光伏組件在黃土高原氣候條件下的性能研究

隴東學院機械工程學院 ■ 楊娜娜 趙磊 張建銳

甘肅省電力公司檢修公司 ■ 楊祖寧

0 引言

在進行光伏電站設計時，需要結合當地的氣候條件評估安裝地點的光伏組件的輸出特性。一般評估時選用的是在標準測試條件(太陽光譜AM1.5，太陽輻射強度1000 W/m2，組件溫度25℃)下的光伏組件性能，而實際的氣候條件會隨著緯度、氣候、季節的因素而變化。影響光伏組件輸出特性的最直接的氣候因素是太陽輻射強度和組件溫度，而它們又受到環境溫度、風速、組件方位及傾角的影響[1-3]。因此，標準測試條件并不能代表戶外實際的氣候條件，僅采用在標準測試條件下測試的組件參數無法對光伏電站進行準確地設計和評估。

隴東黃土高原位于甘肅省東部，包括整個慶陽市和平涼市；處于季風區邊緣帶，氣候干旱且不穩定，太陽輻射強度及溫度具有明顯的季節性特征；春季與夏季時晴天較多，秋季與冬季時多云、陰天較多[4]。該地區一年中的氣候具有很大的波動性，而目前研究波動的氣候條件對光伏組件電學性能影響的文獻尚且不多。王露等[5]研究了青海地區環境溫度和太陽輻照度對光伏組件開路電壓和短路電流的影響。韓涵等[6]研究了晶硅電池在夏季晴天時全天的輸出特性。本文選擇隴東地區晴天、多云、陰天3種典型的氣候條件，對單晶硅光伏組件的I-V特性參數進行了測試，分析了影響光伏組件電學性能的主導因素，并研究了陰影對光伏組件電學性能的影響。

1 實驗

1.1 實驗裝置

本實驗平臺由光伏組件、太陽能光伏發電測試系統和氣象監測系統3部分組成。其中，光伏組件包括2塊功率為90 Wp的單晶硅組件；太陽能光伏發電測試系統包括2臺可編程直流電子負載、測試軟件及采集模塊；氣象監測系統包括太陽總輻射表、散射表、直射表、環境溫濕度記錄儀。

1.2 實驗方法

實驗地點位于隴東地區(35.7°N，107.7°E)，海拔1380 m；實驗時間段為2017年7～9月。將單晶硅光伏組件置于戶外連續測量3個月，保證涵蓋了晴天、多云、陰天等天氣。光伏組件方位角為正南方向，為了實驗數據的可靠性，一塊組件的傾角固定為20°，另一塊組件進行傾角實驗。數據測試間隔為1 min/次，測試數據包括光伏組件的電學參數及氣象條件。

2 結果與討論

2.1 太陽輻射強度與組件溫度

圖1反映了在3種天氣(晴天、多云、陰天)條件下，太陽輻射強度、環境溫度及組件溫度的變化情況。晴天時，組件溫度變化趨勢與太陽輻射強度變化一致，而環境溫度變化較為平緩，組件溫度和環境溫度相差較大；多云天氣時，太陽輻射強度波動較大，組件溫度相應產生較大波動，而環境溫度變化較平緩；陰天時，太陽輻射強度整體較低，組件溫度和環境溫度相差較小。這是由于晴天太陽輻射強度大，光伏組件連續吸收太陽輻射，導致溫度持續增加，而光伏組件熱交換的方式主要為輻射和對流，其比熱容較大(1.5×104～3×104J/K)，晴天的風速較小，導致組件溫度和環境溫度相差很大[3,7]。由于組件溫度與所安裝地點的空氣流動有很大關系，而本裝置的安裝地點背后為建筑物，因此本實驗組件的溫度在晴天中午時達到最高的61.5 ℃，與環境溫度最大相差28.8 ℃；而陰天時風速較大，使組件降溫較快，導致組件溫度和環境溫度相差較小。

圖2為組件溫度和太陽總輻射強度的相關性散點圖。從圖中可以看出，組件溫度與太陽總輻射強度呈正比；而在太陽總輻射強度較低時，即太陽總輻射強度小于200 W/m2時，數據點較為分散，無明顯的相關性。

圖1 不同天氣情況下組件溫度、環境溫度與太陽總輻射強度的日變化曲線

圖2 組件溫度與太陽總輻射強度的相關關系

2.2 短路電流及其影響因素分析

短路電流主要受太陽輻射強度和溫度的影響，且與太陽輻射強度和溫度呈線性關系。但溫度并不直接影響短路電流，而是直接影響帶隙。對于晶體硅太陽電池來說，溫度增加，禁帶寬度減小，相應的太陽光譜中更長的波長可被吸收，從而使短路電流增加[8]。由于帶隙改變引起的波長改變區間有限，因此對短路電流的影響幅度較小。圖3反映了2017年8月4日太陽總輻射強度和短路電流的變化情況，該天早晨為多云天氣，下午為晴天。從圖中可以看出，太陽總輻射強度與短路電流的變化趨勢一致。

圖3 短路電流與太陽總輻射強度日變化曲線

圖4為短路電流與太陽總輻射強度的相關關系。從圖4可以看出，短路電流和太陽總輻射強度呈正比關系，太陽總輻射強度從200 W/m2升至1200 W/m2時，短路電流平均增加346%。

圖4 短路電流與太陽總輻射強度的相關關系

圖5為短路電流與組件溫度的相關關系。從圖5可以看出，短路電流與溫度呈正比關系，組件溫度從25 ℃升至70 ℃時，短路電流僅增加1.5%。因此，組件溫度對短路電流的影響非常小，太陽輻射強度是影響短路電流變化的主要因素。

