单晶组件20年后发电性能研究-黄静

黄静 2018 年 11 月 9日 单晶组件 20年后发电性能研究 信阳 师范学院新能源 技术检测 中心 研究意义 Siemens单晶 组件发电性能分析 单晶光伏电站系统性能衰减分析 Siemens单晶 组件功率衰减分析 总结与展望 主要内容 研究意义 01 光伏电站实际发电性能如何 ， 是否与 25年寿命中每年发 电量的设计值吻合 ？ 利用 Pvsyst对光伏电站进行第 21年发电性能仿真 ， 仿真结果与实际 发电性能进行对比 。 功率测试寻找组件衰减规律 ？ 能否换一种方式 ？ 从电站 系统每年发电性能中寻找组件的衰减规律 ？ 分析光伏电站近 3年相同月份的发电情况 ， 找出 simens单晶组件末期 （ 20年后 ） 衰减规律 。 研究意义 01 6kW单晶光伏试验电站 Siemens单晶旧组件 SM55 地理位置： 114.03°E， 32.13°N 2016年 1月份建成 固定倾角 27°，正南方位 前后排间距 3米 132块 Siemens单晶旧组件 SM55 一台 6kW逆变器 Growatt 6000UE 1996年生产， 1997年投入使用 2015年从深圳拆下 由顺德中山大学转给本心 至今运行已有 22年， 2016~2018年 研究意义 01 信阳地区太阳轨迹以及阴影遮挡损失曲线 Pvsyst仿真 组件效率 与电池温度的关系 组件效率 与辐照度的关系 逆变器效率与输入功率的关系 Pvsyst采用国际东八区（东经 120 ° ）时间 信阳地区东经 114 °，相差 6 ° 信阳真太阳时比东八区时间晚 24分钟 保证冬至日 9:24 -15:24，前排对后排无遮挡 Siemens单晶组件发电性能分析 02 仿真结果（ 1） 月份 水平面总辐射 kWh/m2 环境温度 ℃ 方阵面总辐 射 kWh/m2 方阵发电量 kWh 并网发电量 kWh 能量传输效 率 方阵效率 系统能效比 PR 1 59.3 2.22 73.6 429 413 0.963 0.803 0.773 2 72.3 5.45 85.6 490 473 0.965 0.788 0.76 3 89.3 12.06 93.6 518 500 0.965 0.762 0.735 4 124.8 17.02 127.1 690 667 0.967 0.748 0.723 5 142 22.03 136.5 722 698 0.967 0.729 0.705 6 140.8 25.47 131.5 685 663 0.968 0.718 0.694 7 161.4 27.4 152 786 762 0.969 0.712 0.69 8 129.9 25.93 129.4 673 650 0.966 0.716 0.692 9 114.3 21.56 121.1 643 622 0.967 0.731 0.707 10 90 16.85 101.5 554 536 0.968 0.752 0.727 11 67.5 10.2 83 465 449 0.966 0.772 0.745 12 57.2 4.26 73.1 420 404 0.962 0.791 0.761 年 1248.7 15.93 1308 7075 6835 0.966 0.745 0.72 第 21年各月份性能参数（ PVsyst计算） Siemens单晶组件发电性能分析 02 仿真结果（ 2） 第 21年各月份系统峰瓦发电量及能量损失 第 21年各月份 PR、 ηA及 ηbos 系统总能量： Lc+Ls+Yc=3.58 ，方阵损耗占比： 25.4%，能量传输损耗占比： 2.5% 全年各月份的 ηbos基本不变， PR 与 ηA变化趋势一致 Siemens单晶组件发电性能分析 02 实际发电情况（ 1） 月份 水平面总辐 射 kWh/m2 环境温度 ℃ 方阵面总辐 射 kWh/m2 方阵发电量 kWh 并网发电量 kWh 能量传输效 率 方阵效率 系统能效比 PR 1 50.6 5 66 388.3 370.5 0.954 0.810 0.773 2 78.8 7 87.5 519.0 494.1 0.952 0.817 0.778 3 95.9 12 101.1 606.8 575.6 0.949 0.827 0.784 4 112 18 113.6 685.6 645.8 0.942 0.831 0.783 5 128.4 23 124.3 737.3 691.7 0.938 0.817 0.766 6 121.3 26 114 649.0 604.7 0.932 0.784 0.731 7 142.3 36 136 650.5 608.4 0.935 0.659 0.616 8 123.5 34 122.8 612.7 569.7 0.930 0.687 0.639 9 78.3 24 85.6 448.6 417.8 0.931 0.722 0.672 10 58.8 16 71 388.1 356.5 0.919 0.753 0.692 11 65 13 88.2 505.6 478.4 0.946 0.790 0.747 12 61.6 7 91.8 