張 凱，黃嘉培，韓會(huì)麗，黃健華，梁婉婷，沈大鵬，沈 輝, ，劉仁生

(1.順德中山大學(xué)太陽(yáng)能研究院，佛山 528311；2.中山大學(xué)，廣州 510275)

0 引言

光伏組件的性能及長(zhǎng)期可靠性是確保光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量及光伏電站收益的關(guān)鍵因素。光伏組件在戶外實(shí)際運(yùn)行條件下的性能表現(xiàn)與其在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的性能表現(xiàn)可能存在較大差別。光伏組件的輸出功率與長(zhǎng)期可靠性在很大程度上取決于其所在地的氣候環(huán)境，以及其制造工藝和材料特性；光伏組件發(fā)電性能衰減的趨勢(shì)因技術(shù)的不同而不同，而且即使采用同一技術(shù)但不同制造商生產(chǎn)的光伏組件之間也會(huì)存在性能差異。光伏組件在戶外實(shí)際運(yùn)行條件下，會(huì)受到太陽(yáng)輻照度、環(huán)境溫度、相對(duì)濕度、灰塵等環(huán)境因子的影響；這些參數(shù)的影響使對(duì)不同技術(shù)類型光伏組件的發(fā)電性能進(jìn)行預(yù)測(cè)存在很大的不確定度，導(dǎo)致準(zhǔn)確評(píng)估長(zhǎng)期戶外運(yùn)行的光伏組件的性能具有很大的難度[1-3]。因此，研究光伏組件在戶外實(shí)際運(yùn)行條件下的性能表現(xiàn)及長(zhǎng)期可靠性至關(guān)重要。

通常，光伏組件的發(fā)電性能衰減并不是在短時(shí)間內(nèi)一次性產(chǎn)生的，而是隨著時(shí)間的推移逐漸產(chǎn)生的[4]。根據(jù)文獻(xiàn)[5]的報(bào)道，常規(guī)晶體硅光伏組件的年功率衰減率平均為0.8%～0.9%，年功率衰減率中位值為0.5%～0.6%；異質(zhì)結(jié)(HIT)光伏組件的年功率衰減幅度較??；碲化鎘(CdTe)薄膜光伏組件的年功率衰減率相對(duì)較高。

隨著光伏發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，太陽(yáng)電池及光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率不斷提升，HIT 光伏組件等高效光伏組件的市場(chǎng)份額逐步提高，但目前對(duì)該類高效光伏組件長(zhǎng)期性能表現(xiàn)的研究及報(bào)道相對(duì)較少；其次，不同氣候條件下光伏組件的功率衰減率具有很大差異。因此，光伏產(chǎn)業(yè)界和科學(xué)界需要更多的實(shí)證數(shù)據(jù)，來(lái)分析光伏組件在不同氣候條件下長(zhǎng)期戶外實(shí)際運(yùn)行后的發(fā)電性能衰減情況及其可靠性。

本文以在廣東省順德地區(qū)(屬于亞熱帶季風(fēng)氣候)運(yùn)行的HIT 光伏組件、銅銦鎵硒(CIGS)薄膜光伏組件、CdTe 薄膜光伏組件這3 種不同技術(shù)類型的光伏組件為研究對(duì)象，通過(guò)組件室內(nèi)I-V特性測(cè)試和戶外實(shí)際發(fā)電性能測(cè)量，對(duì)這3種光伏組件的發(fā)電性能衰減進(jìn)行了定量分析，并對(duì)比了3 種光伏組件實(shí)證系統(tǒng)在該氣候條件下的戶外發(fā)電性能差異及能效損失。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 光伏組件信息

本次研究的光伏組件類型包括HIT 光伏組件、CIGS 薄膜光伏組件、CdTe 薄膜光伏組件。這3 種不同技術(shù)類型的光伏組件的銘牌標(biāo)稱參數(shù)如表1 所示。

