光伏发电系统的环境参数影响实证分析

陈心欣，李慧，曾湘安，许楚斯

（中国电器科学研究院有限公司，广州 510300）

光伏发电系统的环境参数影响实证分析

陈心欣，李慧，曾湘安，许楚斯

（中国电器科学研究院有限公司，广州 510300）

本文介绍了基于对光伏发电实证系统的发电性能以及环境参数的连续监测，开展的环境参数对光伏发电性能的影响的比较分析研究，并通过数据分析手段得出了光伏发电性能的变化规律。

光伏发电；环境参数；温度；太阳辐照；PR

引言

随着能源供应紧张、环境污染和气候变化等问题的日趋严重，光伏发电作为一种清洁的可再生能源得到快速发展。我国太阳能资源丰富，理论储量大，是未来最有希望的、可大规模开发利用的可再生能源。近几年来，随着光伏产业的迅猛发展、装机容量的指数增长，为保证电力系统经济、安全和可靠性运行，光伏发电预测显得越来越重要[1，2]。

光伏发电输出受太阳辐射周期变化、气温、降水、云量、湿度等气象要素随机性变化的影响，具有明显的日、季节变化、以及不连续性和不确定性[3，4]。本文通过对环境参数的连续监测，并跟踪对比光伏发电实证系统的发电性能，研究环境参数对光伏发电的影响，为进行更为准确的光伏发电预测提供数据基础。

1 实证系统简介

本文采用光伏组件搭建成小型光伏发电系统，接入组串式逆变器并网，同时通过气象系统监测组件平面的太阳辐照、空气温度、湿度、风向风速等数据，发电数据以及气象数据通过无线网络传输的方式上传到数据平台，整个系统的示意图见图1。

图1 光伏发电实证系统以及监测数据示意图

本文选择的数据来源于在海南省琼海市海南热带环境研究所自2014年底搭建的两个装机量约2 kW的小型光伏实证系统，每个系统由8件60电池片的多晶硅光伏组件接入组串式逆变器并网构成。选用琼海市作为实证试验地点，是考虑到作为我国的低纬度地区，其太阳光谱的季节性相对影响较小。因此，本文可以较为针对性的考虑太阳辐照、空气温度、风速这些因素的影响。本文旨在分析环境数据对光伏组串发电性能的影响，因此，为排除逆变器转换效率的影响，主要采用光伏组串的直流PR（取逆变器直流端的参数）作为性能评价参数，参考IEC 61724[5]给出的PR的定义，光伏组串的直流PR即：

其中，

PRT：在T时间段内光伏组串的平均系统效率；

ET：在T时间段内光伏组串直流端测得的电量；

Pe：光伏组串装机量（以实测STC状态下各组件的功率计算）；

HT: 在T时间段内方阵面上的峰值日照时数。

本文两组小型光伏系统分别定义为系统A和系统B，采用了2015年、2016年两年期的发电数据以及环境数据进行分析，下文分析的直流PR值取短期的值，即系统每5 min的平均直流效率，对应的环境数据也为对应5 min的平均值（或累计值）。

2 一天不同时间的发电性能分析

本文分析了2015年和2016年全年，自6：30至18：30的12 h内，A、B两个光伏系统的直流PR变化，如图2所示。

从图2可以看出，A、B两系统在2015年以及2016年的表现均非常相似，在黎明和傍晚阶段，由于太阳辐照值较低，其直流PR值均比较低。随着时间的过去，太阳高度角慢慢增大，系统的PR值逐渐增大，到上午9点钟左右达到最高值。而此后，由于气温逐渐升高、太阳辐照也加强，使得光伏组件的温度上升从而PR值会略微降低，在12点至14点之间PR值基本在平稳状态。而下午，随着组件温度逐渐下降，PR值又会有所回升，在下午4点半左右达到下午阶段的最高值。此后则由于太阳辐照降低，PR值逐渐降低。

3 不同温度下的发电性能

本文分析了2015年和2016年全年，空气温度在20～35 ℃之间的A、B两个光伏系统的直流PR变化，如图3所示。

在图中可见，同一年的两个系统的性能表现均较为接近，不同年份之间个别温度的性能表现不完全一致，这与当年的气象状况相关。而总体趋势可以看出：在气温在20～31 ℃之间，PR值随温度的变化不明显，而当气温超过31 ℃以后，PR随气温升高明显下降。

图2 光伏系统的一天内直流PR值时间变化图

图3 光伏系统的不同气温下的直流PR变化图

图4 光伏系统的不同气温下的直流PR变化图（辐照强度在800 W/m2至1 000 W/m2）

由于光伏组件的温度除了与空气温度相关以外，与太阳辐照的影响也有关系，因此，本文针对性的选取了太阳辐照强度在800 W/m2至1 000 W/m2的数据进行分析，如图4。从图中可见，对于辐照强度较强的时刻，系统的直流PR值基本随温度升高而降低，但是在25～30 ℃之间，此变化并不明显。

