組件方位角偏差對輸出功率的影響

劉振波+匡伊

摘 要：在太陽高度角穩定的時間段內，根據實驗的單變量原則，持續偏轉光伏組件的方位角，同時通過鉗形表和萬用表分別測試該組件的短路電流及開路電壓以探究光伏組件的不同程度地方位角偏差對組件輸出功率的影響程度，得到了光伏組件關于相同傾角不同方位角的對應關系，從而為光伏電站方位角的設計提供參考依據，提高光伏電站的發電效率。

關鍵詞：太陽方位角；組件方位角；組件傾角；方位角偏差；組件輸出功率

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.2487

0 引言

隨著能源危機和環境污染日益成為全球性問題，現階段太陽能的利用，特別是利用太陽能進行光伏發電，越來越受到人們的重視[1，2]。如何提高太陽能電池的轉換效率和降低光伏成本成為光伏太陽能電池研究的關鍵[3]。影響太陽能光伏電站轉換效率的因素很多，其中以溫度和太陽輻照度的影響最大[4，5]。本文研究的組件方位角偏差對太陽能電池輸出功率的影響實質上就是探究不同太陽輻照度對太陽能電池輸出功率的影響。本文將在光照較好（輻照度大于700W/m2）的條件下，調整不同的組件方位角進行測試研究，得出各方位角偏差情況下太陽能電池的實際輸出功率偏差，對光伏電站組件方位角的設計、安裝具有一定的參考價值。

1 測試原理與實驗設備

1.1 測試原理

將太陽能電池組件的水平面調至與太陽入射角相垂直，此時，組件輸出功率是最大值。根據國內外研究表明，在偏離最佳方位角30°時（北半球），方陣的發電量將減少10%-15%；在偏離最佳方位角60°（北半球）時，方陣的發電量將減少約20%-30%。但是，在晴朗的夏天，太陽輻射能量的最大時刻是在中午稍后，因此方陣的方位稍微向西偏一些時，在午后時刻可獲得最大發電功率。在不同的季節，太陽電池方陣的方位稍微向東或西一些都有獲得最大發電量的時候。影響太陽能電池輸出功率的主要因素是日照強度和工作溫度。本文設計的實驗在光照氣候穩定（太陽光照穩定、無云、無風）的環境下進行。忽略溫度變量和太陽高度角對組件輸出功率的影響，從而確保導致組件輸出功率變化的唯一變量為組件方位角，由此得出組件方位角偏離最佳方位角對組件輸出功率的影響。組件輸出功率的數值，通過短時間內測試光伏組件的開路電壓與短路電流，并根據組件輸出功率和開路電壓、短路電流、填充因子的關系算出組件當時的實際輸出功率。計算公式見下：

式中，Pout為：組件在自然光照條件下的輸出功率；

Uoc為當前環境條件下測試的組件開路電壓；

Is為當前環境條件下測試的組件短路電流；

FF是組件的填充因子；

Vmp、Voc、Imp、Isc為上述組件銘牌參數。

本次實驗通過荷蘭KIPP& ZONEN CMP10 輻照計確保實驗期間太陽輻照度穩定，并固定組件傾角，以保證實驗變量的唯一性。

1.2 實驗設備及用途

實驗設備主要為KIPP&ZONEN CMP10總輻射表、太陽能組件、陰影觀察儀、FLUKE萬用表、FLUKE鉗形表、0°-90°水平面圖、組件傾角固定支架。總輻射表的光譜相應范圍為285-2800nm，基本上包含了太陽能電池板的光譜響應范圍，靈敏度為7-14μV/W/m2，保證了總輻射表能夠快速分辨出輻照度的實時變化，確保測試條件的穩定。陰影觀察儀用于校準組件方位角以確保組件斜面與太陽光入射角相垂直。固定支架用于固定組件傾角，防止傾角誤差影響測試結果。0°-90°水平面圖用于調整組件方位角，確保組件方位角偏差的精確度。本次實驗方位角偏差范圍為0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°、75°、80°、85°共18個角度偏差，每5°偏轉測試用時小于30s，總計用時小于9分鐘，充分保證了整個實驗測試過程中，測試環境的穩定性，確保測試結果的可行性。