1.2 戶外測(cè)試平臺(tái)介紹

3 種光伏組件最初于2008 年1 月安裝在位于廣州省廣州市的中山大學(xué)廣州校區(qū)東校園(23.17°N、113.23° E)工學(xué)院的樓頂(作為戶外測(cè)試平臺(tái))，該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候；該戶外測(cè)試平臺(tái)中所有光伏組件采用架空層安裝方式，安裝傾角均為20°，正向朝南，周圍無(wú)陰影遮擋；光伏組件均為低壓并網(wǎng)運(yùn)行。

2018 年12 月，這些光伏組件被拆除，然后重新安裝于廣東省佛山市順德區(qū)北滘鎮(zhèn)(22.90°N、113.20° E)的廣東工業(yè)設(shè)計(jì)城樓頂，該地區(qū)同樣屬于亞熱帶季風(fēng)氣候；所有光伏組件的安裝方式由原來(lái)的架空層安裝改為地面安裝，安裝傾角均為17°，方位角為南偏東3°，周圍無(wú)陰影遮擋；組件均為低壓并網(wǎng)運(yùn)行。在重新安裝的過(guò)程中，由于部分光伏組件存在損壞情況，因此這些損壞的光伏組件未接入新的戶外測(cè)試平臺(tái)中的光伏組件實(shí)證系統(tǒng)。圖1、圖2 分別為初始安裝時(shí)及重新安裝后3 種光伏組件實(shí)證系統(tǒng)的整體外觀，表2 為初始安裝時(shí)及重新安裝后3 種光伏組件實(shí)證系統(tǒng)的詳細(xì)配置。

圖1 初始安裝時(shí)3 種光伏組件實(shí)證系統(tǒng)的整體外觀Fig.1 Overall view of three types of PV modules demonstration systems at initial installation

圖2 重新安裝后的3 種光伏組件實(shí)證系統(tǒng)的整體外觀Fig.2 Overall view of three types of PV modules demonstration systems after reinstallation

順德區(qū)北滘鎮(zhèn)的光伏組件戶外測(cè)試平臺(tái)主要由光伏組件實(shí)證系統(tǒng)、氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和智能光伏監(jiān)控系統(tǒng)3 個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。

氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用荷蘭Kipp &Zonen 公司的產(chǎn)品，如圖3 所示，主要用于光伏組件傾斜面接收的太陽(yáng)輻照度、環(huán)境溫度、相對(duì)濕度、大氣壓、降雨量、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象信息的監(jiān)測(cè)；氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總輻射表為CMP 21(次基準(zhǔn)級(jí))，數(shù)據(jù)采集器為美國(guó)Campbell 公司生產(chǎn)的CR1000型號(hào)數(shù)據(jù)采集器。

表2 初始安裝時(shí)及重新安裝后3 種光伏組件實(shí)證系統(tǒng)的詳細(xì)配置Table 2 Detailed configuration of three types of PV modules demonstration systems at initial installation and after reinstallation

圖3 氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.3 Meteorological monitoring system

光伏組件實(shí)證系統(tǒng)的實(shí)際發(fā)電數(shù)據(jù)及氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的氣象數(shù)據(jù)均由1 套智能光伏監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)采集頻率為5 min。

1.3 光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)

光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率在很大程度上取決于系統(tǒng)所在地的太陽(yáng)輻照度、環(huán)境溫度等環(huán)境因素。因此，在對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的戶外發(fā)電性能進(jìn)行評(píng)定時(shí)，有必要確定具體的特征參照條件(reporting conditions，RC)。本文基于系統(tǒng)能效比(performance ratio，PR)及PVUSA 能效評(píng)定2 種方法對(duì)3 種光伏組件實(shí)證系統(tǒng)的戶外發(fā)電性能進(jìn)行分析。

1.3.1PR

根據(jù)IEC 61724-1-2017《Photovoltaic system perfomance——Part 1:Monitoring》[6]的定義，PR為光伏發(fā)電系統(tǒng)的等價(jià)發(fā)電時(shí)與標(biāo)準(zhǔn)條件下的等價(jià)太陽(yáng)輻照時(shí)之比。該定義考慮了太陽(yáng)輻射的不完全利用(光譜影響)、光伏陣列的溫升損失、遮擋損失、光伏組件和光伏陣列的失配損失、關(guān)鍵器件的性能衰減和失效、線路損耗等因素，在一定程度上反映了光伏發(fā)電系統(tǒng)的綜合性能。

