光伏组件选型对光伏系统发电量的影响_韩晓艳.pdf

太阳能 SOLAR ENERGY SOLAR ENERGY 5/2012 30 技术与产品 一 引言 随着能源供应紧张、 环境污染和气候变化等 问题的日趋严重， 光伏发电作为一种清洁的可再 生能源得到快速发展。 但较高的发电成本仍制约 了大规模应用， 因此， 如何降低光伏发电成本已成 为光伏行业的发展目标。 其中， 优化系统设计使其 获得最大发电量， 是降低发电成本的重要途径。 光伏系统发电量通常由装机容量、 系统效率 及年辐照时数的乘积计算得到， 计算系统效率时 把光伏组件功率转化为标况功率， 忽略了辐照度、 温度等天气情况对光伏组件输出特性的影响。 光 伏组件作为发电系统的核心部件， 不同种类的光 伏组件具有不同的发电特性。 因此， 研究光伏组件 选型可进一步优化光伏系统设计， 达到降低成本 的目的。 光伏系统主要从组件、 逆变器、 安装角度等 光伏组件选型 对光伏系统发电量的影响 北京京东方能源科技有限公司 ■ 韩晓艳 赵鹏 宋行宾 侯现伟 刘敬伟 深入研究了不同种类光伏组件在不同天气条件下的发电特性以及相同种类不同厂家光伏组件的 发电特性。 实验结果表明不同种类太阳电池在不同季节的发电特性存在明显差异。 晶体硅和 CIGS 铜铟镓硒 电池冬季发电量明显高于硅薄膜电池， 最多可多发电 10 左右 ； 随时间推移， 三者之间的差异先逐渐减小后增加， 到夏季硅薄膜反超多晶硅和 CIGS， 最多可多发电 20 左 右。 同时， 结合光辐照度、 温度、 湿度等天气资料， 测试结果表明 晶体硅和 CIGS更适合辐照 量高、 温度低、 湿度小的中国北部地区 ； 硅薄膜在辐照度不高、 温度高、 湿度大的中国南部大 部分地区具有更高发电量。 光伏组件 ； 户外性能 ； 发电量 ； 光伏组件选型 摘 要 关键词 方面进行优化设计。 国外相关机构通过建立户外 测试系统， 对其影响因素进行长期监测和研究 [1] ， 为光伏电站提供了大量依据和建议， 间接促进了 光伏电站在国外的大规模推广和应用。 而国内研 究机构或公司 [2] 几乎都没有开展此项工作， 这使光 伏系统设计缺少数据支持， 使系统成本及系统发 电量都很难达到最优设计， 在一定程度上阻碍了 光伏电站在国内的大规模推广。 为此， 笔者以所在公司 2010 年 10 月建立的光 伏户外测试系统为平台， 结合天气数据， 对不同种 类电池的发电特性进行分析， 从而得到不同地区 较合适的电池类型。 二 实验测试系统及参数设定 光伏户外测试系统建在北京地区， 主要由电 子负载、 多种类型光伏组件、 天气系统和监控电脑 技术与产品 太阳能 SOLAR ENERGY SOLAR ENERGY 5/2012 31 组成， 示意图及实物图如图 1 、 2 所示。 该平台具 有的特点及功能有 每个光伏组件对应一个电子 负载 ； 具有最大功率跟踪 MPPT 功能， 即通过控制 电子负载阻值使得相应光伏组件工作于最大功率 下， 以实现光伏电站中光伏组件的真实运行状态 ； 可采集光伏组件的 I-V 曲线、 开路电压、 短路电流、 最大功率、 单位每瓦发电量等电学性能信息 ； 能监 测和采集光辐照量、 风速和环境温度等。 利用该平 台分析了 9 种不同光伏组件的发电特性， 光伏组件 参数见表 1 。 总辐照度计 图 1 光伏测试系统连接示意图 图 2 光伏组件户外测试平台实物图 散射辐照度计 直接辐照度计 环境温湿度计 风力风向仪 zzzzzzzz 电子负载单元 电子负载单元 zzzzzzzz 模组 n模组 15模组 14模组 13模组 12模组 11模组 10模组 9 数据记录仪 电脑 电学测试设备 三 实验结果与讨论 1 发电量结果分析 为便于比较， 发电量都归一化到每 W ， 即发 电量 / 标准光谱实测功率。 不同种类光伏组件的累计总发电量如图 3 。 