溫度對光伏組件的影響及溫度的影響因素

伊紀祿 胡濤 袁明翰 王金玉

【摘 ?要】國內光伏所產生的發電量也已經在國內總發電量中占據了一定的比例，如何更好地提高電站的發電量至關重要。本文首先探討了溫度對光伏組件實際發電的影響，然后分析可能導致溫度變化的因素，如環境溫度、輻照度分布和風力條件，并分別研究了這些因素對組件溫度以及組件功率輸出的影響，最后分析組件在實際的復雜環境條件下的實際功率輸出變化。結果顯示環境溫度、輻照度分布的變化以及風速的變化都會影響組件溫度，進而影響組件的功率輸出。

【關鍵詞】光伏電池;組件溫度;光伏電站

目前國內的光伏總裝機容量已經形成較大規模，截止到2017年底，中國大陸光伏總裝機容量達到1.3億千瓦，占全球總裝機容量的32.4%。光伏所產生的發電量在國內總發電量中的比重已經超過3%。光伏電站的發電能力是電站的主要評價因素，因此在光伏電站的初始設計中，發電量預測成為至關重要的一環。光伏組件的輸出功率與光伏組件表面所接受到的光強成正比，因此大部分光伏電站的初始設計以及組件選型是根據建設地的光資源情況來進行。但是光強并不是唯一影響因素，溫度對組件輸出功率的影響同樣巨大。

1、溫度影響的原理

光伏電池作為一種光電子半導體器件，溫度是影響其性能的重要因素。隨著溫度的升高，光伏電池材料的禁帶寬度會變小，本征載流子濃度會變大，短路電流Isc會有略微的提升;P-N結的內建勢變小，復合載流子遷移率減小，復合系數增大，因此開路電壓VOC和填充因子FF會變小，短路電流的增加彌補不了開路電壓和填充因子的減小對轉換效率的影響，組件峰值功率會降低【1】，組件峰值功率受溫度影響率公式可大體總結為 。某廠家STC（標準測試條件）峰值功率為338.5W的組件，在大氣質量AM1.5、輻照度1000 w/m2的條件下，其不同溫度下的峰值功率數據見下表：

結果顯示：對對實驗組件來說，溫度每提升一度，峰值輸出功率下降約1.36W，功率的相對溫度系數為-0.4%。實際電站中，組件在不同地區，不同情況下的工作溫度可能會相差十幾度，尤其是部分屋頂安裝組件，其實際工作溫度甚至會達超過80℃。所以溫度對組件的功率輸出影響是巨大的。

2、組件工作溫度計算方法

國際標準“IEC 61852-2：2016《光伏組件性能測量與能效評定第2部分：光譜響應、入射角度和組件工作溫度測量》中的章節8：確定組件工作溫度的影響因子的方法”中給出了具體的公式。具體公式為 ，其中Tm為組件實際溫度;Tamb為環境溫度;G為實時輻照度;u0為輻照度影響因子;u1為風速影響因子; 為實時風速。

此標準的目的在于確定環境溫度、風速、光吸收對能源產品的影響，光伏組件的溫度與環境溫度、風速、輻照度和其安裝系統存在的函數關系[2]，以便于更好的預估發電量。本文主要分析除環境溫度以外的其他溫度因素對組件的影響。選取組件的輻照度影響因子u0=27.4 風速影響因子u1=7.566，其標稱組件工作溫度（NMOT）為42.9℃。STC（標準測試條件）下的峰值功率輸出為350W，組件功率相對溫度系數為-0.45%。

2.1輻照度分布所帶來的溫度變化對功率輸出的影響。

上述兩地區風速 始終保持在1m/s，且環境溫度Tamb始終為20℃。將已知環境條件、輻照度影響因子和風速影響因子帶入公式 T得出組件溫度與輻照度的線性公式 Tm=G/，將表2中的輻照度數據代入上式計算得出各輻照度下的溫度，結合組件STC功率和溫度系數并進行時間積分，計算得出地區A總輻照量為2.157KWh，地區B為2.226KWh，地區實際發電量差別為3.2%。

小結：雖然以上舉例看似比較極端化，但是不同地區確實存在這方面的差異。比如有些地區日照時間長，但是天氣條件存在霧或者霾，全天輻照度都不高;有些地區可能由于某些遮擋因素（例如山溝）導致其日照時間短，但是日照時間內其輻照資源非常好。這兩種條件下，實際發電情況是需要做上述分析來更加準確的預估其發電量。