PR的計(jì)算公式為：

式中，Yf為光伏發(fā)電系統(tǒng)的等價(jià)發(fā)電時(shí)，kWh/kW 或h；Yr為標(biāo)準(zhǔn)條件下的等價(jià)太陽(yáng)輻照時(shí)，h。

其中，

式中，E為光伏發(fā)電系統(tǒng)的總發(fā)電量，kWh；P0為光伏陣列的標(biāo)稱功率，kW；H為光伏陣列傾斜面接收的總太陽(yáng)輻射量，kWh/m2；G為標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)輻照度，取值為1000 W/m2。

1.3.2 PVUSA 能效評(píng)定方法

美國(guó)太平洋煤氣電力公司于1985 年發(fā)起了美國(guó)公用事業(yè)應(yīng)用光伏(PVUSA)項(xiàng)目[7-8]，該項(xiàng)目對(duì)數(shù)十種不同容量的光伏組件實(shí)證系統(tǒng)進(jìn)行了持續(xù)監(jiān)測(cè)，并提出了一種針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行性能評(píng)定的方法，即PVUSA 能效評(píng)定方法。

PVUSA 能效評(píng)定方法是根據(jù)光伏組件/光伏發(fā)電系統(tǒng)在運(yùn)行條件下的環(huán)境參數(shù)(太陽(yáng)輻照度、環(huán)境溫度、風(fēng)速)與其發(fā)電功率之間的函數(shù)關(guān)系建立多元線性回歸數(shù)學(xué)模型[9-10]，擬合計(jì)算出光伏組件/光伏發(fā)電系統(tǒng)在RC 或PVUSA 測(cè)試條件(PVUSA test conditions，PTC；即太陽(yáng)輻照度1000 W/m2、環(huán)境溫度20 ℃、風(fēng)速1 m/s)下的系統(tǒng)發(fā)電功率，適用于光伏陣列(直流側(cè))或光伏發(fā)電系統(tǒng)(交流側(cè))的發(fā)電性能評(píng)估。PTC 條件下的系統(tǒng)發(fā)電功率與系統(tǒng)標(biāo)稱功率之間的差異即為系統(tǒng)的總體能效損失。

PVUSA 能效評(píng)定方法的計(jì)算公式為：

式中，P為光伏陣列或光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率，kW；IPOA為光伏陣列傾斜面接收的太陽(yáng)輻照度，W/m2；Ta為環(huán)境溫度，℃；WS為風(fēng)速，m/s；A、B、C、D均為回歸系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 光伏組件的I-V 特性分析

2019 年11 月，在室內(nèi)AAA 光源的STC(太陽(yáng)輻照度1000 W/m2、環(huán)境溫度25 ℃、AM1.5標(biāo)準(zhǔn)光譜)下，分別對(duì)在戶外實(shí)際運(yùn)行12 年后的HIT 光伏組件、CIGS 薄膜光伏組件、CdTe 薄膜光伏組件進(jìn)行了I-V特性測(cè)試，對(duì)3 種光伏組件的發(fā)電功率的變化進(jìn)行了分析，具體如表3 所示，3 種光伏組件的年均功率衰減率箱形圖如圖4 所示。由于本次實(shí)證中采用的這3 種光伏組件的生產(chǎn)時(shí)間均較早，光伏組件出廠的原始測(cè)試數(shù)據(jù)無(wú)法溯源，所以本文采用這3 種光伏組件各自的銘牌標(biāo)稱參數(shù)作為基準(zhǔn)參考值。

表3 戶外實(shí)際運(yùn)行12 年后，3 種光伏組件的性能參數(shù)Table 3 Performance parameters of three types of PV modules after twelve years of outdoor operation

圖4 3 種光伏組件的年均功率衰減率箱形圖Fig.4 Box chart of annual average power attenuation rate of three types of PV modules