圖5 短路電流與組件溫度的相關關系[9]

電池傾角的改變會直接影響傾斜面上的太陽輻射強度，從而影響短路電流。傾斜面上的太陽總輻射強度IT由太陽直接輻射強度Ibβ、太陽散射輻射強度Is和地面反射輻射強度Ir這3部分組成[10]，即：

傾斜面上的太陽直接輻射強度表達式為：

式中，Ib為水平面上的太陽直接輻射強度；Rb為直射輻射強度轉換因子。Rb可表示為：

式中，φ為當地維度；β為斜面傾角；δ為太陽赤緯角；ω為日升時角。

目前，傾斜面上的太陽散射輻射強度計算模型有Liu & Jordan的各向同性模型、Hay的各向異性模型、Klucher的各向異性模型，這些模型適用于不同的天氣情況[11]。本實驗所在地附近有樹木、房屋，采集數據日天空有云彩，因此本實驗選用Hay的各向異性模型。傾斜面上的太陽散射輻射強度公式為：

式中，Id為水平面上散射輻射強度；I0為大氣層外水平面上太陽輻射強度。

傾斜面上的地面反射輻射強度為：

式中，ρ為地面反射率，一般情況下取0.2；I為水平面上的太陽總輻射強度。

圖6為不同角度傾斜面的逐時太陽總輻射強度。從圖6可以看出，9∶00之前和15∶30之后，傾角越小，其傾斜面上獲得的輻射強度越大。在當地太陽時12∶00～14∶00、15°～20°傾角下的太陽總輻射強度最大；無論傾角增大或減小，正午時傾斜面上的輻射強度均減小；但0°～30°傾角的傾斜面上接收的日總輻射強度偏差不超過5%。

圖6 不同角度傾斜面的逐時太陽總輻射強度

圖7為8月4日不同傾角時的短路電流變化曲線。從圖中可以看出，傾角為0°～30°時的短路電流變化平緩；傾角超過30°后，短路電流急劇下降，在90°時達到最小值。這說明傾角在一定范圍內的小幅度改變對短路電流的影響較小。

圖7 短路電流與傾角的關系曲線

2.3 開路電壓及其影響因素分析

圖8和圖9分別為溫度和太陽輻射強度對開路電壓的影響。從圖中可以看出，隨著溫度的增加，開路電壓減小；而隨著太陽總輻射強度的增加，開路電壓增加。從擬合結果可以看出，隴東地區夏季晴天的日輻射強度從200 W/m2升至1300 W/m2時，開路電壓增加5.6%；組件溫度從25 ℃升至60 ℃時，開路電壓減小15.8%，因此，在有效輻射強度范圍內，溫度對開路電壓的影響更明顯。由于輻射強度對光伏組件溫度的影響較大，因此會間接影響開路電壓。

圖8 開路電壓與組件溫度的相關關系

圖9 開路電壓與太陽總輻射強度的相關關系

2.4 陰影遮擋對開路電壓及短路電流的影響

由于實驗所在地有高樓，16：30～17：00時，光伏組件上的入射太陽光逐漸被遮擋直至完全被遮擋。圖10反映了陰影遮擋前后開路電壓、短路電流，以及太陽總輻射強度和組件溫度的變化情況。

圖10 陰影遮擋前后開路電壓、短路電流，以及太陽總輻射強度和組件溫度的變化曲線

從圖10可以看出，陰影遮擋前后，短路電流和太陽總輻射強度的變化趨勢一致。隨著太陽總輻射強度的下降，短路電流減小；當太陽總輻射強度急劇下降時，短路電流也急劇下降。這說明在陰影遮擋或太陽輻射強度較低的情況下，短路電流受太陽輻射強度的影響較大。在陰影遮擋前，開路電壓隨著組件溫度的波動而波動，且在太陽總輻射強度急劇下降的瞬間發生陡降，但組件溫度并未出現瞬間陡降。這說明在太陽輻射強度較低的情況下，太陽輻照強度對開路電壓產生的影響較大。當光伏組件被完全遮擋后，由于負相關性的溫度和正相關性的太陽總輻射強度的綜合作用，開路電壓呈現先上升后下降的現象。在陰影遮擋前后，太陽總輻射強度下降了91%，短路電流下降89%，開路電壓下降了3.5%。

3 結論

本文對隴東黃土高原地區的單晶硅光伏組件輸出參數在不同氣象條件下的變化規律進行了研究，結果表明：

1)晴天時，組件溫度受太陽輻射強度的影響明顯，組件溫度和環境溫度相差較大；多云時，組件溫度隨太陽輻射強度的波動而波動，但組件溫度和環境溫度依然相差很大；陰天時，太陽輻射強度低，組件溫度和環境溫度相差較小。

2)短路電流與光伏組件表面太陽輻射強度呈線性關系，與溫度呈弱線性關系。通過傾角實驗可以看出，一定范圍內的傾角變化對傾斜面上的太陽輻射強度和短路電流的影響較小。

3)開路電壓與組件溫度呈負線性關系，與太陽輻射強度呈正線性關系，但組件溫度對開路電壓的影響更大。

4)當有陰影遮擋時，短路電流和開路電壓均隨組件傾斜面太陽輻射強度的變化發生陡降，而組件溫度緩慢下降。這說明在太陽輻射強度較低時，太陽輻射強度對開路電壓產生的影響較大。