不同技術類型光伏組件的戶外發電性能及衰減分析

張 凱，黃嘉培，韓會麗，黃健華，梁婉婷，沈大鵬，沈 輝, ，劉仁生

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

0 引言

光伏組件的性能及長期可靠性是確保光伏發電系統發電量及光伏電站收益的關鍵因素。光伏組件在戶外實際運行條件下的性能表現與其在實驗室標準測試條件下的性能表現可能存在較大差別。光伏組件的輸出功率與長期可靠性在很大程度上取決于其所在地的氣候環境，以及其制造工藝和材料特性；光伏組件發電性能衰減的趨勢因技術的不同而不同，而且即使采用同一技術但不同制造商生產的光伏組件之間也會存在性能差異。光伏組件在戶外實際運行條件下，會受到太陽輻照度、環境溫度、相對濕度、灰塵等環境因子的影響；這些參數的影響使對不同技術類型光伏組件的發電性能進行預測存在很大的不確定度，導致準確評估長期戶外運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際運行條件下的性能表現及長期可靠性至關重要。

通常，光伏組件的發電性能衰減并不是在短時間內一次性產生的，而是隨著時間的推移逐漸產生的[4]。根據文獻[5]的報道，常規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%；異質結(HIT)光伏組件的年功率衰減幅度較小；碲化鎘(CdTe)薄膜光伏組件的年功率衰減率相對較高。

隨著光伏發電技術的不斷發展，太陽電池及光伏組件的光電轉換效率不斷提升，HIT 光伏組件等高效光伏組件的市場份額逐步提高，但目前對該類高效光伏組件長期性能表現的研究及報道相對較少；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，光伏產業界和科學界需要更多的實證數據，來分析光伏組件在不同氣候條件下長期戶外實際運行后的發電性能衰減情況及其可靠性。

本文以在廣東省順德地區(屬于亞熱帶季風氣候)運行的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 種不同技術類型的光伏組件為研究對象，通過組件室內I-V特性測試和戶外實際發電性能測量，對這3種光伏組件的發電性能衰減進行了定量分析，并對比了3 種光伏組件實證系統在該氣候條件下的戶外發電性能差異及能效損失。

1 實驗方法

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 種不同技術類型的光伏組件的銘牌標稱參數如表1 所示。

1.2 戶外測試平臺介紹

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廣州校區東校園(23.17°N、113.23° E)工學院的樓頂(作為戶外測試平臺)，該地區屬于亞熱帶季風氣候；該戶外測試平臺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，周圍無陰影遮擋；光伏組件均為低壓并網運行。

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北滘鎮(22.90°N、113.20° E)的廣東工業設計城樓頂，該地區同樣屬于亞熱帶季風氣候；所有光伏組件的安裝方式由原來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°，周圍無陰影遮擋；組件均為低壓并網運行。在重新安裝的過程中，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試平臺中的光伏組件實證系統。圖1、圖2 分別為初始安裝時及重新安裝后3 種光伏組件實證系統的整體外觀，表2 為初始安裝時及重新安裝后3 種光伏組件實證系統的詳細配置。

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

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

順德區北滘鎮的光伏組件戶外測試平臺主要由光伏組件實證系統、氣象監測系統和智能光伏監控系統3 個子系統構成。

氣象監測系統采用荷蘭Kipp &Zonen 公司的產品，如圖3 所示，主要用于光伏組件傾斜面接收的太陽輻照度、環境溫度、相對濕度、大氣壓、降雨量、風速、風向等氣象信息的監測；氣象監測系統的總輻射表為CMP 21(次基準級)，數據采集器為美國Campbell 公司生產的CR1000型號數據采集器。

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

圖3 氣象監測系統Fig.3 Meteorological monitoring system

光伏組件實證系統的實際發電數據及氣象監測系統的氣象數據均由1 套智能光伏監控系統進行采集，數據采集頻率為5 min。

1.3 光伏發電系統發電性能的評價指標

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

1.3.1PR

根據IEC 61724-1-2017《Photovoltaic system perfomance——Part 1:Monitoring》[6]的定義，PR為光伏發電系統的等價發電時與標準條件下的等價太陽輻照時之比。該定義考慮了太陽輻射的不完全利用(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電系統的綜合性能。

PR的計算公式為：

式中，Yf為光伏發電系統的等價發電時，kWh/kW 或h；Yr為標準條件下的等價太陽輻照時，h。

其中，

式中，E為光伏發電系統的總發電量，kWh；P0為光伏陣列的標稱功率，kW；H為光伏陣列傾斜面接收的總太陽輻射量，kWh/m2；G為標準太陽輻照度，取值為1000 W/m2。

1.3.2 PVUSA 能效評定方法

美國太平洋煤氣電力公司于1985 年發起了美國公用事業應用光伏(PVUSA)項目[7-8]，該項目對數十種不同容量的光伏組件實證系統進行了持續監測，并提出了一種針對光伏發電系統運行性能評定的方法，即PVUSA 能效評定方法。

PVUSA 能效評定方法是根據光伏組件/光伏發電系統在運行條件下的環境參數(太陽輻照度、環境溫度、風速)與其發電功率之間的函數關系建立多元線性回歸數學模型[9-10]，擬合計算出光伏組件/光伏發電系統在RC 或PVUSA 測試條件(PVUSA test conditions，PTC；即太陽輻照度1000 W/m2、環境溫度20 ℃、風速1 m/s)下的系統發電功率，適用于光伏陣列(直流側)或光伏發電系統(交流側)的發電性能評估。PTC 條件下的系統發電功率與系統標稱功率之間的差異即為系統的總體能效損失。