從表3 及圖4 可以看出，與光伏組件銘牌標(biāo)稱參數(shù)相比，在戶外實(shí)際運(yùn)行12 年后，HIT 光伏組件、CIGS 薄膜光伏組件、CdTe 薄膜光伏組件的累計(jì)功率衰減率分別為3.88%、10.04%、20.58%，年均功率衰減率分別為0.32%、0.84%、1.72%。比較這3 種光伏組件的年均功率衰減率可以發(fā)現(xiàn)，HIT 光伏組件的功率衰減情況最輕，CdTe 薄膜光伏組件的功率衰減情況最為嚴(yán)重。

2.2 光伏組件實(shí)證系統(tǒng)的戶外發(fā)電性能分析

2.2.1 發(fā)電量對(duì)比

2018 年11 月，3 種光伏組件移裝完成且并網(wǎng)后，接入新的智能光伏監(jiān)控系統(tǒng)；2019 年3 月，CIGS 光伏組件實(shí)證系統(tǒng)開(kāi)始數(shù)據(jù)采集；2019 年8 月，HIT 光伏組件實(shí)證系統(tǒng)和CdTe光伏組件實(shí)證系統(tǒng)開(kāi)始數(shù)據(jù)采集。因此，選取2019 年8 月～2020 年2 月作為發(fā)電量評(píng)估時(shí)段對(duì)3 種光伏組件實(shí)證系統(tǒng)的發(fā)電量進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，如圖5 所示。圖中，柱狀圖表示此段時(shí)間內(nèi)3 種光伏組件實(shí)證系統(tǒng)的日均歸一化發(fā)電量；折線表示以HIT 光伏組件實(shí)證系統(tǒng)的日均發(fā)電量為基準(zhǔn)，CIGS 光伏組件實(shí)證系統(tǒng)的日均發(fā)電量與HIT 光伏組件實(shí)證系統(tǒng)日均發(fā)電量的比值(紅色折線)，以及CdTe 光伏組件實(shí)證系統(tǒng)的日均發(fā)電量與HIT 光伏組件實(shí)證系統(tǒng)日均發(fā)電量的比值(藍(lán)色折線)。

圖5 2019 年8 月～2020 年2 月，3 種光伏組件實(shí)證系統(tǒng)的日均歸一化發(fā)電量及對(duì)比情況Fig.5 Daily average normalized power generation and comparison of three types of PV modules demonstration systems during August 2019～February 2020

從圖5 可以看出，在該評(píng)估時(shí)段內(nèi)，HIT 光伏組件實(shí)證系統(tǒng)的日均歸一化發(fā)電量一直保持最高，CdTe 光伏組件實(shí)證系統(tǒng)的日均歸一化發(fā)電量最低。在評(píng)估時(shí)段內(nèi)，3 種光伏組件實(shí)證系統(tǒng)的日均發(fā)電量差異的最大值出現(xiàn)在8 月，該月HIT 光伏組件實(shí)證系統(tǒng)的日均發(fā)電量比CIGS光伏組件實(shí)證系統(tǒng)的日均發(fā)電量高27.29%，比CdTe 光伏組件實(shí)證系統(tǒng)的日均發(fā)電量高33.80%；3 種光伏組件實(shí)證系統(tǒng)的日均發(fā)電量差異的最小值出現(xiàn)在11 月，該月HIT 光伏組件實(shí)證系統(tǒng)的日均發(fā)電量比CIGS 光伏組件實(shí)證系統(tǒng)的日均發(fā)電量高4.70%，比CdTe 光伏組件實(shí)證系統(tǒng)的日均發(fā)電量高7.42%。

2.2.2 發(fā)電性能評(píng)估

在進(jìn)行發(fā)電性能評(píng)估前，首先是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選處理及數(shù)據(jù)質(zhì)量分析。發(fā)電數(shù)據(jù)及氣象數(shù)據(jù)粒度均為5 min，采用2019 年11月的數(shù)據(jù)作為樣本。

根據(jù)戶外實(shí)證測(cè)試平臺(tái)當(dāng)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)的太陽(yáng)輻照度、環(huán)境溫度、風(fēng)速及光伏組件實(shí)證系統(tǒng)交流發(fā)電功率累計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得到IPOA=768 W/m2、Ta=26.32 ℃、WS=1 m/s；將這些參數(shù)值作為回歸分析的RC，確定太陽(yáng)輻照度的篩選范圍為614.40～921.60 W/m2，進(jìn)而對(duì)有效測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選。根據(jù)PVUSA 能效評(píng)定方法，這3 種光伏組件實(shí)證系統(tǒng)的期望發(fā)電功率擬合計(jì)算模型如表4所示。

