10002092_山地光伏电站温度分析

山地光伏电站中不同太阳电池组件的运行温度对比 于佳禾 许盛之 张一平 （南开大学， 光电子薄膜器件与技术研究所，天津市光电子薄膜器件与技术重点实验室， 天 津， 300350） 摘要 山地地形的朝向和坡度分布不均匀，对光伏电站发电的影响与平原条件下有较大不同，为 探究山地地形对不同类型太阳电池组件发电性能的影响，我们在石家庄地区的一个 10MWp 光伏 电站中设计了一个光伏电站实证对比系统。本文分析了系统中的环境数据对太阳电池组件温度 的影响。文中涉及的环境因素包括辐射、气温、风速等数据，并对比了不同季节气候条件下的 六种类型太阳电池组件的背板温度的差异。结果显示山地的复杂地形和多变天气会对电站环境 产生不同程度的随机影响。双玻组件温度在测量阶段均明显高于其余组件，异质结电池组件、 多晶硅组件和单晶硅组件的温度逐次降低。 关键字：山地光伏电站，太阳电池组件，实证分析 1.引言 太阳能是绿色环保的可再生能源，光伏发电在未来能源供给中将占有重要地位，国际能源 署预测到 2070 年来自于光伏的电力将提供世界 28%的基础用电 [1-4]。光伏发电受天气环境影响 具有间歇性和波动性，准确的衡量电站容量则显得十分重要，尤其是在山地地区，该环境下电 站发电量与气候环境联系十分密切。方鑫等人以 ELCC 作为光伏电站置信容量的评估指标，采用 序贯蒙特卡洛法仿真计算其置信容量，计算了天气的不确定性及机组故障对于光伏电站置信容 量的影响[5]。此外，太阳电池组件温度预测是否准确对于整个电站的发电性能、可靠性及电池 组件寿命有重要意义。为此 Robert S. Balog 等人在电站实际环境条件下，基于国家可再生能源 实验室（NREL）的观测数据，总结出了更为详细的组件热模型从而降低了美国地区的光伏电 站热管理成本[6] 。山地光伏用地成本低，但同时，山地地形复杂，不利于部件运输和安装。为 了降低电站建设成本，往往降低了电站中太阳电池组件的安装位置和朝向的精确度和一致性要 求，这可能会对电站的发电性能产生较大的负面影响[7]。目前针对山地光伏系统的实证资料和 数据都比较缺乏，鉴于此，我们在河北省石家庄地区的一个山地光伏电站中安装了电站数据采 集系统。并对该电站的 2017 年的部分典型数据进行分析，总结了山地条件下不同类型太阳电池 组件的温度表现，以便为山地光伏电站的设计和发电性能评估提供参考。 2.实验环境及设备 电站位于石家庄市平山县（东经 113.9488°，北纬 38.2477°） ，该地属于暖温带半湿润季 风大陆性气候。光伏电站总装机容量为 10MWp，占地面积约为 3.45 km2，自东至西分布于南 向山坡之上，电池组件与水平面之间的设计倾角为 35°，正南朝向。在电站内的试验区分散布 置了 15 个两要素的气象站，传感器位置距地面约 5 米，略高于方阵组件的上沿，用于测量区域 内的气温和风速的分布情况；电站中安装了水平总辐射仪（EKO710）和四个倾斜面硅辐照仪， 其中硅辐照仪的朝向和倾角调整到与被测量的方阵的朝向和倾角一致，以获得比较准确的方阵 平面上的辐照度；在不同类型的太阳电池组件的背板处安装了热电偶（Pt100 型） ，用于测量组 件的背板温度，并进而计算组件中电池片的工作温度[8]。试验区的布置如下图 1 所示，其中红 点是气象站的安装位置，其中 ~ 个标号为六种不同类型的太阳电池组件，六种太阳电池类型○ 1 ○ 6 的具体参数如表 1 所列。从每种类型的太阳电池组件中任意选择 12 块太阳电池组件进行温度测 量，对同种类型的太阳电池组件的温度取平均值后进行对比分析。 表 1. 太阳电池组件的参数 编号 背板 EVA 电池技术 组件规格 GGP255 Glass Glass Poly 255W HIT270 \ \ HIT 270W TFP255 TPT1 EVA1 Poly 255W KBP255 TPT2 EVA2 Poly 255W TFM265 TPT1 EVA1 Mono 265W ZFP255 KPK EVA2 Poly 255W 图 1. 山地电站实际环境及电池组件分布示意图 3.结果 3.1 试验区内的气温和风速的分布情况 图 2. 夏季一天内环境数据曲线图 选取 2017 年夏季所测得的电池组件数据作为参考，该段时间内环境数据如图 2 所示。图 中显示电站内个气温测量点的温度值大致与该地区光合辐射强度（PAR）成正相关，PAR 越强该 地气温普遍越高。各测量点之间的气温差异也十分明显，温差最高达到 5℃左右。随辐射强度 的提高温差有减小的趋势。对于该地风速而言，虽然其值与 PAR 无关，但各个测量点之间的风 速差时分明显，不同区域风速差值可达到 6m/s 左右。 山地天气多变，不同山坡云雨和风向不定，这给不同区域的组件温度造成了随机影响。上 述因素是客观存在的，在山地建立光伏电站会受到复杂地形的影响，为了节省铺设电站的成本 电池组件需依附于地面的形状搭建框架，且朝向可调整的范围也十分有限。因此山地铺设电池 板需要了解更为准确的组件温度才能可靠的预测整个电站的发电量及电池组件的发电效率。 3.2 不同季节下各类型电池组件温度分析 根据季节的变化选取夏、秋、冬、春四个季节中晴朗无云天气条件下各个类型太阳电池组 串的平均组件温度进行分析，文中数据来源分别依次为 2017 年 8 月 8 日、10 月 19 日、2018 年 1 月 9 日、4 月 16 日内的环境温度、风速及水平光照强度。首先对比编号为 GGP255、HIT270 、TFP255 和 TFM265 的电池组件。其各自的电池温度及环境参数如图 3 所示， 图中三天自左向右分别来自夏、秋、冬及春季。 图 3. 