曾湘安，馮江濤，揭敢新，馮 皓，陳心欣，李 慧

(中國電器科學(xué)研究院有限公司∥工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510300)

晶硅光伏組件在典型氣候環(huán)境下的性能研究*

曾湘安，馮江濤，揭敢新，馮 皓，陳心欣，李 慧

(中國電器科學(xué)研究院有限公司∥工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510300)

選取海南瓊海濕熱氣候環(huán)境試驗(yàn)場和廣州花都亞濕熱氣候環(huán)境試驗(yàn)場作為典型氣候環(huán)境試驗(yàn)基地，將多晶硅光伏組件直接固定電阻負(fù)載投試到這兩個典型氣候環(huán)境試驗(yàn)場，研究晶硅組件在真實(shí)典型氣候環(huán)境應(yīng)用的性能變化規(guī)律。利用戶外I-V測試儀、實(shí)驗(yàn)室I-V測試儀對不同的組件的I-V特性參數(shù)進(jìn)行測試以及利用熱電偶對組件的表面溫度進(jìn)行實(shí)時記錄。結(jié)果表明：投試在濕熱氣候環(huán)境試驗(yàn)場的光伏組件，其短路電流Isc、最大功率Pmax等I-V特性參數(shù)值的衰減較投試在亞濕熱氣候環(huán)境試驗(yàn)場的光伏組件多，且在組件整個實(shí)驗(yàn)過程中，濕熱試驗(yàn)場投試的光伏組件的表面溫度也高于亞濕熱試驗(yàn)場投試的光伏組件的表面溫度。

光伏組件；典型氣候環(huán)境；組件表面溫度；光伏組件性能衰減

目前光伏組件的性能保證中提到其在各種惡劣的環(huán)境條件下均能正常工作，且提供10 a的產(chǎn)品質(zhì)量保證和10～25 a的產(chǎn)品功率保證，但光伏組件性能通常是在室內(nèi)通過太陽模擬器在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下(STC)下給出的[1-4]，而光伏組件在戶外的實(shí)際工作情況與STC條件有很大的差別[5-7]，實(shí)際工作效率可能比期望的STC條件下的低20%，甚至更低[6-8]。實(shí)際應(yīng)用中影響光伏組件實(shí)際工作性能的主要環(huán)境因素：組件工作溫度，太陽輻射度，組件光學(xué)損失，太陽光譜變化等[8-9]，這些因素在組件實(shí)際戶外工作時都是時刻變化的。因此為了讓組件性能保證更加可靠，也同時為實(shí)驗(yàn)室測試提供實(shí)證依據(jù)，應(yīng)該測試組件在不同戶外典型環(huán)境的實(shí)際工作性能，得到組件在不同戶外環(huán)境實(shí)際使用的實(shí)證性能。

自從2011年7月在美國舊金山召開國際光伏組件質(zhì)量保證論壇(International PV Module Quality Assurance Forum，Environment-Specific Module Durability Testing，July 15-16, 2011，San Francisco, CA, USA)以來，國際光伏領(lǐng)域已經(jīng)開始重視特殊環(huán)境下組件耐久性問題研究，但目前對光伏組件的在不同戶外典型氣候環(huán)境(特別在國內(nèi)的典型氣候環(huán)境)應(yīng)用的性能進(jìn)行研究分析的論文尚不多見。本文將常規(guī)多晶硅光伏組件分別放置在海南瓊海濕熱氣候環(huán)境試驗(yàn)場以及廣州花都亞濕熱氣候環(huán)境試驗(yàn)場兩地(試驗(yàn)場為經(jīng)過CNAS認(rèn)可且符合ASTM標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)場)，組件固定電阻負(fù)載， 45°固定傾斜角向南且下端離地50 cm安裝進(jìn)行系統(tǒng)的戶外實(shí)證試驗(yàn)[9-12 ],利用戶外I-V測試儀、實(shí)驗(yàn)室I-V測試系統(tǒng)對這些組件的I-V特性參數(shù)進(jìn)行測試，利用熱電偶對這些組件的表面溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，記錄這些參數(shù)隨投試時間的變化情況,分析得到這些光伏組件在不同戶外典型氣候環(huán)境的性能變化規(guī)律。該實(shí)驗(yàn)對組件的性能進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證，為開發(fā)適應(yīng)不同氣候環(huán)境的光伏組件提供參考依據(jù)。實(shí)驗(yàn)和結(jié)論對生產(chǎn)和理論研究,均具有較強(qiáng)的指導(dǎo)作用。

1 實(shí)驗(yàn)方法

選取常規(guī)背板型標(biāo)準(zhǔn)A級多晶硅光伏組件為樣品，組件額定功率240W，組件尺寸：1 650mm×992mm×40mm;將這些多晶硅光伏組件分別投試在廣州花都亞濕熱和海南瓊海濕熱戶外氣候環(huán)境試驗(yàn)場進(jìn)行戶外暴曬實(shí)驗(yàn)，組件采用固定電阻負(fù)載安裝，電阻阻值為4Ω、功率500W陶瓷芯電阻，組件安裝角均為南向45°。

每隔一段時間，用EKO-MP170戶外I-V測試儀對組件進(jìn)行戶外現(xiàn)場I-V測試；將組件在試驗(yàn)場投試一段時間后,將組件回樣到實(shí)驗(yàn)室用AAA瞬態(tài)光伏組件模擬器I-V測試系統(tǒng)(halm，型號：cetisPV-XF2-M)進(jìn)行STC狀態(tài)下的I-V測試，此外在實(shí)驗(yàn)中，采用T型熱電偶對組件表面溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，并用KT800中長圖彩屏無紙記錄儀對熱電偶采集數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。

