光伏组件在黄土高原气候条件下的性能研究

陇东学院机械工程学院 ■ 杨娜娜 赵磊 张建锐

甘肃省电力公司检修公司 ■ 杨祖宁

0 引言

在进行光伏电站设计时，需要结合当地的气候条件评估安装地点的光伏组件的输出特性。一般评估时选用的是在标准测试条件(太阳光谱AM1.5，太阳辐射强度1000 W/m2，组件温度25℃)下的光伏组件性能，而实际的气候条件会随着纬度、气候、季节的因素而变化。影响光伏组件输出特性的最直接的气候因素是太阳辐射强度和组件温度，而它们又受到环境温度、风速、组件方位及倾角的影响[1-3]。因此，标准测试条件并不能代表户外实际的气候条件，仅采用在标准测试条件下测试的组件参数无法对光伏电站进行准确地设计和评估。

陇东黄土高原位于甘肃省东部，包括整个庆阳市和平凉市；处于季风区边缘带，气候干旱且不稳定，太阳辐射强度及温度具有明显的季节性特征；春季与夏季时晴天较多，秋季与冬季时多云、阴天较多[4]。该地区一年中的气候具有很大的波动性，而目前研究波动的气候条件对光伏组件电学性能影响的文献尚且不多。王露等[5]研究了青海地区环境温度和太阳辐照度对光伏组件开路电压和短路电流的影响。韩涵等[6]研究了晶硅电池在夏季晴天时全天的输出特性。本文选择陇东地区晴天、多云、阴天3种典型的气候条件，对单晶硅光伏组件的I-V特性参数进行了测试，分析了影响光伏组件电学性能的主导因素，并研究了阴影对光伏组件电学性能的影响。

1 实验

1.1 实验装置

本实验平台由光伏组件、太阳能光伏发电测试系统和气象监测系统3部分组成。其中，光伏组件包括2块功率为90 Wp的单晶硅组件；太阳能光伏发电测试系统包括2台可编程直流电子负载、测试软件及采集模块；气象监测系统包括太阳总辐射表、散射表、直射表、环境温湿度记录仪。

1.2 实验方法

实验地点位于陇东地区(35.7°N，107.7°E)，海拔1380 m；实验时间段为2017年7～9月。将单晶硅光伏组件置于户外连续测量3个月，保证涵盖了晴天、多云、阴天等天气。光伏组件方位角为正南方向，为了实验数据的可靠性，一块组件的倾角固定为20°，另一块组件进行倾角实验。数据测试间隔为1 min/次，测试数据包括光伏组件的电学参数及气象条件。

2 结果与讨论

2.1 太阳辐射强度与组件温度

图1反映了在3种天气(晴天、多云、阴天)条件下，太阳辐射强度、环境温度及组件温度的变化情况。晴天时，组件温度变化趋势与太阳辐射强度变化一致，而环境温度变化较为平缓，组件温度和环境温度相差较大；多云天气时，太阳辐射强度波动较大，组件温度相应产生较大波动，而环境温度变化较平缓；阴天时，太阳辐射强度整体较低，组件温度和环境温度相差较小。这是由于晴天太阳辐射强度大，光伏组件连续吸收太阳辐射，导致温度持续增加，而光伏组件热交换的方式主要为辐射和对流，其比热容较大(1.5×104～3×104J/K)，晴天的风速较小，导致组件温度和环境温度相差很大[3,7]。由于组件温度与所安装地点的空气流动有很大关系，而本装置的安装地点背后为建筑物，因此本实验组件的温度在晴天中午时达到最高的61.5 ℃，与环境温度最大相差28.8 ℃；而阴天时风速较大，使组件降温较快，导致组件温度和环境温度相差较小。

图2为组件温度和太阳总辐射强度的相关性散点图。从图中可以看出，组件温度与太阳总辐射强度呈正比；而在太阳总辐射强度较低时，即太阳总辐射强度小于200 W/m2时，数据点较为分散，无明显的相关性。

图1 不同天气情况下组件温度、环境温度与太阳总辐射强度的日变化曲线

图2 组件温度与太阳总辐射强度的相关关系

2.2 短路电流及其影响因素分析

短路电流主要受太阳辐射强度和温度的影响，且与太阳辐射强度和温度呈线性关系。但温度并不直接影响短路电流，而是直接影响带隙。对于晶体硅太阳电池来说，温度增加，禁带宽度减小，相应的太阳光谱中更长的波长可被吸收，从而使短路电流增加[8]。由于带隙改变引起的波长改变区间有限，因此对短路电流的影响幅度较小。图3反映了2017年8月4日太阳总辐射强度和短路电流的变化情况，该天早晨为多云天气，下午为晴天。从图中可以看出，太阳总辐射强度与短路电流的变化趋势一致。

图3 短路电流与太阳总辐射强度日变化曲线

图4为短路电流与太阳总辐射强度的相关关系。从图4可以看出，短路电流和太阳总辐射强度呈正比关系，太阳总辐射强度从200 W/m2升至1200 W/m2时，短路电流平均增加346%。

图4 短路电流与太阳总辐射强度的相关关系

图5为短路电流与组件温度的相关关系。从图5可以看出，短路电流与温度呈正比关系，组件温度从25 ℃升至70 ℃时，短路电流仅增加1.5%。因此，组件温度对短路电流的影响非常小，太阳辐射强度是影响短路电流变化的主要因素。

