光伏组件在标准气候条件下的发电性能预测

周凯旋，刘海涛，贺 凯，杨 磊

（中国科学院电工研究所，北京 100190）

0 引言

户外测试条件下，光伏组件发电性能受太阳辐照、太阳光光谱、环境温度、阳光入射角、组件温度等众多因素影响，且不同气候条件下，组件所处户外测试环境差异性较大，单纯依靠室内标准测试条件（1 000 W/m2，25 ℃）下光伏组件标称功率的测试并不能准确反映光伏组件户外实际发电性能情况，如何准确评估光伏组件在不同气候条件下的发电性能逐步成为光伏行业关注的重点。为了更好地评估光伏组件在各个气候条件下的发电性能情况，美国、德国、奥地利、法国、瑞士等多个国家已启动针对光伏组件户外测试技术的研究，美国国家可再生能源实验室、Sandia美国国家实验室、Fraunhofer、TUV莱茵等多家机构分别建立了户外实证基地用于开展光伏组件户外发电性能的分析；另外，全球共有15个组件户外实证检测实验室加入国际能源署光伏电力系统项目，合作开展光伏组件户外发电性能测试方法研究。我国在湿热、亚湿热、干热、暖温、海洋、寒温、高原等典型气候区分别建立了光伏组件户外测试平台，研究对比不同光伏组件户外发电性能情况。在户外建立光伏组件测试平台的方法虽然能有效反映组件在户外复杂工作环境下的真实状态，可评估光伏组件发电性能随时间变化的衰减情况，但该方法存在评估周期较长、户外测试不确定度较大等问题。因此，本文通过IEC 61853系列标准[1-4]对光伏组件进行户外发电性能预测，为光伏制造商和采购商提供了一种可对光伏组件在标准气候条件下发电性能进行快速评估的工具。

1 组件主要性能参数测试

1.1 被测样品介绍

本文采用3个厂家的单晶硅组件进行IEC 61853计算分析，晶硅组件信息如表1所示。

表1 3个厂家的晶硅组件详细信息表

1.2 主要性能参数测试

针对目前主要厂家的单晶硅组件进行测试，根据IEC 61853系列标准要求，采用如图1所示的测试序列进行光伏组件能效测试及计算分析。

图1 IEC 61853系列标准测试序列

1.2.1 光伏组件电性能矩阵测试

光伏组件辐照度和温度性能测量及功率评定可通过自然阳光下太阳跟踪系统、自然阳光下无太阳跟踪系统和室内太阳模拟器等3种方式进行测试。与室内测试条件相比，在自然阳光下有无太阳跟踪系统的测量方式虽然更能反映光伏组件的实际运行环境，但存在测试周期长、测试精度低等缺点。本文采用室内太阳模拟器的方式对光伏组件辐照度和温度性能测量及功率评定，得到一个包含22个不同辐照度和温度下的组件功率矩阵。该矩阵将作为IEC 61853-3组件能效测试计算的输入参数。组件功率矩阵如表2所示。

表2 光伏组件功率与辐照度和温度对应表

1.2.2 光谱响应、入射角响应和组件工作温度测试

为深入研究入射角对光伏组件输出功率的影响，确定环境温度、风速和辐照度对光伏组件温度的影响以及光伏组件与太阳光光谱失配情况，IEC 61853-2给出了光谱响应度、入射角响应参数（ar）和工作温度系数（u0，u1）的测量方法。对于光谱响应度测试，本文根据IEC 60904-8中规定的要求采用单个电池片进行测试；对于入射角响应度测试，本文采用室内测试方法对光伏组件进行测试；由于缺乏关于工作温度系数（u0，u1）的测试数据，本文采用已有文献中的工作温度系数（如表3所示）[5]进行测试。通过IEC 61853-2测试得到的组件光谱响应度、入射角响应参数（ar）和工作温度系数（u0，u1）作为IEC 61853-3组件能效测试计算的输入参数。

