光伏组件选型对光伏系统发电量的影响

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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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