入射角對大尺寸光伏組件性能影響的實(shí)驗(yàn)研究

摘要：選取3種尺寸不同的182半片雙玻PERC單晶硅光伏組件（編號分別為A、B、C），在室內(nèi)測試條件下，首先測試光伏組件A和光伏組件B對不同入射角的響應(yīng)特性，用于分析入射角對不同尺寸光伏組件性能的影響；然后測試光伏組件C在初始狀態(tài)和其表面有輕微灰塵時的電性能、反射率，以及其在不同入射角下的響應(yīng)特性，用于分析輕微灰塵對大尺寸雙玻光伏組件性能的影響。研究結(jié)果表明：1）入射角在-85°～85°之間時，隨著入射角的增大，兩種大尺寸雙玻光伏組件的短路電流減小幅度基本一致。這意味著不同入射角下短路電流的減小幅度不受光伏組件尺寸的影響。2）當(dāng)入射角小于60°時，兩種大尺寸雙玻光伏組件的相對透光率都接近1，且尺寸相對較大的光伏組件的相對透光率整體略微偏高。3）當(dāng)入射角超過70°時，光伏組件的相對透光率急劇減小，將導(dǎo)致輸出電流損失急劇增大。因此，在光伏組件實(shí)際使用過程中，應(yīng)避免入射角出現(xiàn)超過700的情況。4）在有積灰的3種不同反射率下，光伏組件開路電壓的變化不大，說明不同積灰狀態(tài)均對光伏組件開路電壓的影響較小，但對短路電流的影響卻十分明顯；隨著反射率的增加，光伏組件C的短路電流逐漸減小，最大功率也在逐漸減小。但當(dāng)積灰不多，反射率不夠高時，應(yīng)在清洗積灰成本和發(fā)電效益之間尋求平衡。

關(guān)鍵詞：大尺寸光伏組件；入射角；反射率；積灰；電性能

中圖分類號：TM615文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

光伏組件接收的輻照量多少與光線的入射角有關(guān)。入射角是指入射光線與光伏組件表面法線之間的夾角。光伏組件表面的入射光能量和光伏組件內(nèi)部太陽電池吸收的光能量之間的比率主要受兩種影響：1）受純粹的機(jī)械或幾何效應(yīng)的影響；2）受光學(xué)效應(yīng)或玻璃表面特性的影響。當(dāng)受純粹的機(jī)械或幾何效應(yīng)影響時，只有入射光線的垂直分量（即入射角為零時）能被光伏組件內(nèi)的太陽電池直接吸收，隨著入射角的增加，光伏組件接收的輻照量減少。當(dāng)受光學(xué)效應(yīng)或玻璃表面特性影響時，入射光在從光伏組件玻璃表面到達(dá)太陽電池表面的過程中，光學(xué)路徑會受到鍍膜玻璃和封裝材料光學(xué)特性的影響2;且玻璃表面的粗糙度對入射角的影響也很大。因此，光伏組件制造商會通過在光伏玻璃表面鍍減反射涂層，或采用壓花玻璃等方法來改善光伏組件表面的光學(xué)特性。

當(dāng)入射角為0°時，對于表面清潔的光伏組件而言，入射光線的能量幾乎沒有損失；而對于表面臟污的光伏組件而言，入射光線能量則會因被污垢吸收和反射而損失3。光伏組件長期運(yùn)行在戶外，經(jīng)過一段時間后，灰塵會沉積在其表面。有研究[4]顯示，由于嚴(yán)重積灰，光伏組件的實(shí)際發(fā)電量平均每天會降低1.2%。而在室外環(huán)境相同的條件下，清潔光伏組件的發(fā)電量比臟污光伏組件的發(fā)電量高15%以上；且隨著積灰增多，光伏組件的發(fā)電量也隨之下降5?；覊m對光伏組件性能的影響已得到大量研究，但對于輕微積灰在影響光伏組件發(fā)電量的同時，是否也會產(chǎn)生入射角效應(yīng)的研究相對較少。

