晶體硅光伏組件功率特性及衰減評估分析

李鐵成，曾四鳴，孟 良，劉志賓

(1.國網河北省電力有限公司電力科學研究院,河北石家莊 050000；2.北華航天工業(yè)學院，河北廊坊 065000；3.河北省電動汽車充換電技術創(chuàng)新中心(籌)，河北廊坊 065000)

隨著光伏技術的發(fā)展，光伏發(fā)電的成本呈下降的良性循環(huán)，有機太陽電池的光電轉換效率持續(xù)提高[1]。自2015 年以來，包括異質結本征薄層(heterojunction with intrinsic thinlayer，HiT)光伏技術支撐[2]的基于硅的太陽電池技術已在太陽能市場上占據(jù)了90%以上的份額。PV 衰減會逐漸影響面板組件的特性并最終限制其性能，導致發(fā)電量會越來越低[3]。前人基于配電網分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)模型對發(fā)電性能進行評估[4]，精確的光伏發(fā)電預測是減少光電并網沖擊的有效解決方法[5]，例如基于光伏全局出力估計的分布式光伏國-省-地一體化信息建模方法，采用超短期功率預測的分布式光伏集群有功協(xié)調控制策略，分析光伏陣列的輸出特性[6]。用于分布式發(fā)電(DG)規(guī)劃的兩階段優(yōu)化方法[7]和新的最優(yōu)調度模式[8]，運用模糊理論、云模型及層次分析法和熵權法建立光伏組件健康狀況評估模型[9]，通過定量評估不同光伏滲透率可獲得對配電網電壓質量的影響[10]。根據(jù)國家可再生能源實驗室研究數(shù)據(jù)，電池的衰減率每年可能高達4%，而平均衰減率預計為每年0.8%[11]。其中，環(huán)境濕度對性能衰減的影響最為明顯，太陽輻照對性能衰減的影響最小[12]。

氣候條件對硅基光伏面板和薄膜技術的性能影響很大[13]，包括溫度、濕度、紫外線(UV)暴露和結構破壞等因素[14]，尤其太陽電池表面的污物或灰塵積聚會導致光伏組件的性能顯著下降[15]。光伏板表面增加水膜后，其輸出功率可提升9.6%～12.9%[16]。強烈的太陽輻射和嚴酷的溫度會加速暴露于這種操作條件下的光伏面板的衰減速度[17]。在電池層，衰減機制包括由于材料老化、腐蝕、電池與電池觸點之間的粘附力喪失、pn 結的金屬衰減、涂層變質和減反射而導致的性能逐漸下降。在模塊層，由于電池開裂、脫層失效、電池的失效機制、互連故障、密封劑[18]和旁路二極管故障可能會導致性能下降。相關研究包括在半干旱氣候條件下對薄膜和多晶硅的衰減研究[19]，表征長期室外暴露下p-Si 的衰減[20]，基于晶硅、異質結本征薄層(HiT)、微晶型和二硒化銦鎵銅(CIGS)四種不同光伏系統(tǒng)的衰減研究[21]。針對薄膜光電流密度較小，研究極化現(xiàn)象導致的光伏性能衰減問題[21]，并基于隨機過程理論實現(xiàn)光伏單元的可靠性評估與壽命預計[22]。

光伏面板的衰減可以按其痕跡、機理和類型進行分類。為了分析溫度對全球光伏裝置性能和衰減的影響，Ogbomo等[23]研究了溫度對結晶硅型光伏組件衰減的影響，該研究的溫度范圍為25～45 ℃。在ANSYS 仿真環(huán)境中，以1 ℃為步長在25～120 ℃之間對電池溫度進行了仿真，該模型預測組件壽命為18.5 年。該模型還針對炎熱氣候條件進行了增強的熱機械設計，與溫和的氣候條件相比，這些光伏面板的衰減率更高。Subramanian 等專注于光伏面板的電力衰減，提出了一種定量實驗值的驗證方法[24]。Chandel 等[25]對室外運行28 年的單晶硅光伏面板進行了衰減分析，發(fā)現(xiàn)平均功率衰減每年以1.4%的速度增長，而開路電壓以每年2.8%的平均速度增長。

本文基于特定區(qū)域的問題展開，但研究結果有助于分析世界范圍內類似氣候條件下光伏面板的長期運行可靠性。在中國保定西部的氣候條件下，對屋頂兩種不同光伏技術的衰減率進行對比研究，研究實驗數(shù)據(jù)周期為2018 年1 月至2020 年7 月。工作的主要目標是對多晶硅(poly-crystalline silicon，p-Si)和異質結本征薄層(heterojunction intrinsic thin layer，HiT)型PV 單元進行隨溫度變化的衰減分析，并比較衰減率以確定長期的電氣性能。因此，研究方法有助于量化中國中原氣候條件下光伏技術的衰減率，得出具有普適性的性能特征。