2.2 風速不同所帶來的溫度變化對功率輸出的影響：

組件工作條件為環境溫度為20℃，輻照度為800 ?W/m2，將已知環境條件、輻照度影響因子和風速影響因子帶入公式 ，得出組件溫度與風速 的線性公式： ，計算得出不同風速下組件溫度，并結合組件STC功率和溫度系數進行修正，得出組件的輸出功率，得出：風速對組件的溫度以及實際輸出功率影響很大，尤其是在低風速區域，比如風速由無風變化為1 m/s時，組件溫度降低9.1℃，輸出功率提高12 W，風速由1 m/s變化為2 m/s時，輸出功率提高也有7 W。

小結：電站建設選址時要充分考慮建設地的風速，日照時間內長期處于無風或者風速長期不高于2 m/s的地區，需要謹慎考慮;電站規劃以及施工過程中，組件的排布需要考慮通風問題，在保證組件接受足夠多的光照的同時，還能有更好的通風，盡量不讓光伏組件長期處于低風速狀態。

2.3 輻照度分布和風速綜合作用所帶來的溫度變化對功率輸出的影響：

實際的電站選址地區的氣候是復雜多變的，輻照度的分布和風力資源都有較大波動，這種地區的發電量預估計較困難，下面，我們繼續采用上述組件，工作條件為環境溫度20 ℃，將已知環境條件、輻照度影響因子和風速影響因子帶入公式 ，得出實際工作溫度的計算公式 T，并結合組件STC功率和溫度系數進行修正得出結果，實驗室STC峰值功率值為350W的光伏組件在實際復雜環境條件下的功率輸出可能低至只有291.1W，發電效率差別是相當大的。輻照度影響基本成等比變化，風速影響是非線性的，低風速區域影響巨大，總體來說，風速影響大于輻照度影響。

小結：針對復雜環境條件的電站選址，優先考慮風力資源，并且輻照度越高，風力資源影響越大。

3結論

影響電站發電量的因素主要是年輻照量和組件實際工作溫度[3]，以往的電站設計中充分的考慮了輻照情況的影響而忽略了溫度的巨大影響，本文主要闡述了實際工作溫度對光伏組件輸出功率的影響，以及環境溫度、輻照度分布、風速三個實際工作溫度的影響分量的作用機理。環境溫度直接影響組件實際工作溫度，環境溫度升高，組件工作溫度就會相應數值的升高，發電量相應降低;輻照度分布不同也可以帶來發電量差別，輻照量相同，平均輻照度每提高100 ?W/m2，組件溫度提高2.9℃，損失發電量比例為1.31%;風速的影響為非線性，低風速區間，尤其是2m/s以下，差別非常巨大，應盡量避免。光伏電站的排布設計，應兼顧光資源利用率和通風保障，在保證光資源利用率的情況下，設計合理的方陣排布、組件排布以及組件處理，盡可能提高通風情況，降低組件溫度。資料顯示，光伏組件邊框的開孔處理可以降低組件工作溫度3℃[1];當組件與屋頂的距離為0.04m時，組件表面溫度比緊貼屋頂時降低了20℃[4]。光伏電站的組件選型和選址應充分考慮環境因素的影響，在保證光資源的情況下，兼顧環境溫度、日照時間的風速、輻照度分布等因素，進而更準確的預測電站發電量。

參考文獻：

[1]林彥霞，蓋志武晶硅太陽能電池溫度及發電效率研究 ?工程科技與產業發展 科技經濟導刊2017年11期 42-43

[2]IEC 61853-2：Photovoltaic（PV）Module Performance Testing and energy rating Part 2：Spectral responsivity，incidence angle andmodule operating temperature measurements。2016 17-19

[3]呂學梅，孫宗義，曹張弛，電池板溫度和輻射量對光伏發電量影響的趨勢面分析，可再生能源：2017.07 ?922-927

[4]于佳禾，許盛之，韓樹偉等 太陽電池與光伏組件溫度特性及其影響因素的分析。太陽能：2018.03 ?29-36

作者簡介：

伊紀祿（1985-），男，山東省人，本科，工程師，主要研究方向為太陽能電池測試。

（作者單位：中國電子科技集團公司第十八研究所）