入射角效應(yīng)通常在光伏組件性能評估和光伏電站發(fā)電量評估中被考慮6。有研究7顯示，由于入射角的影響，光伏電站每年的輸出功率損失至少為3%。

本文選取3種不同尺寸的182半片雙玻PERC單晶硅光伏組件，在室內(nèi)測試條件下，首先測試兩種尺寸光伏組件對不同入射角的響應(yīng)特性；然后測試大尺寸光伏組件在初始狀態(tài)和其表面有輕微灰塵時的電性能、反射率，以及其在不同入射角下的特性。

1實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)樣品及實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)采用3種大尺寸光伏組件，編號分別為光伏組件A、光伏組件B和光伏組件C，這3種光伏組件均采用并串電路結(jié)構(gòu)。3種光伏組件的類型及尺寸如表1所示。

主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備的名稱、生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品型號如表2所示。

1.2測試方法

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC 61853-2：2016《Photovoltaic（PV）module performance testing and energy rating——Part2：Spectral Response，incidence angle and moduleoperating temperature measurements》8，采用室內(nèi)方法測試光伏組件的入射角效應(yīng)。光源由3A級太陽光瞬態(tài)模擬器輸出，且光源固定不動；使用可旋轉(zhuǎn)支架改變光伏組件的相對位置；光伏組件表面法線和光源光軸之間的夾角（即入射角）范圍選取-85°～85°，對于-60°～60°之間的入射角，以10°的步幅改變?nèi)肷浣墙嵌?；對?60°～60°之外的角度，則以5°的步幅改變?nèi)肷浣墙嵌取Ｔ诿總€入射角下，每隔1 min利用太陽光瞬態(tài)模擬器讀取1個短路電流I，溫度記錄儀讀取1個光伏組件溫度值，共讀取3個短路電流I。值和光伏組件溫度值，并將這些值校正至標(biāo)準(zhǔn)測試條件（STC，即AM1.5、光伏組件溫度25 ℃和1000W/m2輻照度）下，然后求短路電流的平均值，以獲得不同入射角θ時校準(zhǔn)至STC下的短路電流I.（θ）。最后利用式（1）可計(jì)算得到不同入射角下光伏組件的相對透光率t（θ）。

式中：Is（0）為當(dāng)入射角為0°時，校正至STC下時的光伏組件短路電流。

改變?nèi)肷浣堑哪康氖菫榱双@取入射角范圍內(nèi)光伏組件的短路電流值。由于目前市面上主流的商用光伏組件均采用尺寸為182 mm和210 mm的太陽電池，導(dǎo)致光伏組件的尺寸越來越大。因此，可通過測試光伏組件內(nèi)某串太陽電池的短路電流來獲取整個光伏組件的短路電流，且該方法已被驗(yàn)證可行[9。

1.3實(shí)驗(yàn)方案

首先測試光伏組件A和光伏組件B對不同入射角的響應(yīng)特性，用于分析入射角對不同尺寸光伏組件性能的影響；然后測試光伏組件C在初始狀態(tài)和其表面有輕微灰塵臟污時的電性能、反射率，以及其對不同入射角的響應(yīng)特性，用于分析輕微灰塵對大尺寸雙玻光伏組件性能的影響。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1入射角對不同尺寸雙玻光伏組件性能的影響

在特定入射角下，光伏組件接收的輻照量可能會因光伏組件的尺寸不同而有所不同，且光伏組件的朝向也對入射角的角度有很大影響。對光伏組件A和B進(jìn)行不同入射角下的短路電流測試，得到不同尺寸光伏組件的短路電流與入射角的關(guān)系，具體如圖1所示。圖中角度的正負(fù)代表入射角的旋轉(zhuǎn)方向，下文同。

由圖1可知：

1）入射角在-85°～85°之間時，兩種光伏組件的短路電流曲線均呈左右對稱結(jié)構(gòu)；且隨著入射角的增大，兩種光伏組件的短路電流減小幅度基本一致。這意味著不同入射角下短路電流的減小幅度不受光伏組件尺寸的影響。

2）當(dāng)入射角小于60°時，光伏組件表面接收到的大部分入射光線為直射光，有助于短路電流的產(chǎn)生，且光伏組件表面的減反射涂層能夠降低對光的反射率，增加了入射光線的透射率，增大了光伏組件接到的輻照量，從而使光伏組件的短路電流較高。