1 光伏陣列衰減率理論分析

1.1 光伏系統(tǒng)簡述

并網光伏陣列的總功率為48 kW(24 kW 的p-Si 和24 kW的HiT)，分 別由96 個250 W 多晶硅和74 個325 W HiT PV 面板組成。光伏系統(tǒng)安裝在室外的屋頂上，見圖1。電池片正下方背板貼上熱電偶連接至數(shù)字溫度傳感器DS18B20，具有防水和溫度采集功能。

圖1 屋頂光伏組件溫度測試示意圖

中國保定地處中部平原，地理位置為北緯38°10'～40°00'，東經113°40′～116°20′，在海拔1 000 m 左右的地區(qū)進行實驗研究。該城市每年的太陽輻射產電量約為1 650～1 700 kWh/m2。表1為平均輻射、環(huán)境溫度、風速和相對濕度等數(shù)據(jù)。

表1 中國保定西部氣象參數(shù)年平均值

該系統(tǒng)總共由六個陣列組成，多晶和HiT PV 單元各包含三個陣列。光伏組件以30°的固定傾角安裝，并朝南支撐。光伏裝置的技術參數(shù)見表2。光伏系統(tǒng)的每個陣列使用最大功率點跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)。該設施采用與數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)鏈接的氣象儀器，氣象參數(shù)包括平面輻照度、環(huán)境溫度和模塊溫度。電氣參數(shù)包括電壓、電流和DCAC 側輸出。兩種參數(shù)每10 min 收集一次。

表2 光伏單元的技術指標

1.2 性能評估與衰減率

為分析光伏組件的輸出功率特性，對其有效峰值功率P*M進行評估，進而獲取光伏組件的衰減率。P*M的估算值可表示為[2]：

式中：PDC為PV 單元的直流輸出功率；G和G*分別為實際輻照度和標準測試條件下的輻照度；Tf為導熱系數(shù)，可以表示為[2]：

式中：δ 為表2 中PV 測試單元的功率溫度系數(shù)；tm為光伏組件溫度；t*m為標準測試條件下的光伏組件溫度。對P*M進行線性最小二乘擬合法獲得單位PV 的衰減率RD(%/年)[2]，可表示為：

式中：b為P*M趨勢線的斜率，W/月；a為P*M的趨勢線的截距，W。

1.3 填充因子

可實現(xiàn)的PV 最大功率與開路電壓和短路電流乘積的比值定義為光伏的填充因子[2]。

式中：Vm、Im分別為最大功率的電壓和電流；VOC和ISC為PV 單元的開路電壓和短路電流值，見表2。關于溫度對輸出電壓的影響，p-Si 是HiT 的兩倍，但p-Si 型PV 裝置的開路電壓為37.8 V，而HiT 型在標準測試條件下的開路電壓為69.9 V。

1.4 性能比與溫度損耗

基于標準測試條件來研究光伏組件衰減，采用溫度校正的性能比預測所有PV 類型的衰減率。PV 單元的性能比PR可如下表示[2]：

式中：Yr為參考產量；Y為光伏陣列輸出，表示PV 單元以額定功率運行。它的特點是：

隨著經濟的飛速發(fā)展,電能的需求日益增長,輸電塔-線體系作為電能輸送的關鍵部件,其安全可靠運行的重要性不言而喻.輸電塔-線體系是由高柔的桿塔結構和導地線連接組成的一種高耦合結構,在風雪載荷、覆冰導線舞動等影響下,整個系統(tǒng)會發(fā)生不同程度的振動[1],因此,分析鐵塔及塔-線體系耦合的振動特性對輸電塔線-體系可靠運行有重要意義.

式中：E為能量輸出；為在標準測試條件下測得的最大功率。參考產量Yr可表示為：

式中：τ為數(shù)據(jù)收集的時間段。

溫度是影響光伏裝置發(fā)電量的關鍵因素之一。因此，為計算溫度校正性能比PRcorr，首先通過式(8)計算經過溫度校正的能量輸出Ecorr[2]，表示標準測試條件下的能量輸出與校正系數(shù)的乘積。

經溫度校正后的陣列輸出Ycorr由式(9)給出：

溫度校正后的性能比PRcorr表示為：

溫度損失表明PV 陣列效率下降，可由式(11)得出：

式中：LT為由溫度引起的損失，是無量綱，代表了溫度效應造成的光伏輸出能量的損失部分。

2 實驗結果與分析

圖2 光伏組件的溫度曲線

由圖2 可見，p-Si 型光伏組件的模塊溫度比HiT 單元略高，但在整個測試期間未檢測到高溫差。圖3 展示了p-Si 和HiT 型PV 單元的P*M的變化曲線。根據(jù)性能評估和降級率方法計算每月所得平均值。HiT 的P*M值沒有體現(xiàn)出明顯的降低，在整個測試過程中減小了0.05%。相反，在同一過程中，p-Si 的有效值功率下降高達1%。

