10001360_不同类型光伏组件在寒温气候条件下的运行性能分析

1 不同类型光伏组件在寒温气候条件下的运行性能分析 周凯旋 （中科院电工所光伏检测中心，北京，100190） 摘要：本文通过中科院电工所建立的青海共和实证基地对单/多晶硅电池、非晶硅薄膜电池、 碲化镉（CdTe）薄膜电池、铜铟镓硒（CIGS）薄膜电池等多种类型光伏组件进行了户外运行性 能分析，研究了组件工作温度分布、发电性能评估和能效比分布等性能特性。在寒温气候条件 下，不同类型光伏组件由于温度响应特性的差异，在相同环境条件下工作温度分布趋势不同； 组件的工作温度与能效比存在关联性，工作温度越低，其能效比越高。 关键词：光伏组件；组件工作温度；发电性能；能效比 1. 研究背景与内容 太阳能资源丰富、分布广泛，是最具发展潜力的可再生能源。随着全球能源短缺和环境污 染等问题日益突出，太阳能光伏发电因其清洁、安全、便利、高效等特点，已成为世界各国普 遍关注和重点发展的新兴产业。近年来，随着国家相关政策的大力支持，国内光伏产业快速发 展。截至到 2017 年底，中国光伏发电累计并网装机容量突破 1.3 亿千瓦。其中，2017 年全年， 我国太阳能光伏发电累计装机容量 13025 万千瓦，同比增长 68.7%。 随着国内光伏产业的快速发展，光伏企业通过技术创新不断降低度电成本，增加发电量， 为平价上网做准备。作为光伏的核心部件，多种不同类型的光伏组件不断出现，度电成本、功 率和质量也不断刷新纪录。单晶、多晶或者薄膜光伏组件以其各自的优势不断出现在光伏发电， 但迄今为止，我国对不同原理和结构的光伏组件还没有进行过系统而全面的长期测试和研究。 本文通过中科院电工所建立的青海共和实证基地对单/多晶硅电池、非晶硅薄膜电池、碲化 镉（CdTe）薄膜电池、铜铟镓硒（CIGS）薄膜电池等 9 种类型光伏组件进行了户外运行性能分 析。本文主要研究分析各类组件工作温度分布、发电性能评估和能效比分布等性能特性，同时 为新研发的技术提供测试条件，为我国光伏发电技术的大规模发展提供科学依据。 2. 场地气候条件与光伏组件安装详情 此项目选择位于青海共和县的光伏实证基地，北纬 36.28º，东经 100.62º。共和县由于海拔 高，空气稀薄，干燥少云，空气洁净，阳光灿烂，日照充足，蕴藏着极为丰富的光能资源。据 测定，共和县各地日照百分率高达 61--69%，太阳直辐射很强，年平均太阳辐射量为 6564.26 兆 焦耳/ 平方米，年平均日照时数 2907.8 小时。 由于在组件的能效评估方法中需要考虑不同辐照度条件下组件发电性能的变化，因此本文 分析了青海共和一年内的辐照量的分布情况，如图 1。从图 1 可以看出，青海共和光伏实证基 地的辐照量较大的月份主要为 3 月、5 月和 7 月。 本项目选取了 0.9MW、9 种类型光伏组件对比验证区，如图 2。研究和观测晶硅电池组件、 薄膜电池组件和其他新型电池组件在实际环境中的长期运行特点及其变化规律，针对不同品牌、 不同结构、不同原理的光伏组件进行综合比较与分析，评价指标包括工作温度分布、发电性能 评估和能效比分布等性能特性。 2 图 1 青海共和光伏实证基地阳光辐射量分布 图 2 9 种类型光伏组件在实证基地的安装情况 3. 研究结果与讨论 3.1 光伏组件发电性能 图 3 展示了一整年内 9 种类型光伏组件在青海共和实证基地的发电性能对比。3 月和 7 月 各个组件发电性能较好，这与实证基地的辐照量分布相一致。因此，一般情况下，辐照量 3 图 3 一年内不同类型组件各月月均发电性能对比 越大的月份其月发电性能越好，而辐照量小的月份其发电性能相应也会减少。 从系统年发电性能时而言，从表 1 种可以看出，9 种组件的年均发电性能依次为：IBC CIGS mc-PERC sc-Si sc-PERC MWT mc-Si a-Si。结合图 3 可知，系统月均发电性能 变化趋势与年均发电性能变化趋势基本一致，IBC 组件比碲化镉组件高 27.09%；对于 PERC 组 件，单晶 PERC 比多晶 PERC 组件年均发电性能高 1.52%。 表 1 一年内不同类型组件年均发电性能对比 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 类型 CIGS MWT sc-PERC sc-Si CdTe mc-PERC mc-Si a-Si IBC 年均发电量 kwh/kW 151.4 145.0 149.1 149.6 122.2 151.1 148.6 135.4 155.4 3.2 光伏组件的工作温度分布 光伏组件的工作温度严重影响了组件发电性能。组件的开路电压随着工作温度的降低而升 高，当工作温度较低时，开路电压增大，最终导致组件工作功率变大，使其发电性能增高。不 同类型光伏组件由于温度响应特性的差异，在相同环境条件下工作温度分布趋势不同。图 4 为 一年内不同类型组件工作温度分布对比情况，可以看出，CdTe 组件工作温度分布在-4℃到 63℃ 间，主要分布在 0℃到 50℃，其余 8 种组件中温度分布主要集中在 0℃到 15℃之间。其中 IBC 组件的工作温度区间最小，为-4℃到 55℃。因此，IBC 组件的工作温度区间最小，工作温度相 对较低。 4 图 4 一年内不同类型组件工作温度分布对比 3.2 能效比（MPR）分布区间 能效比（MPR）是组件实际发电时与理论等效发电时的比值。 toSTCHPE10MR （3-1） Etot 为组件的年发电量（kWh ）； PSTC 为组件在 STC 条件下的功率（kW）； Htot 为组件表面接收的全年日辐射量（kWh/m 2）。 图 5 为几种常见组件的能效比分布情况，从图中可以看出，在多晶 PERC、CdTe 、CIGS 、 单晶硅、非晶硅薄膜和 IBC 这 6 中组件中 IBC 组件的能效比最高，CdTe 组件能效比最低。 一般情况下，组件能效比与组件工作温度有直接关系。在 PSTC 和 Htot 不变的情况下，E tot 会 随着组件工作温度的降低而增大，最终 MPR 也会增大。结合图 4 分析可知，IBC 组件的工作温 度区间最小，组件工作温度最低，其能效比也最高。 5 图 5 几种常见组件的能效比分布 4. 结论 本文对单/多晶硅电池、非晶硅薄膜电池、碲化镉（CdTe）薄膜电池、铜铟镓硒（CIGS ） 薄膜电池等多种类型光伏组件进行了工作温度分布、发电性能评估和能效比分布等性能分析； 9 种组件的年均发电性能依次为：IBC CIGS mc-PERC sc-Si sc-PERC MWT mc-Si a- Si，IBC 组件的工作温度区间最小，工作温度相对较低，其能效比也最高。 参考文献 [1] 侯宝峰.光伏组件户外实证检测平台建设探讨[J].中国照明电器,2017(10):42-45+52 [2] 我国建成首个寒温(高原)气候国家级光伏系统示范平台[J]. 电气技术,2016(11):1. 作者简介： 姓名：周凯旋 主要研究方向：光伏标准、检测认证。 Email: zkx@mail.iee.ac.cn 通信地址：北京市海淀区中关村北二条6号，中国科学院电工研究所 邮政编码：100190