3）隨著入射角增大，短路電流急劇變小。這是因?yàn)殡S著入射角增大，光伏組件對光的反射率增加，從而導(dǎo)致太陽電池對光的吸收率降低。當(dāng)入射角大于等于60°時，光伏組件表面接收到的大部分入射光線為漫反射光，光伏組件出現(xiàn)較大的余弦損失和反射損失，導(dǎo)致其所接收的輻照量大幅減少。因此，當(dāng)入射角增大至-85°和85°時，光伏組件產(chǎn)生的短路電流非常小，接近于零。

對光伏組件A和B進(jìn)行不同入射角下的相對透光率測試，得到不同尺寸光伏組件的相對透光率與入射角的關(guān)系，具體如圖2所示。

由圖2可知：

1）當(dāng)入射角小于60°時，兩種光伏組件的相對透光率都接近1，且尺寸相對較大的光伏組件（光伏組件B）的相對透光率整體稍微偏高。

2）雖然隨著入射角的增加，兩種光伏組件的相對透光率均呈下降趨勢，但入射角從60°增大至70°之間時，兩種光伏組件的相對透光率僅從1.0減至0.9左右；而入射角在-75°～-85°和75°～85°之間時，兩種光伏組件的相對透光率則從0.9左右急劇降至到0.5左右。由此可以看出，當(dāng)入射角超過70°時，光伏組件的相對透光率急劇減小，將導(dǎo)致輸出電流損失急劇增大。因此，在光伏組件實(shí)際使用過程中，應(yīng)避免入射角出現(xiàn)超過70°的情況。

3）入射角在-70°～70°之間時，兩種光伏組件的相對透光率均具有較高的穩(wěn)定性，說明在此入射角區(qū)間內(nèi)入射角與相對透光率的相關(guān)性較弱。

半片光伏組件的相對透光率表現(xiàn)優(yōu)異的原因是，相對于傳統(tǒng)的光伏組件設(shè)計(jì)，此種光伏組件的太陽電池接收的輻照量更多。半片太陽電池的設(shè)計(jì)能增加太陽電池之間的距離，從而使更多入射光線通過太陽電池之間的間隙進(jìn)入光伏組件內(nèi)部，增強(qiáng)了背板或背面玻璃處的漫反射，最終增加了太陽電池所能接收到的輻照量[10]

2.2不同反射率下大尺寸雙玻光伏組件的特性分析

2.2.1不同反射率下大尺寸雙玻光伏組件的電性能

當(dāng)灰塵沉積在光伏組件表面時，積灰會影響太陽電池對太陽輻射的吸收，這相當(dāng)于積灰間接減少了到達(dá)光伏組件的太陽輻照量，光生伏特效應(yīng)減弱，因此會導(dǎo)致光伏組件的輸出電流減小，發(fā)電量也隨之減小。鑒于目前實(shí)際運(yùn)行中的光伏電站都會定期清洗光伏組件，因此本文選取大尺寸雙玻光伏組件（光伏組件C）積灰較少、反射率較低的情況進(jìn)行分析。

對光伏組件C進(jìn)行不同積灰條件下的反射率測試，測試結(jié)果如表3所示。表中：初始反射率是指光伏組件處于清潔狀態(tài)時的反射率，反射率1～反射率3代表積灰程度由輕到重時光伏組件的反射率，但即使是在反射率3的情況下，光伏組件表面的積灰程度也是較輕的。

由表3可知：光伏組件C處于清潔狀態(tài)時其平均反射率約為2.12%;而在自然輕微積灰后（反射率3），該光伏組件的反射率平均值升高至4.61%。雖然在自然輕微積灰情況下，肉眼看到的積灰并不明顯，但對光伏組件反射率的影響還是較大的。

積灰狀態(tài)不同，光伏組件的反射率也會不同。對不同積灰狀態(tài)下的光伏組件C的電性能進(jìn)行測試，以便得到不同反射率下的該光伏組件電性能，測試結(jié)果如表4所示。