圖3 P＊M的變化曲線

同樣，RD基于公式(3)和(4)進行估算，所得結果與圖2 中所示的P*M值曲線相符，其結果由表3 所示。可見，p-Si 的RD值最高為0.65%，而HiT 的RD值僅為0.18%。

表3 檢測光伏技術的衰減率

圖4 為基于MPP 和平均模塊溫度對應的月平均輸出電壓曲線，其輸出電壓的發(fā)展趨勢受季節(jié)性變化溫度曲線的影響。因此，最大輸出電壓值與所記錄模塊溫度的最小值相交，而在最大溫度曲線上觀察到最小輸出電壓值。

圖4 光伏裝置的月平均輸出電壓

為驗證PV 組件的季節(jié)性變化，根據(jù)監(jiān)測的輻照度分布，測試了MPP 處每個PV 陣列的輸出電流偏差，如圖5 所示。值得注意的是，這主要是由于輻照度曲線的變化，而且還因為輻照度的變化受環(huán)境溫度偏差的影響。由圖5 可見，p-Si單元的變化更明顯，其溫度系數(shù)大約是HiT 單元的兩倍(溫度系數(shù)值見表2)。

圖5 光伏組件的月平均輸出電流以及所監(jiān)測的輻照度曲線

圖6 為在監(jiān)測活動期間填充因子FF的月平均值的變化。從圖中可以清楚地看出，在整個測試期間，HiT 單元的FF值略高于p-Si 的FF值。季節(jié)性偏差顯然對p-Si 的影響大于HiT。同樣在監(jiān)測期間，HiT 的FF值大部分監(jiān)測區(qū)間較高，并且在整個監(jiān)測周期內保持相同的趨勢。

圖6 PV單元的填充因子變化

圖7 為在一段時間內兩種光伏技術的PR值的對比曲線。當檢測到PR下降時，HiT 型PV 組件的PR值較高，p-Si 型PV 組件的PR值較低。

圖7 月平均PR值

根據(jù)第1.4 節(jié)所述的公式計算出的溫度校正性能比PRcorr，如圖8 所示。對PRcorr的提取趨勢進行線性最小二乘擬合法也可以獲得年平均RD值。表4 中列出了兩種類型PV 組件的數(shù)據(jù)。可以看出，通過PRcorr計算的RD值略大于基于P*M計算的RD值。然而，需要指出的是，該值與表3 中給出的值對比結果相一致，p-Si型PV 組件的RD值比HiT 型PV 組件高。

圖8 月平均PRcorr

表4 基于PRcorr 分析的光伏陣列衰減率

在以往的研究中，溫度損失是光伏系統(tǒng)功率損失的決定性因素。對于本研究中，兩種類型的溫度損失是基于第1.4節(jié)中的公式(11)計算得出，結果如圖9 所示。p-Si 型PV 組件與溫度相關的功率損耗較高。兩種技術的結果也符合表2 中給出的溫度系數(shù)。

圖9 溫度損失

3 結論

基于中國保定西部地區(qū)天氣條件，對多晶硅(p-Si)和具有固有薄層(HiT)光伏組件的異質結進行性能評估和衰減評估。光伏組件安裝在干燥，陽光充足的內陸地區(qū)，并在2018 年1月至2020 年7 月之間進行了兩年半的監(jiān)控。根據(jù)實驗結果和分析，可以得出以下結論：

(1)基于PR值分析揭示了衰減性能和季節(jié)偏差，得出HiT型PV 組件的PR值略高于p-Si 型PV 組件PR值。功率輸出的降低程度可參考短路電流損耗(ISC)或填充因數(shù)(FF)的下降程度。

(2)通過分析有效峰值功率P*M 和溫度校正的性能比PRcorr，可以確定PV 組件的衰減率RD。結果顯示，HiT 型PV 組件的性能更好，其P*M和PRcorr的年均值分別接近0.1%。而p-Si型PV 面板的RD值在0.67%至0.83%范圍內。

(3)在整個實驗周期中，HiT 型PV 面板的FF值均高于p-Si。同時，觀察到季節(jié)變化對p-Si型PV 裝置的影響更大。

根據(jù)以上分析結果，得出HiT 型PV 組件在相同測試條件下的電氣性能較好，且衰減率較低。該研究為不同類型PV組件電氣性能和衰減率提供了一種有效的分析方法。