霧霾對光伏組件短路電流的影響探討

卜聰 馬錦貞 楊婧 田美玲

摘 要：光伏發電是一種新興的能源，隨著裝機容量的增加，光伏發電在傳統能源中起到了重要的補充作用。但是近年來霧霾天氣頻現，而霧霾天氣會顯著影響到光伏組件的電性能，因此霧霾天氣已成為光伏發電的嚴重阻礙。基于此，文章在基于光伏組件光譜響應特性的前提下，監測了多種霧霾天氣下太陽光的光譜，并分析研究了空氣質量指數對光伏組件短路電流的影響，以期為相關研究提供參考。

關鍵詞：光伏組件；霧霾；短路電流；影響

近年來，我國很多地區出現了較長時間的霧霾天氣，尤其秋季的霧霾更為嚴重[1]。光伏發電的主要原理是通過光電效應直接將太陽能轉化為電能，而霧霾天氣對光伏發電帶來了很大的挑戰[2]。現階段無法在短期內有效解決霧霾現象，因此研究霧霾對光伏組件短路電流的影響有助于更加高效地利用光伏發電。

一、試驗材料與方法

（一）試驗設備與樣品

該研究選用小型戶外光伏系統，該系統可通過可變電子負載不間斷地對光伏組件的性能進行監測，采集環境的溫度、濕度、總輻照、風速等。通過光伏數據處理系統從政府服務網獲取空氣質量相關數據。自然光光譜分布的測量采用型號為S-2440的Soma太陽分光輻射計。

小型戶外光伏系統主要組成包括單晶硅組件、單晶PERC組件和多晶硅組件。該研究主要對單晶硅組件進行研究，樣品由36片單晶硅光伏電池片串聯組成，規格為125mm×125mm。

（二）方法

由于光伏組件電性能的影響因素眾多，而這些影響因素又與時間、季節、天氣等因素有關，因此，為最大程度保證因素的影響一致，本研究選擇在晴朗少云、風力較弱、日期間隔2個月以內、空氣質量指數不同的日期進行。

霧霾嚴重程度采用空氣質量指數來表征。

二、結果與分析

（一）太陽輻照強度對光伏組件短路電流的影響

以下分別給出6個相似日的天氣：11月1日：晴，高溫21℃，低溫：13℃，西南風2～級，空氣質量指數：50，優；11月3日：晴-多云，高溫20℃，低溫10℃，東風1～2級，空氣質量指數：130，輕度污染；11月24日：多云，高溫1321℃，低溫：8℃，西風2～3級，空氣質量指數：90，良；12月8日：晴，高溫9℃，低溫：4℃，南風1～2級，空氣質量指數：58，良；12月11日：晴-多云，高溫10℃，低溫：6℃，東南風2～3級，空氣質量指數：100，輕度污染；12月31日：多云，高溫9℃，低溫：4℃，西風1～2級，空氣質量指數：216，重度污染。

根據上述太陽輻照強度的數據，分別繪制出太陽輻照強度隨時間變化、光伏組件短路電流隨時間變化的曲線（圖1）。圖1表明，太陽輻照強度隨時間變化的曲線和光伏組件短路電流隨時間變化的曲線形狀類似，這就證明了光伏組件短路電流隨輻照強度的線性關系。此外，11月24日的曲線存在較多雜散波，經過查詢記錄得知當日間斷出現云層，這就可以說明云層遮擋太陽光可以顯著影響輻照強度以及光伏組件的輸出。

圖1 太陽輻照強度隨時間變化、光伏組件短路電流隨時間變化的曲線

（二）光譜分布對光伏組件短路電流的影響

為了規避風速、風向和環境溫度的影響，同時考慮到光譜分布和輻照強度，該研究利用實際的太陽光譜，同時結合光伏組件的絕對光譜響應特性計算出霧霾條件下光伏組件的短路電流。

1.被測樣品的光譜響應

由絕對光譜響應計算出光伏組件電流片的短路電流和電流密度（表1），由于6片電池片的電流密度均不同，因此選取短路電流最低的2號電池片進行研究。

2.霧霾對光伏組件短路電流的影響

選擇天氣晴朗、無云且空氣質量不同的11月1日、11月3日、11月24日和12月8日，同時選擇最能體現霧霾對光伏組件影響的11：00—14：00時間段。實時于特定時間監測太陽光光譜，通過計算得出被測光伏組件的短路電流（表2）。根據表2中數據，繪制出4個不同時間輻照度、短路電流隨空氣質量指數的變化曲線圖，對曲線進行擬合得出斜率（表3）。

結語

研究結果表明，對于空氣質量指數常年不超過250的霧霾不太嚴重的區域，光伏組件短路電流與霧霾天氣表征值（空氣質量指數）呈明顯的負相關，輻照度的霧霾系數絕對值為-2.48W/單位空氣質量指數，短路電流的霧霾系數絕對值為-0.04A/單位空氣質量指數；而輻照度和短路電流的霧霾系數相對值較接近，分別為-0.28%/單位空氣質量指數、-0.31%單位空氣質量指數。

參考文獻

[1]李英姿，曾萬昕，李智，等.北京地區霧霾對光伏發電量影響的灰色關聯度分析[J].電器與能效管理技術，2018（14）：56-62.

[2]裴雨清，李松麗，孔華鋒，等.霧霾影響下的光伏發電系統的可視化分析平臺研究[J].計算機應用與軟件，2018，35（06）：88-90，106.