光伏發電系統的環境參數影響實證分析

陳心欣，李慧，曾湘安，許楚斯

（中國電器科學研究院有限公司，廣州 510300）

光伏發電系統的環境參數影響實證分析

陳心欣，李慧，曾湘安，許楚斯

（中國電器科學研究院有限公司，廣州 510300）

本文介紹了基于對光伏發電實證系統的發電性能以及環境參數的連續監測，開展的環境參數對光伏發電性能的影響的比較分析研究，并通過數據分析手段得出了光伏發電性能的變化規律。

光伏發電；環境參數；溫度；太陽輻照；PR

引言

隨著能源供應緊張、環境污染和氣候變化等問題的日趨嚴重，光伏發電作為一種清潔的可再生能源得到快速發展。我國太陽能資源豐富，理論儲量大，是未來最有希望的、可大規模開發利用的可再生能源。近幾年來，隨著光伏產業的迅猛發展、裝機容量的指數增長，為保證電力系統經濟、安全和可靠性運行，光伏發電預測顯得越來越重要[1，2]。

光伏發電輸出受太陽輻射周期變化、氣溫、降水、云量、濕度等氣象要素隨機性變化的影響，具有明顯的日、季節變化、以及不連續性和不確定性[3，4]。本文通過對環境參數的連續監測，并跟蹤對比光伏發電實證系統的發電性能，研究環境參數對光伏發電的影響，為進行更為準確的光伏發電預測提供數據基礎。

1 實證系統簡介

本文采用光伏組件搭建成小型光伏發電系統，接入組串式逆變器并網，同時通過氣象系統監測組件平面的太陽輻照、空氣溫度、濕度、風向風速等數據，發電數據以及氣象數據通過無線網絡傳輸的方式上傳到數據平臺，整個系統的示意圖見圖1。

圖1 光伏發電實證系統以及監測數據示意圖

本文選擇的數據來源于在海南省瓊海市海南熱帶環境研究所自2014年底搭建的兩個裝機量約2 kW的小型光伏實證系統，每個系統由8件60電池片的多晶硅光伏組件接入組串式逆變器并網構成。選用瓊海市作為實證試驗地點，是考慮到作為我國的低緯度地區，其太陽光譜的季節性相對影響較小。因此，本文可以較為針對性的考慮太陽輻照、空氣溫度、風速這些因素的影響。本文旨在分析環境數據對光伏組串發電性能的影響，因此，為排除逆變器轉換效率的影響，主要采用光伏組串的直流PR（取逆變器直流端的參數）作為性能評價參數，參考IEC 61724[5]給出的PR的定義，光伏組串的直流PR即：

其中，

PRT：在T時間段內光伏組串的平均系統效率；

ET：在T時間段內光伏組串直流端測得的電量；

Pe：光伏組串裝機量（以實測STC狀態下各組件的功率計算）；

HT: 在T時間段內方陣面上的峰值日照時數。

本文兩組小型光伏系統分別定義為系統A和系統B，采用了2015年、2016年兩年期的發電數據以及環境數據進行分析，下文分析的直流PR值取短期的值，即系統每5 min的平均直流效率，對應的環境數據也為對應5 min的平均值（或累計值）。

2 一天不同時間的發電性能分析

本文分析了2015年和2016年全年，自6：30至18：30的12 h內，A、B兩個光伏系統的直流PR變化，如圖2所示。

從圖2可以看出，A、B兩系統在2015年以及2016年的表現均非常相似，在黎明和傍晚階段，由于太陽輻照值較低，其直流PR值均比較低。隨著時間的過去，太陽高度角慢慢增大，系統的PR值逐漸增大，到上午9點鐘左右達到最高值。而此后，由于氣溫逐漸升高、太陽輻照也加強，使得光伏組件的溫度上升從而PR值會略微降低，在12點至14點之間PR值基本在平穩狀態。而下午，隨著組件溫度逐漸下降，PR值又會有所回升，在下午4點半左右達到下午階段的最高值。此后則由于太陽輻照降低，PR值逐漸降低。

3 不同溫度下的發電性能

本文分析了2015年和2016年全年，空氣溫度在20～35 ℃之間的A、B兩個光伏系統的直流PR變化，如圖3所示。

在圖中可見，同一年的兩個系統的性能表現均較為接近，不同年份之間個別溫度的性能表現不完全一致，這與當年的氣象狀況相關。而總體趨勢可以看出：在氣溫在20～31 ℃之間，PR值隨溫度的變化不明顯，而當氣溫超過31 ℃以后，PR隨氣溫升高明顯下降。

圖2 光伏系統的一天內直流PR值時間變化圖

圖3 光伏系統的不同氣溫下的直流PR變化圖

圖4 光伏系統的不同氣溫下的直流PR變化圖（輻照強度在800 W/m2至1 000 W/m2）

由于光伏組件的溫度除了與空氣溫度相關以外，與太陽輻照的影響也有關系，因此，本文針對性的選取了太陽輻照強度在800 W/m2至1 000 W/m2的數據進行分析，如圖4。從圖中可見，對于輻照強度較強的時刻，系統的直流PR值基本隨溫度升高而降低，但是在25～30 ℃之間，此變化并不明顯。