由 图 3 可知， 不同种类电池的发电特性有明显差异， 以 晶体硅 1 为基准， 非晶硅 薄膜 最高可多发电 5.4 ， 而 CIGS 少发电 3.8 。 值得关注的是， 采用不同方法制 备的相同种类电池的发电量明显不同， 尤其是制备 技术种类繁多且技术较新的非晶硅电池， 采用传统 EPV 技术制备的电池性能要低于其他技术， 这说明 非晶硅电池品质参差不齐， 更需要谨慎选择。 光伏组件累计发电量的差异， 可能是由于不 同的天气条件引起的， 因此对每月发电量进行分 析， 结果如图 4 。 由于每月测试天数不同， 将发电 图 3 光伏组件累计发电量对比 发电量 /kWh W-1 1.400 1.200 1.000 0.800 0.600 0.400 2010 年 11 月～ 2011 年 10 月 非晶 硅 1 非晶 硅 2 非晶 硅 3 非晶 硅 4 非晶 硅 5 CIGS 晶体 硅 1 晶体 硅 2 晶体 硅 3 与晶体硅 1 对比 1.129 1.080 0.938 1.118 1.051 1.030 1.071 1.088 1.074 5.4 0.8 -12.4 4.3 -1.9 -3.8 0.0 1.6 0.3 10.0 0.0 － 10.0 － 20.0 － 30.0 － 40.0 5.4 0.8 -12.4 4.3 -1.9 -3.8 0.0 1.6 0.3 技术与产品 模组 1 模组 2 模组 3 模组 4 模组 5 模组 6 模组 7 模组 8 太阳能 SOLAR ENERGY SOLAR ENERGY 5/2012 32 表 1 光伏组件参数表 名称 电池类型 标称功率 /W 标准光谱实测 /W 设备类型 硅薄膜 1 单结非晶硅 95 97 卧式单室多片 硅薄膜 2 非晶硅 / 非晶硅 48 48 立式单室多片 硅薄膜 3 非晶硅 / 非晶硅 50 52 立式单室多片 硅薄膜 4 非晶硅 / 非晶硅锗 / 非晶硅锗 55 48 卷对卷技术 硅薄膜 5 非晶硅 / 微晶硅 120 120 多室单片 Cluster CIGS CIGS 75 75 共蒸发 晶体硅 1 多晶硅 185 186 － 晶体硅 2 多晶硅 240 242 － 晶体硅 3 单晶硅 200 204 － 量归一化到每天进行比较， 其中比值为 非薄膜 1 或 CIGS 发电量－晶体硅 1 发电量 / 晶体硅 1 发电量计 算得到。 由图 4 可知， 12 月～ 次年 2 月 为 冬季， 晶 体硅和 CIGS 的发电量高于硅薄膜， 最高可多发电 10 ， 随季节变化， 差异先逐渐减小后又反向增大， 在 4 ～ 7 月 份 ， 硅薄膜发电量高于晶体硅和 CIGS ， 最多可达 17 。 同时， 每种电池都在 3 ～ 5 月 份 发 电量最高， 这可能与该季节晴朗天数较多有 关。 2 天气对不同种类电池发电特性的影响 1 光辐照度对电池性能的影响 对典型的两个季节 冬季和夏季 光辐照度情况 进行分析， 分别挑选 1 月和 7 月中日辐照量最高的 两天， 分析辐照度对不同电池发电性能的影响。 辐照度与不同电池输出特性曲线如图 5 所示， 其中输出功率比值 实际输出功率 / 额定功率。 可 图 4 硅薄膜、 多晶硅和 CIGS 太阳电池的每瓦月发电量 随季节的变化曲线图 0.005 0.004 0.003 0.002 20 15 10 0 -5 -10 -15 -20 2010.12 2011.2 2011.4 2011.6 2011.8 2011.10 月份 比率 / 发电量 /kWh W-1 d-1 图 5 辐照度与电池输出特性曲线 1000 800 600 400 200 0 7 00 9 00 11 00 13 00 15 00 17 00 19 00 时间 非晶硅薄膜 CIGS 晶体硅 辐照度 辐照度 /W m-2 辐照度 /W m-2 1000 800 600 400 200 0 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 输出功率比值 输出功率比值 冬季 夏季 以看到， 在同一时间条件下， 夏季的辐照度明显高 于冬季， 随辐照度变化， 各种电池的输出特性都有 相同的变化趋势， 即电池发电量随辐照度增加而 增加。 