光伏組件在標準氣候條件下的發電性能預測

周凱旋，劉海濤，賀 凱，楊 磊

（中國科學院電工研究所，北京 100190）

0 引言

戶外測試條件下，光伏組件發電性能受太陽輻照、太陽光光譜、環境溫度、陽光入射角、組件溫度等眾多因素影響，且不同氣候條件下，組件所處戶外測試環境差異性較大，單純依靠室內標準測試條件（1 000 W/m2，25 ℃）下光伏組件標稱功率的測試并不能準確反映光伏組件戶外實際發電性能情況，如何準確評估光伏組件在不同氣候條件下的發電性能逐步成為光伏行業關注的重點。為了更好地評估光伏組件在各個氣候條件下的發電性能情況，美國、德國、奧地利、法國、瑞士等多個國家已啟動針對光伏組件戶外測試技術的研究，美國國家可再生能源實驗室、Sandia美國國家實驗室、Fraunhofer、TUV萊茵等多家機構分別建立了戶外實證基地用于開展光伏組件戶外發電性能的分析；另外，全球共有15個組件戶外實證檢測實驗室加入國際能源署光伏電力系統項目，合作開展光伏組件戶外發電性能測試方法研究。我國在濕熱、亞濕熱、干熱、暖溫、海洋、寒溫、高原等典型氣候區分別建立了光伏組件戶外測試平臺，研究對比不同光伏組件戶外發電性能情況。在戶外建立光伏組件測試平臺的方法雖然能有效反映組件在戶外復雜工作環境下的真實狀態，可評估光伏組件發電性能隨時間變化的衰減情況，但該方法存在評估周期較長、戶外測試不確定度較大等問題。因此，本文通過IEC 61853系列標準[1-4]對光伏組件進行戶外發電性能預測，為光伏制造商和采購商提供了一種可對光伏組件在標準氣候條件下發電性能進行快速評估的工具。

1 組件主要性能參數測試

1.1 被測樣品介紹

本文采用3個廠家的單晶硅組件進行IEC 61853計算分析，晶硅組件信息如表1所示。

表1 3個廠家的晶硅組件詳細信息表

1.2 主要性能參數測試

針對目前主要廠家的單晶硅組件進行測試，根據IEC 61853系列標準要求，采用如圖1所示的測試序列進行光伏組件能效測試及計算分析。

圖1 IEC 61853系列標準測試序列

1.2.1 光伏組件電性能矩陣測試

光伏組件輻照度和溫度性能測量及功率評定可通過自然陽光下太陽跟蹤系統、自然陽光下無太陽跟蹤系統和室內太陽模擬器等3種方式進行測試。與室內測試條件相比，在自然陽光下有無太陽跟蹤系統的測量方式雖然更能反映光伏組件的實際運行環境，但存在測試周期長、測試精度低等缺點。本文采用室內太陽模擬器的方式對光伏組件輻照度和溫度性能測量及功率評定，得到一個包含22個不同輻照度和溫度下的組件功率矩陣。該矩陣將作為IEC 61853-3組件能效測試計算的輸入參數。組件功率矩陣如表2所示。

表2 光伏組件功率與輻照度和溫度對應表

1.2.2 光譜響應、入射角響應和組件工作溫度測試

為深入研究入射角對光伏組件輸出功率的影響，確定環境溫度、風速和輻照度對光伏組件溫度的影響以及光伏組件與太陽光光譜失配情況，IEC 61853-2給出了光譜響應度、入射角響應參數（ar）和工作溫度系數（u0，u1）的測量方法。對于光譜響應度測試，本文根據IEC 60904-8中規定的要求采用單個電池片進行測試；對于入射角響應度測試，本文采用室內測試方法對光伏組件進行測試；由于缺乏關于工作溫度系數（u0，u1）的測試數據，本文采用已有文獻中的工作溫度系數（如表3所示）[5]進行測試。通過IEC 61853-2測試得到的組件光譜響應度、入射角響應參數（ar）和工作溫度系數（u0，u1）作為IEC 61853-3組件能效測試計算的輸入參數。