從表4可以發(fā)現(xiàn)：3種不同反射率下，光伏組件開路電壓的變化不大；但隨著反射率的增加，光伏組件C的短路電流逐漸減小，最大功率也在逐漸減小。這說明不同積灰狀態(tài)均對光伏組件開路電壓的影響較小，但對短路電流的影響卻十分明顯。

結(jié)合表3、表4可以發(fā)現(xiàn)：光伏組件C處于清潔狀態(tài)時，其平均反射率約為2.12%;而在光伏組件日常使用過程中自然落灰（反射率3）情況下，其平均反射率升高為4.61%，此時功率衰減率為2.53%。說明積灰對光伏組件功率衰減率有一定影響，但當(dāng)積灰不多，反射率不夠高時，應(yīng)在清洗積灰成本和發(fā)電效益之間尋求平衡。

2.2.2不同反射率下入射角對大尺寸雙玻光伏組件短路電流和相對透光率的影響

由于光伏組件表面輕微積灰狀態(tài)（即反射率3）是光伏電站實(shí)際運(yùn)行過程中較為常見的情況，所以針對不同反射率下入射角對光伏組件C短路電流的影響進(jìn)行測試。測試結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知：隨著反射率增加，在不同入射角下，光伏組件C的短路電流下降幅度并沒有很明顯，這表明在入射角較大且積灰不嚴(yán)重的情況下，反射率造成的短路電流損耗并不會增加。也就是說，相較于清潔光伏組件，輕微積灰光伏組件的短路電流損耗在較高入射角時并不比較低入射角時高，這也意味著輕微積灰光伏組件在陰天、清晨和傍晚時也并不會產(chǎn)生過多的能量損耗。

不同反射率下入射角對光伏組件C相對透光率的影響如表4所示。

從圖4可以看出：不論是對于清潔的還是對于輕微積灰的大尺寸雙玻光伏組件而言，當(dāng)入射角超過70°后，光伏組件的相對透光率均急劇下降；在入射角為80°時，輕微積灰的大尺寸雙玻光伏組件的相對透光率下降幅度要略微大于該光伏組件處于清潔狀態(tài)時。因此可以推斷出，隨著積灰增多，嚴(yán)重臟污的大尺寸雙玻光伏組件在較大入射角下會產(chǎn)生較高的相對透光率損耗。

3結(jié)論

本文選取了3種不同尺寸的182半片雙玻PERC單晶硅光伏組件，在室內(nèi)測試條件下，首先測試了兩種尺寸光伏組件對不同入射角的響應(yīng)特性；然后測試了大尺寸光伏組件在初始狀態(tài)和其表面有輕微灰塵時的電性能、反射率，以及其對不同入射角的響應(yīng)特性。得到以下結(jié)論：

1）入射角在-85°～85°之間時，隨著入射角的增大，兩種尺寸的大尺寸雙玻光伏組件的短路電流減小幅度基本一致。這意味著不同入射角下短路電流的減小幅度不受光伏組件尺寸的影響。

2）當(dāng)入射角小于60°時，兩種尺寸的大尺寸雙玻光伏組件的相對透光率都接近1，且尺寸相對較大的光伏組件的相對透光率整體略微偏高。

3）當(dāng)入射角超過70°時，光伏組件的相對透光率急劇減小，將導(dǎo)致輸出電流損失急劇增大。因此，在光伏組件實(shí)際使用過程中，應(yīng)避免入射角出現(xiàn)超過70°的情況。

4）在有積灰的3種不同反射率下，光伏組件開路電壓的變化不大，說明不同積灰狀態(tài)均對光伏組件開路電壓的影響較小，但對短路電流的影響卻十分明顯；隨著反射率的增加，光伏組件C的短路電流逐漸減小，最大功率也在逐漸減小。但當(dāng)積灰不多，反射率不夠高時，應(yīng)在清洗積灰成本和發(fā)電效益之間尋求平衡。

[參考文獻(xiàn)]

[1]MCCLUNEYR.Introduction to radiometry and photometry[M].Boston：Artech House，1994.