图5 短路电流与组件温度的相关关系[9]

电池倾角的改变会直接影响倾斜面上的太阳辐射强度，从而影响短路电流。倾斜面上的太阳总辐射强度IT由太阳直接辐射强度Ibβ、太阳散射辐射强度Is和地面反射辐射强度Ir这3部分组成[10]，即：

倾斜面上的太阳直接辐射强度表达式为：

式中，Ib为水平面上的太阳直接辐射强度；Rb为直射辐射强度转换因子。Rb可表示为：

式中，φ为当地维度；β为斜面倾角；δ为太阳赤纬角；ω为日升时角。

目前，倾斜面上的太阳散射辐射强度计算模型有Liu & Jordan的各向同性模型、Hay的各向异性模型、Klucher的各向异性模型，这些模型适用于不同的天气情况[11]。本实验所在地附近有树木、房屋，采集数据日天空有云彩，因此本实验选用Hay的各向异性模型。倾斜面上的太阳散射辐射强度公式为：

式中，Id为水平面上散射辐射强度；I0为大气层外水平面上太阳辐射强度。

倾斜面上的地面反射辐射强度为：

式中，ρ为地面反射率，一般情况下取0.2；I为水平面上的太阳总辐射强度。

图6为不同角度倾斜面的逐时太阳总辐射强度。从图6可以看出，9∶00之前和15∶30之后，倾角越小，其倾斜面上获得的辐射强度越大。在当地太阳时12∶00～14∶00、15°～20°倾角下的太阳总辐射强度最大；无论倾角增大或减小，正午时倾斜面上的辐射强度均减小；但0°～30°倾角的倾斜面上接收的日总辐射强度偏差不超过5%。

图6 不同角度倾斜面的逐时太阳总辐射强度

图7为8月4日不同倾角时的短路电流变化曲线。从图中可以看出，倾角为0°～30°时的短路电流变化平缓；倾角超过30°后，短路电流急剧下降，在90°时达到最小值。这说明倾角在一定范围内的小幅度改变对短路电流的影响较小。

图7 短路电流与倾角的关系曲线

2.3 开路电压及其影响因素分析

图8和图9分别为温度和太阳辐射强度对开路电压的影响。从图中可以看出，随着温度的增加，开路电压减小；而随着太阳总辐射强度的增加，开路电压增加。从拟合结果可以看出，陇东地区夏季晴天的日辐射强度从200 W/m2升至1300 W/m2时，开路电压增加5.6%；组件温度从25 ℃升至60 ℃时，开路电压减小15.8%，因此，在有效辐射强度范围内，温度对开路电压的影响更明显。由于辐射强度对光伏组件温度的影响较大，因此会间接影响开路电压。

图8 开路电压与组件温度的相关关系

图9 开路电压与太阳总辐射强度的相关关系

2.4 阴影遮挡对开路电压及短路电流的影响

由于实验所在地有高楼，16：30～17：00时，光伏组件上的入射太阳光逐渐被遮挡直至完全被遮挡。图10反映了阴影遮挡前后开路电压、短路电流，以及太阳总辐射强度和组件温度的变化情况。

图10 阴影遮挡前后开路电压、短路电流，以及太阳总辐射强度和组件温度的变化曲线

从图10可以看出，阴影遮挡前后，短路电流和太阳总辐射强度的变化趋势一致。随着太阳总辐射强度的下降，短路电流减小；当太阳总辐射强度急剧下降时，短路电流也急剧下降。这说明在阴影遮挡或太阳辐射强度较低的情况下，短路电流受太阳辐射强度的影响较大。在阴影遮挡前，开路电压随着组件温度的波动而波动，且在太阳总辐射强度急剧下降的瞬间发生陡降，但组件温度并未出现瞬间陡降。这说明在太阳辐射强度较低的情况下，太阳辐照强度对开路电压产生的影响较大。当光伏组件被完全遮挡后，由于负相关性的温度和正相关性的太阳总辐射强度的综合作用，开路电压呈现先上升后下降的现象。在阴影遮挡前后，太阳总辐射强度下降了91%，短路电流下降89%，开路电压下降了3.5%。

3 结论

本文对陇东黄土高原地区的单晶硅光伏组件输出参数在不同气象条件下的变化规律进行了研究，结果表明：

1)晴天时，组件温度受太阳辐射强度的影响明显，组件温度和环境温度相差较大；多云时，组件温度随太阳辐射强度的波动而波动，但组件温度和环境温度依然相差很大；阴天时，太阳辐射强度低，组件温度和环境温度相差较小。

2)短路电流与光伏组件表面太阳辐射强度呈线性关系，与温度呈弱线性关系。通过倾角实验可以看出，一定范围内的倾角变化对倾斜面上的太阳辐射强度和短路电流的影响较小。

3)开路电压与组件温度呈负线性关系，与太阳辐射强度呈正线性关系，但组件温度对开路电压的影响更大。

4)当有阴影遮挡时，短路电流和开路电压均随组件倾斜面太阳辐射强度的变化发生陡降，而组件温度缓慢下降。这说明在太阳辐射强度较低时，太阳辐射强度对开路电压产生的影响较大。