4 不同辐照强度下的发电性能

本文分析了2015年和2016年全年，A、B两个光伏系统的直流PR随太阳辐照强度的变化趋势，如图5所示。

图5 光伏系统的不同辐照强度下的直流PR变化图

从上图可见，在太阳辐照较低时，PR值随者辐照强度增加而增大，在辐照强度在200～400 W/m2之间，系统的PR较为平稳。此后，系统的PR值随着辐照强度的增加而降低，基本呈线性关系。

为了更好的分析光伏系统PR值与太阳辐照强度之前的关系，本文选取了几个空气温度条件下的情况进行细化分析，图6和图7展示了两个光伏系统在空气温度分别在 20 ℃（±1 ℃）、25 ℃（±1 ℃）、30 ℃（±1 ℃）条件下不同太阳辐照强度的PR值变化情况。

图6 系统A在不同辐照强度下的直流PR变化图

从图中可见，两个光伏系统空气温度在20 ℃、25 ℃以及30 ℃的情况下其PR值随太阳辐照强度的变化情况均相似（与图5展示的变化规律类似）。而且对于相同的辐照强度下，空气温度高则PR值相对较低，这与电池片的温度效应相关，但是图中也可看出20～25 ℃之间的差别，明显不如25～30 ℃之间的差别大。

图7 系统B在不同辐照强度下的直流PR变化图

而在辐照强度较低的范围内（小于250 W/m2），在空气温度30 ℃的条件下，辐照强度对系统PR值的影响明显大于空气温度在20 ℃和25 ℃。而在辐照强度超过400 W/m2后，辐照强度增大则系统PR值降低，对于各个温度条件下其下降的幅度都较为相似，其直线拟合结果可见表1。

表1 光伏系统辐照强度-直流PR直线拟合结果（400 W/m2至110 W/m2）

表1的直线拟合结果，除系统B的30 ℃一栏数据外，其相关系数均大于0.95，可见拟合度较高。而通过表1数据对比，以及图5的曲线，可以看到，在其他气象环境条件均相同的情况下，系统A的PR受太阳辐照的影响相对较较大（太阳辐照强度一方面影响光伏组件的温度，另一方面也影响组件的转换效率）。本文针对各个辐照段的系统性能展开比较分析，其结果如表2所示。

表2 光伏系统不同辐照强度段的直流PR变化情况

从表2数据可知：在太阳辐照强度较低的情况下，系统A的性能表现更佳，而在辐照强度较高的情况下，则系统B的性能表现反而更好。此变化规律对于全年不同月份的光伏系统发电预测有一定的指导意义。

5 小结

本文通过搭建小型光伏实证系统的方式，监测并分析了在同一地点的两个光伏系统的发电性能（直流）受环境因素影响的情况。针对影响光伏系统性能的最主要环境因素空气温度和太阳辐照强度进行了比较，并通过数据分析的手段得出了定性的结论，对于更为准确预测光伏系统的发电有指导意义。

[1] 韩晓艳，赵鹏，宋行宾，侯现伟，刘敬伟. 光伏组件选型对光伏系统发电量的影响[J]. 太阳能, 2012,5: 30-33

[2] 白永清，陈正洪，王明欢，赖安伟. 关于WRF模式模拟到达地表短波辐射的统计订正[J]. 华中师范大学学报(自然科学版), 2013,47(2): 292-295

[3] 崔洋，孙银川，常倬林. 短期太阳能光伏发电预测方法研究进展[J]. 资源科学, 2013，35（7）：1474-1481

[4] 毕二朋，胡明辅，袁江，吴国玉. 光伏系统设计中太阳辐射强度影响的分析[J]. 节能技术, 2012,30(1): 15-17

[5] IEC TS 61724-3:2016, Photovoltaic system performance-Part 3:Energy evaluation method (S).

Analysis of Environmental Parameters on Photovoltaic System

CHEN Xin-xin，LI Hui，ZENG Xiang-an，XU Chu-si
(China National Electric Apparatus Research Institute Co., Ltd. Guangzhou 510300)

This paper introduces comparative analysis of the influence of environmental parameters on the photovoltaic system performance, which bases on continuous monitoring of both the electrical parameters and environmental parameters. By means of data analysis, this paper concludes the law of the performance of photovoltaic power.

photovoltaic generation；environment parameter；temperature；solar irradiation；PR

TM615

B

1004-7204(2017)04-0019-04

广州市科学研究专项资助项目（201504010026），广东省外专局引智示范成果推广项目（Y20174400002）

陈心欣（1982-），女，中国电器科学研究院有限公司工业产品环境适应性国家重点实验室，工程师，主要从事光伏环境耐久性试验与评价工作。