表3 用于计算光伏组件能效工作温度系数

1.3 光伏组件发电性能计算

IEC 61853-3定义了光伏组件年发电量及年能效的计算模型，通过一系列计算得到所需组件整个参考年每小时发电量，利用能效计算公式得到某一特定气候条件下的光伏组件能效（CSER）参数（无量纲）。详细计算步骤见标准IEC 61853-3中的相关部分。

光伏组件能效（CSER）是一种无量纲参数，指在一定气候条件下光伏组件的估计发电量与组件基于额定功率发电量的比值，计算公式如下。

其中，Emod，year为通过计算得到的光伏组件年发电量，（W·h）；Gref为标准测试条件下的辐照度，W/m2；Hp为IEC 61853-4中标准气候区组件平面累计辐照度，Wh/m2；Pmax，stc为光伏组件标准测试条件（1 000 W/m2，25 ℃）下的功率，W。

2 研究结果与讨论

2.1 标准气候条区辐照度— 温度分布分析

IEC 61853-4给出的6个标准气候区环境温度和辐照度情况如图2所示。通过分析可知，在环境温度方面，湿热气候条件下环境温度整体处于较高水平，且四季温差较小，亚热带干旱和高原气候下环境温度温差较大；在辐照度方面，亚热带干旱气候区和高原气候区的辐照条件较好，温带沿海气候区、温带大陆气候区和亚热带沿海气候区的辐照条件较差。

图2 标准气候区辐照—温度分布

2.2 M1组件在标准气候条件下的发电性能分析

以M1组件为例，对M1组件在标准气候条件下的发电性能进行对比分析。M1组件在标准气候条件下的温度分布如图3所示、月能效分布情况如图4所示。

图3 M1组件在不同气候区温度分布情况

图4 M1组件月能效分布情况

由图3可以看出，受各气候区环境因素影响，湿热气候条件下光伏组件工作温度温差较小，且常年处于较高水平，主要分布在25～35 ℃之间；亚热带干旱气候区下光伏组件温度最高，主要分布在25～45 ℃之间；高原气候区下光伏组件温度最低，主要分布在-5～10 ℃之间；温带沿海气候区、温带大陆性气候区、亚热带沿海气候区，光伏组件工作温度温差变化在图中已有显示，不再细说。从组件月能效分布情况图可以看出，受各气候区环境因素影响，晶硅组件各月发电性能存在较大差异，呈现出夏季高、冬季低的相反趋势。其中，温带大陆性气候区组件月能效差值最大，高达53 ，而湿热气候区全年组件月能效差值最小，为2 。

通过对标准气候条件下M1组件温度与小时级组件能效的拟合可知，组件温度与能效呈现出较好的线性关系，能效随着组件温度的增大而减小。

2.3 3种类型组件在标准气候条件下发电性能分析

本文对3种类型组件在标准气候条件下发电性能进行了详细分析。3种组件在标准气候条件下的年能效分布如图5所示。

图5 3种组件在标准气候条件下的年能效分布

由图5可知，无论在哪种标准气候条件下，3种晶硅组件的年能效均在0.85以上，这表明3种晶硅组件在6个标准气候条件下的发电性能良好。另外，同种晶硅组件在高原气候区的发电性能普遍好于其他气候区，其年能效甚至比湿热气候区高15 。通过对同种气候条件下不同类型组件发电性能对比分析可知，虽然M2组件的额定功率最小，但在亚热带干旱气候条件下，M2组件的发电性能最好，其年能效要比发电性能最差的M1组件高6.5 。值得注意的是，除湿热气候区外，在其他5种标准气候条件下，额定功率最大的M1组件年能效均小于其他两种晶硅组件。

3 研究结果与讨论

本文通过IEC 61853系列标准，对3种晶硅组件在6个标准气候条件下的CSER进行计算，对比分析了同类型组件在标准气候条件下发电性能以及不同类型组件在标准气候条件下发电性能情况。结果表明，组件在各标准气候条件下的能效随着组件温度分布呈现出明显规律，即光伏组件能效与组件温度成反比的趋势。