光伏组件发电量户外实证研究

蒲泽伟 刘志民 王玉群 孙国苹

（1 西藏自治区能源研究示范中心，西藏 850000；2 中国建材检验认证集团股份有限公司，北京 100024）

1 研究背景与内容

一般，对晶体硅光伏组件[1]和薄膜光伏组件[2]的性能表征方法主要有环境、力学、电性能、安全[3]等几个方面，例如热循环试验、湿冻试验、湿热试验、紫外预处理试验、室外曝露试验、光老炼试验、标准测试条件（standard test conditions，STC）下的性能、标称工作温度（nominal operating cell temperature，NOCT；nominal module operating temperature，NMOT[4]）、机械载荷试验、冰雹试验、旁路二极管热性能试验、组件破损试验、可触及性试验、反向电流试验等。其中，对于光伏组件的电性能评价一般在标准测试条件以及低辐照、标称工作温度等三种条件下进行测试，这三种测试条件的共同点是光线垂直于组件入射（光入射角为0°）、AM1.5 光谱条件，且覆盖的组件温度（25 ℃，NOCT/NMOT）、辐照度（200 W/m2,800 W/m2,1000 W/m2）情况较为单一。光伏组件在户外不同地理位置和气候环境的实际应用过程中，将会遇到太阳光入射角不为0°、实际太阳光谱不同于标准AM1.5 光谱、辐照度和温度情况多变等情况。国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）分别发布了IEC 61853-1:2011、IEC 61853-2:2016 两项标准[5-6]，规定了不同温度、辐照度条件下的光伏组件功率评定方法，以及光谱响应、光入射角和组件运行温度条件的测量方法。未来将要发布的IEC 61853-3、IEC 61853-4 分别规定发电量计算方法、标准参考气象数据库等。

光伏组件发电量户外实证研究的方式主要有光伏组件最大功率点跟踪发电量测试，基于光伏电流-电压特性测量[7]的光伏组件发电量测试，以及多因子影响光伏组件发电量的评估方法等。

2 研究方法介绍

2.1 光伏组件最大功率点跟踪（MPPT）发电量测试

搭建光伏组件发电量测试系统，可以采用光伏组串加组串式逆变器并网发电，也可以采用单片光伏组件接入微逆（微型逆变器）并网发电或单片光伏组件连接MPPT 直流电子负载进行消耗。在直流侧接入准确度不低于0.5 级的直流电能表，若采用分流器，分流器的准确度等级应不低于0.5 级。

光伏组串发电量评估使用到组串式逆变器时，应注意按照IEC 62548 进行科学设计，以免较低的负载率影响逆变器效率、逆变器低配导致限值光伏组串出力、光伏组串工作电压或电流超过逆变器限值导致危险事故等。单片组件连接微逆并网发电时，同样应注意光伏组串和逆变器的匹配。光伏组件连接MPPT 直流电子负载时，应注意负载的通风散热。

该方法测试精度主要受逆变器、发电量检测设备的影响。MPP 跟踪的光伏组件发电量测试可以使样品在户外长期并网发电运行，验证强紫外、高温、强降雨、大风等气象条件下组件的稳定性。

2.2 基于光伏电流-电压特性测量的光伏组件发电量测试

搭建单片组件发电量评估测试系统，使用与样品共平面放置的日射强度计监控样品平面辐照度，使用光谱辐射仪持续记录样品平面的太阳光谱。组件样品法线与直射太阳光夹角在±5°以内、样品温度达到动态稳定时进行测试，剔除测试期间总辐射波动超过±1%的数据。

该方法基于IEC 60904-1，可以较准确测得光伏组件的瞬时输出功率，瞬时输出功率对时间进行积分，即可得到某段时期的累计发电量。该方法的缺陷时在多云、大风等天气较难测得有效的瞬时输出功率，导致相邻测得有效值的时间间隔较长。

基于光伏电流-电压特性测量的光伏组件发电量测试可以获得组件在户外实际情况下的输出性能，筛选出组件平面辐照度大于800W/m2的IV 曲线根据IEC60891 进行修正，可以监测不同运行时间的组件输出性能衰降特性。

2.3 多因子影响光伏组件发电量的评估方法

建立光伏组件能级评定与发电量评估测试分析系统，建立能级评定数据库（数据记录间隔应不长于1 小时）。通过监控的直射和散射辐照度、光入射角、光谱修正等因子修正辐照度，通过环境温度、风速等因子推算组件运行温度，再结合组件在不同温度辐照度下的性能，评估组件的当时输出功率以及累计计算发电量。

该方法参考IEC 61853 系列标准，由试验地区的气象数据（正对太阳直射辐照度、组件平面总辐照度、太阳光谱辐照度、风速、环境温度等）推导得出组件平面有效的辐照度和组件温度，再结合实测光伏组件在不同辐照度和温度条件下的性能，得到光伏组件瞬时功率理论值。该瞬时功率理论值对时间进行积分，即可得到某时间段的光伏组件发电量。该方法不足在于需要实验室检测，以及特定地点的发电量评估将需要精度较高的气象测量设备。

多因子影响光伏组件发电量的评估方法采用实验室内测试和户外气象数据理论模拟相结合的形式，可以较快的预测光伏组件在典型地区的发电量情况，便于比较不同组件的发电性能。

3 结果与讨论

表1 相同型号光伏组件在不同天气条件

2018年4月，笔者选取相同规格型号、相同生产批次的、经过初始稳定处理的光伏组件3 片，分别采用上述三种方法进行发电量评估。统计出晴天、晴天间多云天气、阴天三种情况时的日平均发电量，如表1所示。

由试验数据可得出，晴天条件下，三种方法的发电量结果偏差较小（4%以内）；多云和阴天条件下，基于光伏电流-电压特性测量的光伏组件发电量测试由于较难获得有效瞬时功率，多因子影响光伏组件发电量的评估方法由于气象观测设备准确性等因素，给测试结果带来较大影响。

4 结语

本文介绍的三种光伏组件发电量户外实证测试方法具有较强的可操作性。MPP 跟踪的光伏组件发电量测试可以验证组件稳定性，基于光伏电流-电压特性测量的光伏组件发电量测试可以获得组件在户外实际情况下的输出性能，多因子影响光伏组件发电量的评估方法便于实际测试结合理论模拟比较不同组件的发电性能。对于不同目的和需求的测试可以选取其中一种作为实证测试方案。

总院在研“高活性可见光催化材料”被列入中国重大科学问题和工程技术难题

5月27日，第20 届中国科协年会闭幕式上，中国科协副主席、国际宇航科学院院士李洪对外发布了由中国科协组织征集遴选的涉及公共安全、空天科技、信息科技、医学健康等12 个领域的60 个重大科学问题和重大工程技术难题。其中，由中国建材总院水泥新材院在研的“高活性可见光催化材料”入选了“先进材料”领域重大科学问题和工程技术难题。

据中国科协发布，此次最终选出的60 个重大科学问题和工程技术难题是通过1100 多位专家学者推荐、2100 多名一线科研人员参与初选、54 名学科领军专家复选，最后经过33 名院士专家终选而最后确定的。“高活性可见光催化材料”从近千个科学问题及难题中被选出，体现了光催化环境材料受到科学界高度重视，也充分体现了中国建材总院秉承“科技领先，服务建设”的核心理念，勇担重任，领跑无机非金属新材料研发的坚定信心。