2 實驗結果分析

為探究實驗測試數據非偶然性，重復該實驗，并于不同的太陽方位角以及夏秋兩季進行，以確保得出結果的可靠性。實驗中對同一廠家250W組件進行了該項測試。由于各項測試時間及整體測試周期很短，可以忽略測試過程中太陽運動的影響。測試期間，天氣晴朗，無風，輻照度大于700W/m2，排除了溫度及輻照度波動對組件輸出功率的影響。

通過實驗偏差結果可知當組件方位角偏離最佳方位角（與太陽入射角垂直）15°時，累計輸出功率下降1.7W，約為最佳方位角輸出功率234.5W的0.724%，對組件輸出功率影響很小。可見組件偏差方位角在0°至15°范圍內的測試結果曲線基本水平，表明該程度范圍內的方位角偏差對組件輸出功率無影響。當組件方位角偏離最佳方位角15°時，組件累計輸出功率下降5W，約為組件標稱功率250W的2%。該實驗中，方位角偏差小于5°時，組件輸出功率曲線水平，無波動。當方位角偏差處于5°至15°時，組件輸出功率出現緩慢下滑，直至方位角偏差大于25°時，組件輸出功率開始呈比例直線下降。具體實驗測試結果曲線圖見下：

經過多次同類型實驗數據結果分析得出：組件方位角自南向西偏差15°以內，組件輸出功率的變化在0.7%-2%以內，當組件方位角自南向西偏差達至20°時，組件輸出功率普遍出現明顯下降比例升高至3.2%-5%。通過該實驗，可以推斷，光伏電站的方位角設計將嚴重影響光伏電站發電量輸出，尤其是當組件安裝方位角出現嚴重偏差時，組件輸出功率將降低30%-40%。在我國，太陽能電池的方位角一般都選擇正南方向，以使太陽能電池單位容量的發電量最大。應盡可能偏西南15°之內，使太陽能發電量的峰值出現在中午稍過后，有利于冬季多發電。

當組件偏差方位角達至85°時，組件輸出功率幾乎為最佳方位角輸出功率的一半。由此可以得出，測試環境中的太陽方位角所在位置可能加大實驗結果曲線的斜率值。本文中的實驗結果僅為太陽方位角較高，輻照度較好的環境條件所得，但結果表明，組件方位角偏差過大，嚴重影響組件的輸出功率。

3 總結

本文對多晶硅組件太陽能電池，在自然條件下進行了關于組件方位角對其輸出功率的影響測試實驗。測試結果符合預期目標：當組件安裝方位角偏離最佳太陽入射角時，偏差越大，組件接收的有效輻照量越低，輸出功率越低。從本次的實驗測試結果來看，可以得出以下結論：

（1）組件方位角偏差度與太陽能電池輸出功率的降低呈正比，方位角度偏差越大，輸出功率越低。

（2）在方位角偏差實驗測試中，當方位角偏差小于等于15°時，太陽能電池輸出功率下降不明顯，低于當前環境最佳方位角輸出功率的2%。

（3）在方位角偏差實驗測試中，當方位角偏差大于等于25°時，太陽能電池輸出功率下降明顯，大于5%，并直線降低。

參考文獻：

[1]張智峰.太陽能光伏發電系統控制器的設計[J].工程技術，2010（21）：117.

[2]陳衛民，汪偉，蔡慧.一種智能型光伏發電逆變器設計[J].中國計量學院學報，2009，20（04）：320-323.

[3]王旭，肖輝，陳泉等.太陽能光伏電池I-V測試研究[J].云南大學學報，2010，32（SI）：242-244.

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