光伏組件發電量戶外實證研究

蒲澤偉 劉志民 王玉群 孫國蘋

（1 西藏自治區能源研究示范中心，西藏 850000；2 中國建材檢驗認證集團股份有限公司，北京 100024）

1 研究背景與內容

一般，對晶體硅光伏組件[1]和薄膜光伏組件[2]的性能表征方法主要有環境、力學、電性能、安全[3]等幾個方面，例如熱循環試驗、濕凍試驗、濕熱試驗、紫外預處理試驗、室外曝露試驗、光老煉試驗、標準測試條件（standard test conditions，STC）下的性能、標稱工作溫度（nominal operating cell temperature，NOCT；nominal module operating temperature，NMOT[4]）、機械載荷試驗、冰雹試驗、旁路二極管熱性能試驗、組件破損試驗、可觸及性試驗、反向電流試驗等。其中，對于光伏組件的電性能評價一般在標準測試條件以及低輻照、標稱工作溫度等三種條件下進行測試，這三種測試條件的共同點是光線垂直于組件入射（光入射角為0°）、AM1.5 光譜條件，且覆蓋的組件溫度（25 ℃，NOCT/NMOT）、輻照度（200 W/m2,800 W/m2,1000 W/m2）情況較為單一。光伏組件在戶外不同地理位置和氣候環境的實際應用過程中，將會遇到太陽光入射角不為0°、實際太陽光譜不同于標準AM1.5 光譜、輻照度和溫度情況多變等情況。國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，IEC）分別發布了IEC 61853-1:2011、IEC 61853-2:2016 兩項標準[5-6]，規定了不同溫度、輻照度條件下的光伏組件功率評定方法，以及光譜響應、光入射角和組件運行溫度條件的測量方法。未來將要發布的IEC 61853-3、IEC 61853-4 分別規定發電量計算方法、標準參考氣象數據庫等。

光伏組件發電量戶外實證研究的方式主要有光伏組件最大功率點跟蹤發電量測試，基于光伏電流-電壓特性測量[7]的光伏組件發電量測試，以及多因子影響光伏組件發電量的評估方法等。

2 研究方法介紹

2.1 光伏組件最大功率點跟蹤（MPPT）發電量測試

搭建光伏組件發電量測試系統，可以采用光伏組串加組串式逆變器并網發電，也可以采用單片光伏組件接入微逆（微型逆變器）并網發電或單片光伏組件連接MPPT 直流電子負載進行消耗。在直流側接入準確度不低于0.5 級的直流電能表，若采用分流器，分流器的準確度等級應不低于0.5 級。

光伏組串發電量評估使用到組串式逆變器時，應注意按照IEC 62548 進行科學設計，以免較低的負載率影響逆變器效率、逆變器低配導致限值光伏組串出力、光伏組串工作電壓或電流超過逆變器限值導致危險事故等。單片組件連接微逆并網發電時，同樣應注意光伏組串和逆變器的匹配。光伏組件連接MPPT 直流電子負載時，應注意負載的通風散熱。

該方法測試精度主要受逆變器、發電量檢測設備的影響。MPP 跟蹤的光伏組件發電量測試可以使樣品在戶外長期并網發電運行，驗證強紫外、高溫、強降雨、大風等氣象條件下組件的穩定性。

2.2 基于光伏電流-電壓特性測量的光伏組件發電量測試

搭建單片組件發電量評估測試系統，使用與樣品共平面放置的日射強度計監控樣品平面輻照度，使用光譜輻射儀持續記錄樣品平面的太陽光譜。組件樣品法線與直射太陽光夾角在±5°以內、樣品溫度達到動態穩定時進行測試，剔除測試期間總輻射波動超過±1%的數據。

該方法基于IEC 60904-1，可以較準確測得光伏組件的瞬時輸出功率，瞬時輸出功率對時間進行積分，即可得到某段時期的累計發電量。該方法的缺陷時在多云、大風等天氣較難測得有效的瞬時輸出功率，導致相鄰測得有效值的時間間隔較長。