[2]BALENZATEGUI JL，CHENLO F.Measurementandanalysis of angular response of bare and encapsulatedsilicon solar cells[J].Solar energy materials and solarcells，2005，86（1）：53-83.

[3]KING D L，KRATOCHVIL J A，BOYSON WE.Measuring solar spectral and angle-of-incidence effectson photovoltaic modules and solar irradiance sensors[C]//IEEE 26th Photovoltaic Specialist Conference （PVSC），September 30—October 3，1997，Anaheim，CA，USA.

[4]陳東兵，李達(dá)新，時劍，等.光伏組件表面積塵及立桿陰影對電站發(fā)電功率影響的測試分析[J].太陽能，2011（9）：39-41.

[5]張風(fēng)，白建波，郝玉哲，等.光伏組件表面積灰對其發(fā)電性能的影響[J].電網(wǎng)與清潔能源，2012，28（10）：82-86.

[6]FATEHI JH，SAUER K J.Modeling the incidence angledependence of photovoltaic modules in PVsyst[C]//2014IEEE 40th Photovoltaic Specialist Conference （PVSC），June 8-13，2014，Denver，Colorado，USA.

[7]MARTIN N，RUIZ JM.Calculation of the PV modulesangular losses under field conditions by means of ananalytical model[J].Solar energy materials and solar cells，2001，70（1）：25-38.

[8]IEC.Photovoltaic （PV）module performance testing andenergy rating—Part2：Spectral Response，incidenceangleand module operating temperature measurements：IEC61853-2：2016[S].Geneva：[s.n.]，2016.

[9]劉志民，胡曉陽，張可佳，等.光伏組件入射角影響測試的風(fēng)險(xiǎn)控制[C]//國檢集團(tuán)第一屆檢驗(yàn)檢測人員崗位能力提升論文集.北京：中國建材科技雜志社，2020.

[10]MARIAN T，SIEGFRIED D，STEPHAN S，etal.Solar module with half size solar cells [C]//29th EuropeanPhotovoltaic Solar Energy Conference And Exhibition，September 22-26，2014，Amsterdam，Netherlands.

EXPERIMENTAL STUDY ON EFFECT OF INCIDENT ANGLE ONPERFORMANCE OF LARGE-SIZED PV MODULES

Chen Peng，LinHao，SunXiaoyin，Ma Chao

（Wuxi Institute ofInspection，Testing and Certifcation，Wuxi 214000，China）

Abstract：This paper selects three different sizes of 182 half piece bifacial glass PERC mono-Si PV modules（numbered A、B、C），under indoor testing conditions，firstly，test the response characteristics of PV modulesA and B to different incident angles to analyze the impact of incident angles on the performance of PV modulesof different sizes.Then test the electrical performance and reflectivity of PV module C in its initial state andwith slight dust on its surface，as well as its characteristics at different incidence angles，to analyze the impactof slight dust on the performance of large-sized bifacial glass PV modules.The research results indicate that：1）When the incident angle is between -85°and 85°，the reduction in short-circuit current of the two large-sized bifacial glass PV modules is basically the same as the increase of the incident angle.This means that thereduction in short-circuit current at different incident angles is not affected by the size of the PV module.2）Whenthe incident angle is less than 60°，the relative transmittance of both large-sized bifacial glass PV modules isclose to 1，and the relative transmittance of the relatively large-sized PV modules is slightly higher overall.3）When the incident angle exceeds 70°，the relative transmittance of the PV module decreases sharply，leadingto a sharp increase in output current loss.Therefore，in the actual use of PV modules，it is necessary to avoidsituations where the incident angle exceeds 70°.4）Under three different reflectivity conditions with accumulateddust，there is little change in the open circuit voltage of PV modules，indicating that different dust accumulationstates have a relatively small impact on the open circuit voltage of PV modules，but their impact on the short-circuit current is very significant.As the reflectivity increases，the short-circuit current of PV module C graduallydecreases，and the maximum power also gradually decreases.But when there is not much dust accumulation andthe reflectivity is not high enough，a balance should be sought between the cost of cleaning the accumulated dustand the efficiency of power generation.

Keywords：large-sized PV modules;incidentangle;reflectivity;dustaccumulation;electrical performance