冬季和夏季在相同辐照度下， 3 种电池的输 出特性的变化不同。 辐照度在 500W/m 2 时， 冬季 CIGS ＞晶体硅≥硅薄膜， 夏季 硅薄膜＞晶体硅≥ CIGS ， 这说明除辐照度外， 还有其他因素影响电 池的输出特性。 2 温度和湿度对电池性能的影响 冬季、 夏季的温度和湿度随时间的变化曲线 图如图 6 所示。 从图 6 可看到， 夏季的温度和湿度 都高于冬季。 对于晶体硅和硅薄膜， 造成两个季节发电特 性差异为 温度系数， 晶体硅 −0.45 ＞硅薄膜 −0.27 ， 这说明随温度升高晶体硅输出功率降 低更多 ； 非晶硅太阳电池的热退火效应 [3 ～ 5] ， 使非 技术与产品 太阳能 SOLAR ENERGY SOLAR ENERGY 5/2012 33 晶硅在一定的高温下反而具有更好的输出特性 ； 550nm 波段范围的光辐照量也随着夏季的临近而 迅速增加 [6] ， 这使在此波段具有更高吸收系数的非 晶硅具有更高的输出特性。基于此，硅薄膜电池在 夏季可比晶体硅多发电约 20 。 对于 CIGS ，其温度系数为 −0.36 ，发电量应 位于中间位置，但从图 4 得知， 7 月份 CIGS 的发 电量最低，这说明 CIGS 的发电量还受湿度影响 [7] 。 夏季湿度较大， CIGS 发电特性有所降低。而湿度 对电池性能的影响不可恢复，因此在 2011 年冬季 的发电量也低于另外两种电池。 综上分析， 太阳辐照度、 温度和湿度是影响 电池发电特性的主要原因。 晶体硅、硅薄膜、 CIGS3 种电池中，晶体硅对温度敏感， CIGS 对温 度、湿度都比较敏感，硅薄膜电池对环境适应性表 现更强，优于其他两种电池。 3 我国不同地区适合的电池类型 我国不同地区的太阳能资源分布图如图 7 所 示。结合上述分析得知，我国北方地区，辐照量在 5850MJ/m 2 a 以上，且温度低、湿度小，采用晶 体硅或 CIGS 的光伏系统应具有更高发电量；我国 南方地区，虽也有辐照量较高的地区，但由于温度 较高、湿度较大，这些地区采用硅薄膜电池应具有 更高的发电量。 四 结论 基于北京地区首套光伏组件户外测试平台， 图 6 不同季节温度和湿度随时间的变化曲线 60 50 40 30 20 10 冬季湿度 夏季湿度 冬季温度 夏季温度 40 35 30 25 20 15 10 5 0 -5 -10 温度 / ℃ 7 00 9 00 11 00 13 00 15 00 17 00 19 00 湿度 / 时间 图 7 太阳能资源分布图 （来源 风能太阳能资源评估中心） ＞ 9250 高 7550 5850 5000 ＜ 4150 低 对不同种类光伏组件的发电特性进行监测。 通过 研究不同种类光伏组件在不同天气条件下的发电 特性， 分析光伏组件在冬季和夏季发电特性的差 异， 得到不同地区选择最适合光伏组件的判定依 据。不同种类光伏组件都有其更适合的天气环境， 晶体硅和 CIGS 更适合辐照量高、温度低、湿度小 的我国北方地区；硅薄膜电池在辐照度不高、温度 高、 湿度大的我国南方大部分地区应该具有更高 发电量。因此，在不同地区根据天气情况和光伏组 件性能，选择合适的光伏组件类型，可有效提高系 统发电量，降低发电成本。 参考文献 [1] Marion B, Kroposki B, Emery K, et al. 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