表4 采用PVUSA 能效評(píng)定方法時(shí)，3 種光伏組件實(shí)證系統(tǒng)的期望發(fā)電功率擬合計(jì)算模型Table 4 Fitting calculation model of expected generation power of three types of PV modules demonstration systems when PVUSA energy efficiency assessment method is adopted

將各計(jì)算模型得到的光伏組件實(shí)證系統(tǒng)在RC下的期望發(fā)電功率修正到PTC 下得到的期望發(fā)電功率，具體如表5 所示；然后與系統(tǒng)標(biāo)稱功率相比，計(jì)算得到系統(tǒng)的總體能效變化。根據(jù)PR計(jì)算公式，在相同太陽(yáng)輻照度篩選條件下，對(duì)3 種光伏組件實(shí)證系統(tǒng)的小時(shí)PR進(jìn)行計(jì)算，并與PVUSA 能效評(píng)定結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，具體如圖6 所示。

表5 PVUSA 能效評(píng)定結(jié)果Table 5 PVUSA energy efficiency assessment results

圖6 PR 及PVUSA 能效評(píng)定的結(jié)果對(duì)比Fig.6 Comparison of PR and PVUSA energy efficiency assessment results

從圖6 可以看出，由于PVUSA 能效評(píng)定結(jié)果考慮了環(huán)境溫度和風(fēng)速對(duì)光伏組件實(shí)證系統(tǒng)發(fā)電性能的影響，因此其計(jì)算結(jié)果略高于小時(shí)PR的計(jì)算結(jié)果。

根據(jù)PVUSA 能效評(píng)定結(jié)果，HIT、CIGS、CdTe 3 種光伏組件實(shí)證系統(tǒng)累計(jì)總體能效損失分別為17.41%、22.40%、30.61%。HIT、CIGS及CdTe 這3 種光伏組件的功率衰減損失在系統(tǒng)能效損失中的占比分別為22.28%、44.82%、67.24%?？梢钥闯?，CdTe 薄膜光伏組件功率衰減是造成其系統(tǒng)發(fā)電性能損失較大的主要因素。

3 結(jié)論

本文對(duì)處于亞熱帶季風(fēng)氣候條件下已實(shí)際運(yùn)行12 年的HIT、CIGS 及CdTe 3 種光伏組件進(jìn)行了戶外發(fā)電性能及功率衰減實(shí)證分析，得到以下結(jié)論：

1)通過(guò)對(duì)室內(nèi)STC 條件下光伏組件的I-V特性測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，可以得到已經(jīng)運(yùn)行12 年的HIT、CIGS、CdTe 光伏組件的年均功率衰減率分別為0.32%、0.84%、1.72%；其中，HIT 光伏組件的功率衰減情況最輕，CdTe 薄膜光伏組件的功率衰減情況最嚴(yán)重。

2)通過(guò)PR及PVUSA 能效評(píng)定方法對(duì)3 種光伏組件實(shí)證系統(tǒng)的發(fā)電性能進(jìn)行分析。2 種方法的計(jì)算結(jié)果基本一致，均為HIT 光伏組件實(shí)證系統(tǒng)的總體能效損失最低，性能表現(xiàn)最好；CdTe薄膜光伏組件功率衰減是造成CdTe 光伏組件實(shí)證系統(tǒng)發(fā)電性能損失較大的主要因素。

需要說(shuō)明的是，由于樣本量相對(duì)較少，且光伏組件性能表現(xiàn)受環(huán)境因素的影響較大，因此上述研究結(jié)果僅適用于本實(shí)證案例。為此，需搜集更多不同氣候及運(yùn)行條件下光伏組件的長(zhǎng)期運(yùn)行實(shí)證數(shù)據(jù)，從而才可以得到對(duì)HIT、CIGS、CdTe 這3 種光伏組件實(shí)際運(yùn)行性能更為全面的認(rèn)識(shí)。