PVUSA 能效評定方法的計算公式為：

式中，P為光伏陣列或光伏發電系統的發電功率，kW；IPOA為光伏陣列傾斜面接收的太陽輻照度，W/m2；Ta為環境溫度，℃；WS為風速，m/s；A、B、C、D均為回歸系數。

2 結果與討論

2.1 光伏組件的I-V 特性分析

2019 年11 月，在室內AAA 光源的STC(太陽輻照度1000 W/m2、環境溫度25 ℃、AM1.5標準光譜)下，分別對在戶外實際運行12 年后的HIT 光伏組件、CIGS 薄膜光伏組件、CdTe 薄膜光伏組件進行了I-V特性測試，對3 種光伏組件的發電功率的變化進行了分析，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。由于本次實證中采用的這3 種光伏組件的生產時間均較早，光伏組件出廠的原始測試數據無法溯源，所以本文采用這3 種光伏組件各自的銘牌標稱參數作為基準參考值。

表3 戶外實際運行12 年后，3 種光伏組件的性能參數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，與光伏組件銘牌標稱參數相比，在戶外實際運行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現，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重。

2.2 光伏組件實證系統的戶外發電性能分析

2.2.1 發電量對比

2018 年11 月，3 種光伏組件移裝完成且并網后，接入新的智能光伏監控系統；2019 年3 月，CIGS 光伏組件實證系統開始數據采集；2019 年8 月，HIT 光伏組件實證系統和CdTe光伏組件實證系統開始數據采集。因此，選取2019 年8 月～2020 年2 月作為發電量評估時段對3 種光伏組件實證系統的發電量進行橫向對比，如圖5 所示。圖中，柱狀圖表示此段時間內3 種光伏組件實證系統的日均歸一化發電量；折線表示以HIT 光伏組件實證系統的日均發電量為基準，CIGS 光伏組件實證系統的日均發電量與HIT 光伏組件實證系統日均發電量的比值(紅色折線)，以及CdTe 光伏組件實證系統的日均發電量與HIT 光伏組件實證系統日均發電量的比值(藍色折線)。

圖5 2019 年8 月～2020 年2 月，3 種光伏組件實證系統的日均歸一化發電量及對比情況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，在該評估時段內，HIT 光伏組件實證系統的日均歸一化發電量一直保持最高，CdTe 光伏組件實證系統的日均歸一化發電量最低。在評估時段內，3 種光伏組件實證系統的日均發電量差異的最大值出現在8 月，該月HIT 光伏組件實證系統的日均發電量比CIGS光伏組件實證系統的日均發電量高27.29%，比CdTe 光伏組件實證系統的日均發電量高33.80%；3 種光伏組件實證系統的日均發電量差異的最小值出現在11 月，該月HIT 光伏組件實證系統的日均發電量比CIGS 光伏組件實證系統的日均發電量高4.70%，比CdTe 光伏組件實證系統的日均發電量高7.42%。

2.2.2 發電性能評估

在進行發電性能評估前，首先是對現場采集到的數據進行篩選處理及數據質量分析。發電數據及氣象數據粒度均為5 min，采用2019 年11月的數據作為樣本。

根據戶外實證測試平臺當時現場的太陽輻照度、環境溫度、風速及光伏組件實證系統交流發電功率累計監測數據，得到IPOA=768 W/m2、Ta=26.32 ℃、WS=1 m/s；將這些參數值作為回歸分析的RC，確定太陽輻照度的篩選范圍為614.40～921.60 W/m2，進而對有效測點的數據進行篩選。根據PVUSA 能效評定方法，這3 種光伏組件實證系統的期望發電功率擬合計算模型如表4所示。

表4 采用PVUSA 能效評定方法時，3 種光伏組件實證系統的期望發電功率擬合計算模型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

將各計算模型得到的光伏組件實證系統在RC下的期望發電功率修正到PTC 下得到的期望發電功率，具體如表5 所示；然后與系統標稱功率相比，計算得到系統的總體能效變化。根據PR計算公式，在相同太陽輻照度篩選條件下，對3 種光伏組件實證系統的小時PR進行計算，并與PVUSA 能效評定結果進行對比，具體如圖6 所示。

表5 PVUSA 能效評定結果Table 5 PVUSA energy efficiency assessment results

圖6 PR 及PVUSA 能效評定的結果對比Fig.6 Comparison of PR and PVUSA energy efficiency assessment results

從圖6 可以看出，由于PVUSA 能效評定結果考慮了環境溫度和風速對光伏組件實證系統發電性能的影響，因此其計算結果略高于小時PR的計算結果。

根據PVUSA 能效評定結果，HIT、CIGS、CdTe 3 種光伏組件實證系統累計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能效損失中的占比分別為22.28%、44.82%、67.24%。可以看出，CdTe 薄膜光伏組件功率衰減是造成其系統發電性能損失較大的主要因素。

3 結論

本文對處于亞熱帶季風氣候條件下已實際運行12 年的HIT、CIGS 及CdTe 3 種光伏組件進行了戶外發電性能及功率衰減實證分析，得到以下結論：

1)通過對室內STC 條件下光伏組件的I-V特性測試結果進行分析，可以得到已經運行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重。

2)通過PR及PVUSA 能效評定方法對3 種光伏組件實證系統的發電性能進行分析。2 種方法的計算結果基本一致，均為HIT 光伏組件實證系統的總體能效損失最低，性能表現最好；CdTe薄膜光伏組件功率衰減是造成CdTe 光伏組件實證系統發電性能損失較大的主要因素。

需要說明的是，由于樣本量相對較少，且光伏組件性能表現受環境因素的影響較大，因此上述研究結果僅適用于本實證案例。為此，需搜集更多不同氣候及運行條件下光伏組件的長期運行實證數據，從而才可以得到對HIT、CIGS、CdTe 這3 種光伏組件實際運行性能更為全面的認識。