氣象條件對光伏電站發電量的影響

摘要：文章論述了太陽輻照度、光譜、環境溫度等氣象條件對光伏電站發電量的影響，分別從光伏組件的輸出功率、蓄電池的充放電效率、MPPT控制器的匹配效率三個方面進行敘述。

關鍵詞：太陽輻照度；光伏電站；發電量；輸出功率；溫度；蓄電池；MPPT

中圖分類號：TM619 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）05-0120-02

太陽能作為新能源，因其清潔環保和可再生的特點，迎來了蓬勃發展的機會。作為太陽能大規模運用的光伏電站，在光伏板規模固定的情況下，如何提高發電量已經成為了光伏行業的一個研究課題，以下將列舉數種對光伏電站發電量造成影響的因素。

1 光伏組件的輸出功率

光伏組件的發電量與太陽輻照強度、光譜和自身溫度等因素有關，而光伏組件溫度與環境溫度、太陽輻照強度和光伏電池結構有關，也與流過光伏組件的風速等因素有關。

據J.A.del.Cueto等人的研究：在2000和2001年連續兩年對北緯40°室外安裝的14種平板式太陽電池組件的輸出功率和能量特性進行測試，發現單晶硅、多晶硅和銅銦硒電池組件性能隨季節波動，其輸出功率和有效效率在冬天變大，而夏天則相反，季節氣溫變化則太陽電池效率發生波動。而David L.King等對光伏發電系統發電量的季節性變化及其影響因素所做的分析結論與J.A.del.Cueto類似，同時他認為冬季光伏組件能量輸出較夏季大，與大氣質量有關。

我國大部分地區的太陽輻照強度，每天的變化范圍是0～1100W/m2，光譜從AM∞變到AM1，環境溫度從最低的日出溫度變到最高的中午溫度再下降。光伏組件的溫度隨之不斷變化，其發電量也發生規律性的變化。利用光伏電池特性進行深入研究可發現，光伏組件的輸出電量不隨太陽輻照強度的加大而上升，是與光伏電池的雜質濃度和反射系數有關的，由于太陽輻照強度加大而引起的溫度上升，導致了不同構造的電池有不同的溫升以及不同的效率下降。光伏組件的測試標準是，處于輻照強度1000W/m2、組件溫度25℃的條件下。由于光伏組件一般是負溫度系統，而硅基光伏組件溫度系數大約為-0.47%。如果光伏組件溫度達到60℃，輸出功率由于有35℃的溫差，可能會導致發電量降低17.5%左右。由此可估算出，在我國夏季的時候，一般太陽電池的輸出功率將比標準狀況低10%以上，效率絕對值下降2%左右。在通風不良的情況下，輸出功率的下降可能高達30%以上，效率絕對值下降達3%～4%。這對于效率在10%～14%之間的光伏組件來說，影響絕對是巨大的。

2 蓄電池的充放電效率

獨立運行的光伏電站中，其中一個關鍵的系統是儲能裝置，目前的主流配置是鉛酸蓄電池。鉛酸蓄電池受溫度影響比較大，在保障蓄電池性能的前提下，無論在浮充狀態或在循環狀態下運行，都需要隨溫度變化來改變充電電壓，單體電池的溫度補償系數為-（3～7）mv/℃，通常蓄電池在循環狀態使用時，單體電池的溫度補償系數可取-4mv/℃；在浮充狀態使用時，單體電池溫度補償系數可取

-315mv/℃；在進行均充時，單體電池溫度補償系數為-5mv/℃。

而鉛酸蓄電的容量受溫度影響更大，-30℃時放電容量僅達到額定容量的30%。蓄電池的浮充壽命隨溫度的變化而變化，基本上是每升高10℃，浮充壽命減少約一半，高溫對蓄電池失水干涸、熱失控、正極板柵腐蝕和變形等都起到加速作用，低溫會引起負極鈍化失效，溫度波動會加速鉛酸蓄電池內部短路等。跟整個光伏電站發電量相關的，是蓄電池的自放電大小，除與制造材料、存貯時間有關外，溫度是影響電池自放電的主要因素，溫度越高，蓄電池自放電率越高，因此，蓄電池要避免在高溫環境下長期儲存。

3 MPPT控制器的匹配效率

小型的光伏系統通常都不配備MPPT控制器，而是由光伏組件向蓄電池充電或者直接將電能輸出到變流裝置。因此該類型光伏系統中的蓄電池充電曲線都配置在光伏組件的最大功率點附近，屬于直接匹配。鑒于蓄電池的特性，需要將光伏組件的峰值電壓設置得比蓄電池充電電壓高，特別需要保證溫差較大時的需求，因此造成真正的工作點與最大功率點有較大的距離。

而光伏電站一般都采用含有MPPT功能的控制器或者變流器，目前的MPPT控制器一般是利用buck或者boost拓撲構成的DC/DC模塊來實現的，常規的控制器能夠達到90%的轉換效率，高效率的可以達到95%，但是控制器與光伏組件之間存在系統匹配的問題，由于控制器的規格不可能匹配所有規模的光伏組件，那么只有兩者的功率大小相近時，MPPT控制器的效率才有可能達到理論上的轉換效率。

由于太陽輻照度和溫度變化的影響，必然導致冬夏以及全日溫差較大的地區，其光伏組件輸出功率會產生較大的變化。當光伏組件輸出功率與MPPT控制器名義設計功率相比很小時，MPPT控制器的效率會很低。

MPPT的目的是挽回由于溫度的變化而導致的因系統直接匹配造成的效率損失，所以MPPT在全日溫差較大的地區效果最為明顯。然而MPPT本身的轉換效率只有90%左右，在對蓄電池充電的時候，如果增加的能量不能大于控制器本身損失的能量，MPPT就失去了意義。

4 結語

在上述影響機理分析的基礎上，我們認為可以從太陽電池設計和安裝的總體出發，從光和電池的耦合，到電池與環境的協調，太陽電池光熱綜合利用，全方位地進行系統性的熱設計研究，采取有針對性的措施降低太陽電池對溫度的敏感性或降低電池溫度的變化幅度，全面提高太陽電池的利用效率。

而使光伏發電系統能夠按照負載和蓄電池狀態變化運行于最佳工作狀態，提高能量轉換效率，降低系統運行成本是除了使用新型儲能裝置之外的一個有效手段。

在帶蓄電池的光伏電站中是否選擇采用MPPT控制方式要綜合當地全年氣溫變化、負載狀況、經濟性以及可靠性等多方面因素考慮。

發展低碳經濟是我們的必然選擇，太陽能作為新能源和可再生能源，因其清潔環保、永不衰竭的特點，受到世界各國的青睞。但是太陽輻照量、電池組件的轉換率、最大功率跟蹤等問題直接影響著太陽能光伏發電的效率，所以積極解決影響太陽能光伏效率的問題，對于充分開發利用太陽能，節約常規能源、保護自然環境、促進經濟發展都有著極為重要的現實意義和深遠的歷史意義。

參考文獻

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作者簡介：曾鵬飛（1981-），男，廣東人，珠海興業綠色建筑科技有限公司電氣工程師，研究方向：電力電子。

（責任編輯：文 森）