)情況，降低組件溫度。資料顯示，光伏組件邊框的開孔處理可以降低組件工作溫度3℃[1];當(dāng)組件與屋頂?shù)木嚯x為0.04m時，組件表面溫度比緊貼屋頂時降低了20℃[4]。光伏電站的組件選型和選址應(yīng)充分考慮環(huán)境因素的影響，在保證光資源的情況下，兼顧環(huán)境溫度、日照時間的風(fēng)速、輻照度分布等因素，進(jìn)而更準(zhǔn)確的預(yù)測電站發(fā)電量。

參考文獻(xiàn)：

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[3]呂學(xué)梅，孫宗義，曹張弛，電池板溫度和輻射量對光伏發(fā)電量影響的趨勢面分析，可再生能源：2017.07 ?922-927

[4]于佳禾，許盛之，韓樹偉等 太陽電池與光伏組件溫度特性及其影響因素的分析。太陽能：2018.03 ?29-36

作者簡介：

伊紀(jì)祿（1985-），男，山東省人，本科，工程師，主要研究方向?yàn)樘柲茈姵販y試。

（作者單位：中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所）