影响光伏系统输出性能的典型因素分析

第九届中国太阳级硅及光伏发电研讨会论文（光伏发电系统与应用）影响光伏发电系统输出特性的典型因素分析孙韵琳 1,2，陈荣荣 1，陈思铭 2，吴淼 2，沈辉 1,2*（ 1.中山大学太阳能系统研究所， 广州 510006； 2.顺德中山大学太阳能研究院， 顺德 528300）摘 要 ：光伏发电系统的输出特性受诸多因素影响。本文以顺德中山大学太阳能研究院的 6 kWp 示范电站以及固定式多角度光伏发电系统为对象，重点分析了太阳辐照度、组件安装倾角、阴影遮挡效应和 PID 现象等光伏阵列失配损失对光伏发电系统输出性能造成影响的原理及特性。关键词 ：光伏电站，输出性能，安装倾角、 PIDTypical Factors of Affecting the Output Characteristics of PV Systems Yunlin Sun1, 2, Rongrong Chen1, Siming, Chen2, Miao Wu2, HuiShen1, 2*(School of Physics and Engineering, Sun Yat-Sen University, Guangzhou, China; ShunDe SYSU Institute for Solar Energy, Shunde, China)Abstract: The output Characteristics of photovoltaic systems are affected by different factors. In this paper, a 6 kWp exemplary PV system and a stationary multi-angle PV system of ShunDe SYSU Institute for Solar Energy are investigated, aiming to analyze the effects of solar irradiation, installation angle of components, partial shading to PV systems and PID phenomenon, whose principles and characteristics influence the performance of PV systems. Key Words： PV system, characteristics, installation angle, PID 一、引言目前， 全国各地已建成很多光伏发电系统， 根据统计数据 [1]， 2012 年新增大型并网光伏电站容量为 1,868.6 MWp ，截至 2012 年底全国累计建成的大型并网光伏电站总容量达 4,193.6 MWp。然而从实际检测及监测结果显示，建成的光伏发电系统在真正运行时的输出性能与在设计中的预期输出有较大差距， 主要归咎于光伏系统在实际运行中受到了诸多因素的影响。 因此， 分析影响光伏发电系统输出性能的因素可以为电站日常运行维护提供参考， 进而实现光伏发电系统尽可作者信息： 孙韵琳（ 1984-） ，男，博士研究生，从事光伏发电技术应用与研究。通讯作者： 沈辉 （ 1956-） ， 男， 博士， 教授， 从事太阳能材料及光伏发电技术应用研究。 Email: shenhui1956@163.com能发挥最大作用，提高电站收益。在光伏电站设计、施工和运行等环节中均会产生影响系统输出特性的因素，本文以顺德中山大学太阳能研究院的 6kWp 示范电站以及固定式多角度光伏发电系统为对象，重点分析了太阳辐照度、组件安装倾角、阴影遮挡效应和 PID 现象等光伏阵列失配损失对光伏发电系统输出性能造成影响的原理及特性。二、影响光伏发电系统输出性能的因素分析2.1 太阳辐照度的影响由于太阳电池光生电流大小与太阳辐照度大致呈线性变化趋势，因而使光伏发电系统直流输出功率也呈现相应的线性变化 [2]。此处根据顺德中山大学太阳能研究院 6 kWp 示范电站 （只考察其中 4 kWp 使用组串逆变器的部分阵列） 的太阳辐照度和电站运行数据，研究太阳辐照度对光伏发电系统的输出性能的影响。图 1 使用组串逆变器 4kWp 光伏阵列输出功率随辐照度变化曲线图 2 逆变器效率随辐照度变化曲线图 1 为系统输出功率随太阳辐照度的变化曲线，图线显示系统的输出功率与00.511.522.533.54输出功率 kW 太阳辐照度（ W）系统输出功率96.99797.197.297.397.497.597.697.70 200 400 600 800 1000 1200效率（ %）太阳辐照度（ W）逆变器效率太阳辐照度呈大致的指数上升趋势，即说明太阳辐照度的变化并不单单影响光伏组件的直流输出。