表3 用于計算光伏組件能效工作溫度系數

1.3 光伏組件發電性能計算

IEC 61853-3定義了光伏組件年發電量及年能效的計算模型，通過一系列計算得到所需組件整個參考年每小時發電量，利用能效計算公式得到某一特定氣候條件下的光伏組件能效（CSER）參數（無量綱）。詳細計算步驟見標準IEC 61853-3中的相關部分。

光伏組件能效（CSER）是一種無量綱參數，指在一定氣候條件下光伏組件的估計發電量與組件基于額定功率發電量的比值，計算公式如下。

其中，Emod，year為通過計算得到的光伏組件年發電量，（W·h）；Gref為標準測試條件下的輻照度，W/m2；Hp為IEC 61853-4中標準氣候區組件平面累計輻照度，Wh/m2；Pmax，stc為光伏組件標準測試條件（1 000 W/m2，25 ℃）下的功率，W。

2 研究結果與討論

2.1 標準氣候條區輻照度— 溫度分布分析

IEC 61853-4給出的6個標準氣候區環境溫度和輻照度情況如圖2所示。通過分析可知，在環境溫度方面，濕熱氣候條件下環境溫度整體處于較高水平，且四季溫差較小，亞熱帶干旱和高原氣候下環境溫度溫差較大；在輻照度方面，亞熱帶干旱氣候區和高原氣候區的輻照條件較好，溫帶沿海氣候區、溫帶大陸氣候區和亞熱帶沿海氣候區的輻照條件較差。

圖2 標準氣候區輻照—溫度分布

2.2 M1組件在標準氣候條件下的發電性能分析

以M1組件為例，對M1組件在標準氣候條件下的發電性能進行對比分析。M1組件在標準氣候條件下的溫度分布如圖3所示、月能效分布情況如圖4所示。

圖3 M1組件在不同氣候區溫度分布情況

圖4 M1組件月能效分布情況

由圖3可以看出，受各氣候區環境因素影響，濕熱氣候條件下光伏組件工作溫度溫差較小，且常年處于較高水平，主要分布在25～35 ℃之間；亞熱帶干旱氣候區下光伏組件溫度最高，主要分布在25～45 ℃之間；高原氣候區下光伏組件溫度最低，主要分布在-5～10 ℃之間；溫帶沿海氣候區、溫帶大陸性氣候區、亞熱帶沿海氣候區，光伏組件工作溫度溫差變化在圖中已有顯示，不再細說。從組件月能效分布情況圖可以看出，受各氣候區環境因素影響，晶硅組件各月發電性能存在較大差異，呈現出夏季高、冬季低的相反趨勢。其中，溫帶大陸性氣候區組件月能效差值最大，高達53 ，而濕熱氣候區全年組件月能效差值最小，為2 。

通過對標準氣候條件下M1組件溫度與小時級組件能效的擬合可知，組件溫度與能效呈現出較好的線性關系，能效隨著組件溫度的增大而減小。

2.3 3種類型組件在標準氣候條件下發電性能分析

本文對3種類型組件在標準氣候條件下發電性能進行了詳細分析。3種組件在標準氣候條件下的年能效分布如圖5所示。

圖5 3種組件在標準氣候條件下的年能效分布

由圖5可知，無論在哪種標準氣候條件下，3種晶硅組件的年能效均在0.85以上，這表明3種晶硅組件在6個標準氣候條件下的發電性能良好。另外，同種晶硅組件在高原氣候區的發電性能普遍好于其他氣候區，其年能效甚至比濕熱氣候區高15 。通過對同種氣候條件下不同類型組件發電性能對比分析可知，雖然M2組件的額定功率最小，但在亞熱帶干旱氣候條件下，M2組件的發電性能最好，其年能效要比發電性能最差的M1組件高6.5 。值得注意的是，除濕熱氣候區外，在其他5種標準氣候條件下，額定功率最大的M1組件年能效均小于其他兩種晶硅組件。

3 研究結果與討論

本文通過IEC 61853系列標準，對3種晶硅組件在6個標準氣候條件下的CSER進行計算，對比分析了同類型組件在標準氣候條件下發電性能以及不同類型組件在標準氣候條件下發電性能情況。結果表明，組件在各標準氣候條件下的能效隨著組件溫度分布呈現出明顯規律，即光伏組件能效與組件溫度成反比的趨勢。