533.1 508.6 0.954 0.800 0.763 年 1116.5 18.4 1201.9 6714.2 6321.8 0.942 0.769 0.724 2017年各月份性能参数 Siemens单晶组件发电性能分析 02 实际发电情况（ 2） 2017年各月份系统峰瓦发电量及能量损失 2017年各月份 PR、 ηA及 ηbos 系统总能量： Lc+Ls+Yc=3.32 ，方阵损耗占比： 23.5%，能量传输损耗占比： 4.5% 全年各月份的 ηbos基本不变， PR 与 ηA变化趋势一致 7月份温度最高， 7月份的 PR及 ηA全年最低； 10月份雨水多，逆变器效率低，导致 ηbos偏低 Siemens单晶组件发电性能分析 02 小结 仿真的 PR比实际的 PR偏低 仿真的 PR各月份的变化趋势不同于实际 PR的变化趋势 气象数据来源不同， Pvsyst来源于 meteonorm 7，实测值来源于本 地气象采集系统 单晶光伏电站系统性能衰减分析 03 仿真结果对比（ 1） 月份 水平面总 辐射 kWh/m2 环境温度 ℃ 方阵面总 辐射 kWh/m2 方阵发电 量 kWh 并网发电 量 kWh 能量传输 效率 方阵效率 系统能效 比 PR 20-8 129.9 25.93 129.4 678 654 0.965 0.722 0.696 21-8 129.9 25.93 129.4 673 650 0.966 0.716 0.692 22-8 129.9 25.93 129.4 669 646 0.966 0.712 0.687 20-9 114.3 21.56 121.1 647 626 0.968 0.736 0.712 21-9 114.3 21.56 121.1 643 622 0.967 0.731 0.707 22-9 114.3 21.56 121.1 638 617 0.967 0.726 0.702 第 20~22年 8月和 9月性能参数 单晶光伏电站系统性能衰减分析 03 仿真结果对比（ 2） 第 20~22年 8月和 9月 PR、 ηA及 ηbos的对比 月份 ⊿ηA ⊿PR 第 20~21年 第 21~22年 第 20~21年 第 21~22年 8 0.006 0.004 0.004 0.005 9 0.005 0.005 0.005 0.005 8和 9 0.005 0.005 0.005 0.005  第 20~22年 ， 方阵 效率 ηA衰减 0.5%/year 单晶光伏电站系统性能衰减分析 03 实际发电对比（ 1） 月份 水平面总 辐射 kWh/m2 环境温度 ℃ 方阵面总 辐射 kWh/m2 方阵发电 量 kWh 并网发电 量 kWh 能量传输 效率 方阵效率 系统能效 比 PR 2016-8 130.7 35 130.2 653.8 609.3 0.932 0.692 0.645 2017-8 123.5 34 122.8 612.6 569.7 0.93 0.687 0.639 2018-8 135.8 33 134.4 663.6 616.5 0.929 0.680 0.632 2016-9 106.5 28 115.3 609.0 570.0 0.936 0.728 0.681 2017-9 78.3 24 85.6 448.8 417.8 0.931 0.722 0.672 2018-9 94.3 25 103.3 532.3 496.1 0.932 0.710 0.662 2016-2018年 8月和 9月性能参数 单晶光伏电站系统性能衰减分析 03 实际发电对比（ 2） 2016~2018年 8月和 9月 PR、 ηA及 ηbos的对比 月份 ⊿ηA ⊿PR 第 20~21年 第 21~22年 第 20~21年 第 21~22年 8 0.005 0.007 0.006 0.007 9 0.006 0.012 0.009 0.010 8和 9 0.007 0.009 0.009 0.008  第 20~21年 ， 方阵 效率 ηA衰减 0.7%  第 21~22 年 ， 方阵 效率 ηA衰减 0.9% 组件基本情况（ 1） Siemens单晶组件的衰减分析 04 132块组件：  外观完好 ， 表面无损伤  EVA无变色  接线盒完好 ， 部分组件连接线被替换  组件背板无损伤及鼓泡 组件存在的问题：  玻璃表面附着一层冲洗不掉的污渍  焊带附近有白斑 ， 可能是 EVA气泡或助焊剂脱落  背板粉化  铝边框有明显盐雾腐蚀 表面污渍 焊带附近白斑 背板粉化 边框腐蚀 组件基本情况（ 2） Siemens单晶组件的衰减分析 04 EL检测：隐裂 38块 ， 比例 28.8%；碎片 21块 ， 比例 15.9%。 高串联电阻 长 1293mm，宽 329mm，厚 34mm 隐裂位置 /块 碎片位置 /块 区域 1 26 14 区域 2 12 7 每片电池隐裂或碎片的面积较小 ， 不超过 2片 /块 。 后续将研究隐裂的形 状 、 成因以及造成的 失效面积 ， 如何影响 电池片的功率 。 