为此，我们同时研究了不同辐照度情形下逆变器的效率变化曲线，如图 2 所示。由图 2 可知，不同太阳辐照度下逆变器的转换效率并不相同，随着辐照度的上升呈现出先上升后趋于平稳的变化趋势，这一影响使太阳辐照度对光伏阵列输出的影响呈现出类似指数型的变化趋势。2.2 组件安装倾角的影响在并网光伏电站设计中， 通常使用根据 NASA 数据库的气象数据计算当地最佳倾角的设计软件，但是遇到没有 NASA 气象采集点的地区，则会采用离该地区最近的气象采集点采集的气象数据，通过这种方法计算得出最佳倾角实际上并不是该地区真正的最佳倾角。例如，在 NASA 数据库中并没有江西省吉安市隆回县的气象数据，因此前期设计计算当地光伏电站最佳倾角时，只能选取离该地最近的 NASA 气象采集点（江西赣州）的气象数据作为计算依据 [3]。另外，在施工环节，例如进行光伏支架等的安装时会出现一定的误差，偏差有可能会达到 3° ~5° ， 甚至更高， 导致施工完成的光伏方阵倾角并不是最佳倾角，进而影响光伏发电系统的输出功率。为详细描述组件在不同安装倾角下光伏发电系统的输出性能，此处以固定式多角度光伏发电系统为研究对象，对 5 个不同安装倾角的组件（每块组件峰值功率为 50W）的运行情况进行实时监测和发电量的对比分析。 该光伏发电系统中 5 块不同安装倾角的组件从 2012年 9 月 25 日至 2013年 9 月 25 日的年发电量如表 1 和图 3 所示。表 1 不同安装倾角组件从 2012 年 9 月 25 日至 2013 年 9 月 25 日的总发电量组件 1 （倾角 10° ）组件 2 （倾角 15° ）组件 3 （倾角 20° ）组件 4 （倾角 25° ）组件 5 （倾角 30° ）发电量 (kWh) 52.217 52.762 53.316 53.098 52.288 图 3 不同安装倾角的组件发电量5252.252.452.652.85353.253.453.653.85 10 15 20 25 30 35发电量kWh组件安装倾角（度）发电量 kWh 表 2 不同安装倾角组件发电量差值10° 与 15° 15° 与 20° 20° 与 25° 25° 与 30°不同倾角组件发电量差值(kWh) 0.545 0.554 -0.218 -0.810 由图 3 可以推测，顺德地区一年内平均最佳倾角大约在 20° 左右。如表 2 所示，在顺德地区，峰值功率为 50Wp 的光伏组件，由于安装倾角 5° 的偏差，一年总发电量相差可高达 0.810kWh，若对于一个 1MWp 的光伏电站，光伏组件的安装倾角偏差 5°， 在一年时间里可能使整个光伏发电系统损失约 16,200 kWh 的发电量，这将给业主造成严重的直接经济损失。2.3 光伏方阵的失配损失光伏方阵的失配损失是指组成光伏组件的电池的输出功率不一致或同一个光伏方阵中光伏组件的输出功率不一致导致的整个光伏阵列输出功率损失 [4]。本节对遮挡效应、光伏组件的隐裂和碎片以及在运行过程中光伏组件可能产生的 PID现象导致光伏方阵的失配损失进行阐述。2.3.1 遮挡效应对光伏方阵输出功率的影响光伏电站在运行过程中由于遮挡物的遮挡对光伏电站输出性能造成影响的情况十分普遍。遮挡物一般是云层、光伏电站周边的树木、建筑、防雷设施以及鸟粪、灰尘等，这些遮挡物会在光伏组件上形成一定的阴影，对组件的性能产生影响，进而导致整个光伏发电系统输出性能的下降。另外，在有些光伏电站中由于设计不当而出现光伏方阵前后排之间遮挡的现象。下图 4 和图 5 所示为常见的遮挡现象。图 4 方阵之间遮挡 图 5 树荫遮挡图 6 被测光伏方阵和光伏组件及阴影情况图 7 未遮挡与遮挡情形下光伏组件输出曲线 图 8 遮挡与未遮挡情形下光伏组串输出曲线如图 6 所示， 被测方阵由 5 块峰值功率为 202W 的多晶硅太阳电池组件组成，阴影遮挡发生在其中一块组件表面上，且阴影横跨在组件的所有电池组串上。图7、 图 8 为未发生遮挡和发生遮挡两种情形下该组件与所在光伏组串的输出曲线测试结果。 由图 7 可以看出， 发生遮挡时， 光伏组件输出电流受到的影响更为明显，从而使组件的输出功率显著下降，对光伏组串而言，光伏组串的开路电压受到的影响较小，短路电流受到的影响较大，光伏组串的开路电压和短路电流的影响不明显，但最大输出点由于被遮挡组件的存在而发生偏移，且输出功率明显下降。