4 不同輻照強度下的發電性能

本文分析了2015年和2016年全年，A、B兩個光伏系統的直流PR隨太陽輻照強度的變化趨勢，如圖5所示。

圖5 光伏系統的不同輻照強度下的直流PR變化圖

從上圖可見，在太陽輻照較低時，PR值隨者輻照強度增加而增大，在輻照強度在200～400 W/m2之間，系統的PR較為平穩。此后，系統的PR值隨著輻照強度的增加而降低，基本呈線性關系。

為了更好的分析光伏系統PR值與太陽輻照強度之前的關系，本文選取了幾個空氣溫度條件下的情況進行細化分析，圖6和圖7展示了兩個光伏系統在空氣溫度分別在 20 ℃（±1 ℃）、25 ℃（±1 ℃）、30 ℃（±1 ℃）條件下不同太陽輻照強度的PR值變化情況。

圖6 系統A在不同輻照強度下的直流PR變化圖

從圖中可見，兩個光伏系統空氣溫度在20 ℃、25 ℃以及30 ℃的情況下其PR值隨太陽輻照強度的變化情況均相似（與圖5展示的變化規律類似）。而且對于相同的輻照強度下，空氣溫度高則PR值相對較低，這與電池片的溫度效應相關，但是圖中也可看出20～25 ℃之間的差別，明顯不如25～30 ℃之間的差別大。

圖7 系統B在不同輻照強度下的直流PR變化圖

而在輻照強度較低的范圍內（小于250 W/m2），在空氣溫度30 ℃的條件下，輻照強度對系統PR值的影響明顯大于空氣溫度在20 ℃和25 ℃。而在輻照強度超過400 W/m2后，輻照強度增大則系統PR值降低，對于各個溫度條件下其下降的幅度都較為相似，其直線擬合結果可見表1。

表1 光伏系統輻照強度-直流PR直線擬合結果（400 W/m2至110 W/m2）

表1的直線擬合結果，除系統B的30 ℃一欄數據外，其相關系數均大于0.95，可見擬合度較高。而通過表1數據對比，以及圖5的曲線，可以看到，在其他氣象環境條件均相同的情況下，系統A的PR受太陽輻照的影響相對較較大（太陽輻照強度一方面影響光伏組件的溫度，另一方面也影響組件的轉換效率）。本文針對各個輻照段的系統性能展開比較分析，其結果如表2所示。

表2 光伏系統不同輻照強度段的直流PR變化情況

從表2數據可知：在太陽輻照強度較低的情況下，系統A的性能表現更佳，而在輻照強度較高的情況下，則系統B的性能表現反而更好。此變化規律對于全年不同月份的光伏系統發電預測有一定的指導意義。

5 小結

本文通過搭建小型光伏實證系統的方式，監測并分析了在同一地點的兩個光伏系統的發電性能（直流）受環境因素影響的情況。針對影響光伏系統性能的最主要環境因素空氣溫度和太陽輻照強度進行了比較，并通過數據分析的手段得出了定性的結論，對于更為準確預測光伏系統的發電有指導意義。

[1] 韓曉艷，趙鵬，宋行賓，侯現偉，劉敬偉. 光伏組件選型對光伏系統發電量的影響[J]. 太陽能, 2012,5: 30-33

[2] 白永清，陳正洪，王明歡，賴安偉. 關于WRF模式模擬到達地表短波輻射的統計訂正[J]. 華中師范大學學報(自然科學版), 2013,47(2): 292-295

[3] 崔洋，孫銀川，常倬林. 短期太陽能光伏發電預測方法研究進展[J]. 資源科學, 2013，35（7）：1474-1481

[4] 畢二朋，胡明輔，袁江，吳國玉. 光伏系統設計中太陽輻射強度影響的分析[J]. 節能技術, 2012,30(1): 15-17

[5] IEC TS 61724-3:2016, Photovoltaic system performance-Part 3:Energy evaluation method (S).

Analysis of Environmental Parameters on Photovoltaic System

CHEN Xin-xin，LI Hui，ZENG Xiang-an，XU Chu-si
(China National Electric Apparatus Research Institute Co., Ltd. Guangzhou 510300)

This paper introduces comparative analysis of the influence of environmental parameters on the photovoltaic system performance, which bases on continuous monitoring of both the electrical parameters and environmental parameters. By means of data analysis, this paper concludes the law of the performance of photovoltaic power.

photovoltaic generation；environment parameter；temperature；solar irradiation；PR

TM615

B

1004-7204(2017)04-0019-04

廣州市科學研究專項資助項目（201504010026），廣東省外專局引智示范成果推廣項目（Y20174400002）

陳心欣（1982-），女，中國電器科學研究院有限公司工業產品環境適應性國家重點實驗室，工程師，主要從事光伏環境耐久性試驗與評價工作。