组件基本情况（ 2） Siemens单晶组件的衰减分析 04 项目 Pm/W Im/A Vm/V Isc/A Voc/V FF Rsh/Ω Rs/Ω 标称值 55.0 3.15 17.4 3.45 21.7 0.73 300 0.566 平均值 40.3 2.75 14.6 3.07 21.6 0.61 155 1.488 相对值 /% 73.3 87.3 83.91 88.99 99.54 83.56 51.67 262.9 组件电性能参数均值与标称值对比： 有无隐裂碎片组件功率衰减对比： 功率平均衰减 /% 最大衰减 /% 最小衰减 /% 有隐裂、碎片 26.5 35 20.3 无隐裂、碎片 26.8 35.9 19.6 所有组件 26.7 35.9 19.6 目前 ,隐裂碎片不是组件 功率衰减的主要原因 ， 但组件长期运行来看 ， 隐裂碎片会导致热斑 ， 降低组件的输出功率 。 组件衰减分析（ 1） Siemens单晶组件的衰减分析 04 光学衰减：  原因： EVA变色和玻璃表面污染  体现：组件电流 Isc和 Im的减少 影响 Voc、 Isc、 Vm和 Im、 FF以 及 η主要因素： Rs和 Rsh。 光伏电池的伏安特性曲线 电学衰减 ：  原因：光伏电池本身或电池连接部分内阻变化  体现：组件 I-V曲线形状的变化 I p I D I s h I R s h R s R LV 太阳电池的等效电路  e x p 1s s p D s h p o sh q V I R I R VI I I I I I n k T R           1/psc s sh II RR  m m moc sc oc sc P V IFF V I V I m m m s c o c in in in P V I F F I VA P A P A P   1p oc o IkTV ln qI    组件衰减分析（ 2） Siemens单晶组件的衰减分析 04 Rs对 I-V的影响 Rsh对 I-V的影响 串联电阻及并联电阻如何影响 I-V曲线 ？ 串联电阻 Rs对最大功率点附 近的 I-V曲线的形状影响较大 ， Rs越小 ， I-V曲线越接近于正 方形 ， 电池的效率就越大 。 并联电阻 Rsh影响 I-V曲线在 短路点附近处的斜率 ， Rsh 越大 ， I-V曲线在短路点附 近越平行于电压轴 。  串 联 电 阻 Rs 的大 小直接决定 Pm、 Vm和 Im、 FF以及 η的大小 组件衰减分析（ 3） Siemens单晶组件的衰减分析 04 Isc 和 Im 、 Vm 和 FF 衰减严重 ， 而 Voc 基本保持不变 。 串联电阻 Rs的影响因素： 基体电阻 、 扩散薄层电阻和栅线与电池的接触电阻 主要为电学损 失 ， 串联电阻 Rs增加导致 小 部 分 光 学损失 玻璃表面附着一层 冲洗不掉的污渍 初步推测 ， 2016年之前 是安装在海边 ， 受盐雾 侵蚀时间长 ， 导致串联 电阻 Rs增大 总结与展望 05  Siemens单晶组件相比现流行的组件 ， 质量比较好 ， 至今运行有 22年 ， 平均功率 衰减达到 26.7%， 不满足商业质保 “ 25年衰减不超过 20%” 。 所以在设定光伏电 站投资模型时 ， 是否对 “ 单晶组件 25年寿命中功率衰减不超过 30%” 加以考虑 ？  Pvsyst仿真中 ， 气象数据为不确定因素 ， 气象数据越真实 ， 仿真结果越准确 。 所 以 有必要 建立 光伏气象数据库采集联盟 ， 采用统一的设备 、 统一的检测标准和方 法 ， 这对获取不同地区光伏电站的科学预测都有很大的意义 。  第 20~21年 ， 方阵效率 ηA衰减 0.7%， 第 21~22年方阵效率 ηA衰减 0.9%。 在排除 组件失配和灰尘对组件功率的影响 ， 推测 Siemens单晶组件功率第 20~21年的平 均衰减为 0.7%左右 ， 第 21~22年的平均衰减为 0.9%左右 。 后面将继续研究这批 组件末期 （ 第 20~25年 ） 的衰减规律 。 信阳 师范学院新能源 技术检测 中心 特别感谢沈辉教授 、 董娴老师给我们提 供这么宝贵的机会 ， 让我们加入 “ 中国光 伏应用基础数据平台 ” ， 我们才能有机会 对这批 Siemens单晶旧组件的发电性能做进 一步的研究 。 致谢 信阳 师范学院新能源 技术检测 中心 序号 检测对象 项目 /参数 序号 名称 1 工频交流 电源 1 电压偏差 2 平率偏差 3 三相电压不平衡 4 谐波 2 并网光伏发电系统 1 光伏方阵保护装置和等电位的测试 2 极性测试 3 光伏组串开路电压测试 4 光伏组串电流测试 5 光伏方阵绝缘阻值测试 6 电能质量测试 7 系统电气效率测试 8 晶硅光伏（ PV）方阵的 I-V特性现场测量 9 系统性能比 3 晶硅光伏 组件 1 最大功率确定 2 绝缘测试 3 热循环试验 4 湿 -冻试验 5 湿 -热试验 6 湿漏电流试验 具有 CNAS资质的检测项目 愿你我共同努力，为 25年的光伏电站生命周 期保驾护航！ 护卫蓝天白云，共建美丽中国！ 联系人： 刘江峰， 15837695806，邮箱： ljfxysy@126.com 黄静， 15937630217，邮箱： huangjing571@163.com 信阳 师范学院新能源 技术检测 中心