当光伏组件被部分遮挡时，被遮挡部分电池的光生电流变小，小于同一组件中未被遮挡的电池的电流，此时，被遮挡的部分将相当于负载，消耗其他电池的输出，随着消耗能量的不断增加，此处会产生大量的热量，形成 “热点” ，即我们所说的热斑现象 [5]，热斑的长期存在会对组件造成严重损害。因此，目前光伏市场上的光伏组件中都为一定数量的电池并联一个反向的旁路二极管，当该部分电池受到局部遮挡并且受到的反向偏压达到与该部分电池并联的旁路二极管的导通电压时，旁路二极管导通，该部分电池会被旁路，从而避免了热斑的产生，使组件只损失了该电池串的功率，并在 IV 曲线上显示为典型的“阶梯状”特性曲线。在本检测中，由于阴影横跨在组件的所有电池组串上，因此“阶梯状”特性曲线不明显。2.3.2 光伏组件电池隐裂及碎片的影响未遮挡 I-V 曲线遮挡功率曲线 遮挡 I-V 曲线未遮挡功率曲线 未遮挡 I-V 曲线遮挡 I-V 曲线遮挡功率曲线未遮挡功率曲线光伏组件中的电池出现隐裂甚至碎片现象在光伏组件生产制造以及光伏电站施工或后期运行过程中都有可能出现。如图 9 所示为光伏组件碎片现象的电致发光（ EL）及热红外成像测试图。图 9 组件碎片现象的电致发光（ EL）测试图和红外热成像图图中用蓝色圆圈圈出部分的电池片碎片现象，在运行过程中，该部分电池会发生热斑效应， 进而影响整个光伏发电系统的输出性能， 其影响机理与 2.3.1 相同，此处不再赘述。2.3.3 光伏组件的 PID 效应光伏组件在运行过程中可能会出现严重的功率衰减现象 —— 光伏组件的电位诱导衰减（ PID）效应 [6]。 PID 效应是指光伏组件中的玻璃、封装材料、铝边框与电池片之间存在漏电流，使大量电荷聚集在电池片表面，导致电池填充因子、开路电压、短路电流降低，使电池乃至组件功率造成衰减的现象，出现 PID 效应的光伏组件的发电性能和耐久性受到严重影响。由于漏电流主要存在于电池片与封装材料和铝边框之间 [7]，因此，铝边框附近的电池片的衰减程度相对组件中心部位的电池片更为严重，从电致发光（ EL）测试图中显示为典型的组件临近边框的电池片亮度发暗。 如图 10 所示为典型的发生 PID 效应的光伏组件的电致发光 （ EL）测试图。图 10 发生 PID 效应的光伏组件的电致发光（ EL ）测试图图 10 所示为两块发生 PID 效应的组件的电致发光（ EL）测试图，发生 PID效应的组件由于部分太阳电池失效而使功率失配， 从而使组件输出功率严重降低，进而影响整个系统的输出性能。三、结论本文讨论了太阳辐照度、组件安装倾角、阴影遮挡以及光伏方阵失配损失对光伏发电系统输出性能产生的影响。讨论结果表明，太阳辐照度对光伏发电系统输出性能的影响表现在两个方面，一是太阳辐照度影响光伏组件的输出功率，二是太阳辐照度影响逆变器的效率；另外，光伏组件安装倾角不同对光伏发电系统输出性能将产生深刻影响，对于一个 1 MWp 的光伏系统，光伏组件的安装倾角偏差 5°， 在一年时间里可能使整个光伏发电系统损失高达 16,200kWh 的发电量；文章最后讨论了光伏方阵中的失配现象对系统输出性能的影响，并表明，局部遮挡、光伏组件中电池片的隐裂或碎片，以及 PID 效应等都会严重降低系统输出性能，应在电站检测和运维中及时发现并制定执行相应的解决方案。参考文献[1] 中国资源综合利用协会可再生能源专业委员会（ CREIA ） ，中国可再生能源学会产业工作委员会 .中国光伏分类上网电价政策研究报告， 2013 [2] 孙韵琳，杜晓荣，王小杨，罗力 .固定式并网光伏阵列的辐射量计算与倾角优化 [J].太阳能学报， 2009,12（ 30） ： 1597-1601 [3] 杨金焕。 固定式光伏方阵最佳倾角的分析 [J].太阳能学报， 1992,13（ 1） ： 86-92 [4] 秦敬玉， 孙成帅， 谷延坤 . 组件质量波动对太阳能电池阵列输出特性的影响 [J]. 山东大学学报（工学版） ， 2011， 41(6)： 122-127 [5] 李祥志，西北地区大型并网光伏电站的系统特性研究，中山大学硕士论文，2012 [6] 李颖雯，光伏组件电位诱导衰减（ PID）效应和发电性能研究，中山大学硕士论文， 2013 [7] P. Hacke, M. Kemp, K. Terwilliger, et al. “ Characterization of Multi -crystalline Silicon Modules with System Bias Voltage Applied in Damp Heat”, 25th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, 2010.