基于光伏電流-電壓特性測量的光伏組件發電量測試可以獲得組件在戶外實際情況下的輸出性能，篩選出組件平面輻照度大于800W/m2的IV 曲線根據IEC60891 進行修正，可以監測不同運行時間的組件輸出性能衰降特性。

2.3 多因子影響光伏組件發電量的評估方法

建立光伏組件能級評定與發電量評估測試分析系統，建立能級評定數據庫（數據記錄間隔應不長于1 小時）。通過監控的直射和散射輻照度、光入射角、光譜修正等因子修正輻照度，通過環境溫度、風速等因子推算組件運行溫度，再結合組件在不同溫度輻照度下的性能，評估組件的當時輸出功率以及累計計算發電量。

該方法參考IEC 61853 系列標準，由試驗地區的氣象數據（正對太陽直射輻照度、組件平面總輻照度、太陽光譜輻照度、風速、環境溫度等）推導得出組件平面有效的輻照度和組件溫度，再結合實測光伏組件在不同輻照度和溫度條件下的性能，得到光伏組件瞬時功率理論值。該瞬時功率理論值對時間進行積分，即可得到某時間段的光伏組件發電量。該方法不足在于需要實驗室檢測，以及特定地點的發電量評估將需要精度較高的氣象測量設備。

多因子影響光伏組件發電量的評估方法采用實驗室內測試和戶外氣象數據理論模擬相結合的形式，可以較快的預測光伏組件在典型地區的發電量情況，便于比較不同組件的發電性能。

3 結果與討論

表1 相同型號光伏組件在不同天氣條件

2018年4月，筆者選取相同規格型號、相同生產批次的、經過初始穩定處理的光伏組件3 片，分別采用上述三種方法進行發電量評估。統計出晴天、晴天間多云天氣、陰天三種情況時的日平均發電量，如表1所示。

由試驗數據可得出，晴天條件下，三種方法的發電量結果偏差較?。?%以內）；多云和陰天條件下，基于光伏電流-電壓特性測量的光伏組件發電量測試由于較難獲得有效瞬時功率，多因子影響光伏組件發電量的評估方法由于氣象觀測設備準確性等因素，給測試結果帶來較大影響。

4 結語

本文介紹的三種光伏組件發電量戶外實證測試方法具有較強的可操作性。MPP 跟蹤的光伏組件發電量測試可以驗證組件穩定性，基于光伏電流-電壓特性測量的光伏組件發電量測試可以獲得組件在戶外實際情況下的輸出性能，多因子影響光伏組件發電量的評估方法便于實際測試結合理論模擬比較不同組件的發電性能。對于不同目的和需求的測試可以選取其中一種作為實證測試方案。

總院在研“高活性可見光催化材料”被列入中國重大科學問題和工程技術難題

5月27日，第20 屆中國科協年會閉幕式上，中國科協副主席、國際宇航科學院院士李洪對外發布了由中國科協組織征集遴選的涉及公共安全、空天科技、信息科技、醫學健康等12 個領域的60 個重大科學問題和重大工程技術難題。其中，由中國建材總院水泥新材院在研的“高活性可見光催化材料”入選了“先進材料”領域重大科學問題和工程技術難題。

據中國科協發布，此次最終選出的60 個重大科學問題和工程技術難題是通過1100 多位專家學者推薦、2100 多名一線科研人員參與初選、54 名學科領軍專家復選，最后經過33 名院士專家終選而最后確定的?！案呋钚钥梢姽獯呋牧稀睆慕€科學問題及難題中被選出，體現了光催化環境材料受到科學界高度重視，也充分體現了中國建材總院秉承“科技領先，服務建設”的核心理念，勇擔重任，領跑無機非金屬新材料研發的堅定信心。