全年各类型组件温度变化情况 该电站内夏季的气候环境特点为高辐照、高环境温度、低风速，GGP255 组件在该季节中 组件温度明显高于其余各组，其余各组件温度自高至低依次为 TFP255 、HIT255 及 TFM255；秋 季的气候环境特点为高辐照、低环境温度、低风速，GGP255 及 HIT270 电池组件在日间的组件 温度明显高于其余两种类型的电池组件；而 TFP255 电池组件温度略高于环境温度但温差不大； TFM265 电池组件温度为各类型电池组件最低，但晨间明显高于环境温度。冬季气候环境特点 为低辐照、低环境温度、高风速，各个类型电池组件的温度由高至低分别为 GGP255、HIT270 、TFM255 及 TFP255。春季特点为高辐照、高环境温度、高风速，电池组件日 间温度由高至低分别为 GGP255、HIT270 、TFP255 及 TFM255，并且不同类型组件之间的温差十 分明显。 3.3 不同封装材料的电池组件温度分析 图 4. 全年不同封装材料下的组件温度变化情况 将各种多晶硅组件材料进行对比，结果如图 4 所示。GGP255 的电池温度在四个季节中均 高于其余类型多晶硅电池组件。夏春秋季节中 TFP255 组件电池温度最高，KBP255 次之，而 ZFP255 电池温度最低，但冬季气候条件下该类型电池组件温度优于前两者。而图像中 ZFP255 在冬季清晨出现的电池温度短暂升高是由于所处坡面与其余各类型电池组件倾斜度存在一定的 差异。但总体而言，除 GGP255 组件外，不同封装材料所构成的电池组件在不同季节条件下其 组件温度差异并不明显。 4.总结 本文分析了山坡地区光伏电站内各类型电池及组件受地区环境的影响。首先，山地地区光 伏电站的气温差异明显，不同斜面的气温差异在 2℃至 5℃左右，PAR 越高温差更大。各区域的 风速大小也存在差异，不同区域风速差值可达到 6m/s 左右。其次，山地地区铺设不同类型、 不同材料电池组件温度有明显差异。GGP255 组成的组件温度受光照强度影响较为明显，在测 量阶段组件温度均明显高于其余类型组件。异质结电池组件、多晶硅组件温度和单晶硅组件电 池温度依次降低。最后，不同封装材料组成的各种多晶硅电池组件生热的情况在不同季节条件 下并不明显。冬季气候条件下除双玻组件及 HIT 组件外，不同类型及不同封装材料的电池组件 温度均接近气温。 致谢 感谢中国三峡新能源有限公司对本项目的资助。 参考文献 [1]．M.C. López-Escalante, Caballero L.J., Martín F., et al. Selective emitter technology global implantation through the use of low ultraviolet cut-off EVA[J]. Solar Energy Materials & Solar Cells, 2017, 159:467-474. [2]．D.D. Smith, Cousins P.J., Masad A., et al. SunPower s Maxeon Gen III solar cell: High efficiency and energy yield[A]. Photovoltaic Specialists Conference[C], Tampa, FL, USA :IEEE,2013. [3]．J. Wu, Zhang X., Shen J., et al. A review of thermal absorbers and their integration methods for the combined solar photovoltaic/thermal (PV/T) modules[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews,,2017, 75:839-854. [4]．H.M. Walwil, Mukhaimer A., Al-Sulaiman F.A., et al. Comparative studies of encapsulation and glass surface modification impacts on PV performance in a desert climate[J]. Solar Energy, 2017, 142:288-298. [5] 方鑫, 郭强 , 张东霞,等. 考虑天气不确定性的光伏电站置信容量评估[A]. 中国电机工程学会 电力系统自动化专业委员会 三届一次会议暨 2011 年学术交流会论文集[C]. 南京:中国电力科学 研究院,2011. [6] Balog R S, Kuai Y, Uhrhan G. A photovoltaic module thermal model using observed insolation and meteorological data to support a long life, highly reliable module-integrated inverter design by predicting expected operating temperature[A].Energy Conversion Congress and Exposition[C], San Jose, CA, USA:IEEE, 2009. [7]陈建国,张金剑.山地光伏电站阵列朝向和倾角研究[J].华电技术 , 2016, 38(4):63-67. [8]于佳禾, 许盛之, 韩树伟, 等. 太阳电池与光伏组件的温度特性及其影响因素的分析 [J]. 太阳能, 2018(3).