2 結(jié)果與討論

按照對試驗(yàn)組件進(jìn)行的不同測試將測試結(jié)果分為戶外現(xiàn)場I-V測試、實(shí)驗(yàn)室STC狀態(tài)下的I-V測試以及組件表面溫度實(shí)時測試3個方面，并分別對其進(jìn)行分析與討論。

組件投試期間海南試驗(yàn)場和廣州試驗(yàn)場的氣象參數(shù)平均值如表1所示，由表1可知海南試驗(yàn)場的年均空氣溫度、年均相對濕度、年降雨量、年輻射量均較廣州試驗(yàn)場高。

光伏組件的I-V特性曲線具有很強(qiáng)的實(shí)時性，非常容易受環(huán)境因素的影響，對于光照、溫度的變化敏感，因此在測試戶外I-V時需同時記錄組件表面接收的輻射度以及組件表面溫度。而為了便于分析，本實(shí)驗(yàn)將每次戶外測試的組件表面溫度控制在一定范圍內(nèi)，得到每次戶外測試的I-V特性參數(shù)包括短路電流(Isc)、開路電壓(Voc)、最大功率(Pm)以及組件效率(η)跟測試時輻射度的關(guān)系曲線如圖1、圖2所示。

圖1為廣州試驗(yàn)組件的戶外測試I-V特性參數(shù)與測試時輻射度的關(guān)系圖，其中(a)為短路電流, (b)為開路電壓 , (c) 是最大功率，(d)表示組件效率，圖2為海南試驗(yàn)組件的戶外測試I-V特性參數(shù)與測試時輻射度的關(guān)系圖。在圖1、圖2中1A表示試驗(yàn)場組件A的第一次戶外I-V測試。

由圖1、圖2可知在圖中輻射度范圍內(nèi)，無論是廣州試驗(yàn)組件還是海南試驗(yàn)場組件，其組件A和組件B的短路電流、最大功率隨著輻射度均基本呈現(xiàn)線性增長，開路電壓隨輻射度變化不明顯，而組件效率隨輻射度的增加有略微的下降趨勢。

表1 海南試驗(yàn)場和廣州試驗(yàn)場組件投試兩年間的氣象參數(shù)平均值

圖1 廣州試驗(yàn)組件的戶外測試I-V特性參數(shù)與測試時輻射度曲線Fig.1 The relationship between outdoor I-V characteristic parameters of Guangzhou test PV Modules with radiation(a)短路電流；(b)開路電壓；(c)最大功率；(d)組件效率

圖2 海南試驗(yàn)場組件的戶外測試I-V特性參數(shù)與測試時輻射度曲線Fig.2 The relationship between outdoor I-V characteristic parameters of HaiNan test PV Modules with radiation(a)短路電流；(b)開路電壓;(c)最大功率；(d)組件效率

由圖1、圖2中也可知所有試驗(yàn)組件后一次測量的短路電流、最大功率以及組件效率均較前一次測量的低，但開路電壓的變化不明顯?？梢婋S著戶外投試時間的增長，試驗(yàn)組件的短路電流、最大功率以及組件效率均有一定程度的衰減，而開路電壓衰減不明顯，這也表明組件戶外應(yīng)用時其功率的衰減主要是由于其光生電流的衰減引起的。

此外，在圖1(a)、(c)、(d)中可看出，其曲線1A和1B、2A和2B、3A和3B、4A和4B均呈現(xiàn)較好的一致性，可見廣州試驗(yàn)組件A和組件B同一次測量時的短路電流、最大功率以及組件效率具有較好的一致性。同樣，由圖2(a)、(c)、(d)可知海南試驗(yàn)組件A跟組件B同一次測量時的I-V特性參數(shù)值也具有較好的一致性，這表明本實(shí)驗(yàn)中戶外I-V測試的穩(wěn)定性以及準(zhǔn)確性良好。

為了更準(zhǔn)確地表征試驗(yàn)組件性能的變化情況，在試驗(yàn)組件投試一段時間后將試驗(yàn)組件回樣至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行STC狀態(tài)下的I-V測試，得到試驗(yàn)組件STC狀態(tài)下的I-V特性參數(shù)值隨投試時間的變化關(guān)系如圖3所示。

圖3(a)、(b)、(c) 、(d)分別為試驗(yàn)組件STC狀態(tài)下的短路電流、開路電壓、最大功率、轉(zhuǎn)換效率隨投試時間的變化關(guān)系，圖中Δ表示衰減絕對值，()內(nèi)為對應(yīng)衰減率；Δ1=初始值-一年后值;Δ2=初始值-兩年后值; 一年衰減率=Δ1/初始值; 兩年衰減率=Δ2/初始值。由圖可以看出隨著投試時間的增長，試驗(yàn)組件的開路電壓并無明顯衰減，而短路電流、最大功率以及轉(zhuǎn)換效率均呈現(xiàn)一定程度的衰減，這表明光伏組件功率的衰減主要是其光生電流的衰減引起的。從圖3(a)可知海南試驗(yàn)組件的短路電流衰減值均明顯高于廣州試驗(yàn)組件，結(jié)合表1可知這是因?yàn)楹Ｄ显囼?yàn)場地處濕熱氣候，年輻射總量以及年平均氣溫均較廣州試驗(yàn)場高些。

由3(a)還可看出試驗(yàn)組件的短路電流在投試第1年的衰減值明顯高于第2年，這是因?yàn)楣夥M件在剛開始使用時會出現(xiàn)初期光致衰減導(dǎo)致投試第一年衰減較大[10-11]，圖3(c)、(d)可發(fā)現(xiàn)海南試驗(yàn)組件的最大功率、轉(zhuǎn)換效率的衰減明顯大于廣州試驗(yàn)組件，其原因跟短路電流的衰減類似。但由圖也能看出試驗(yàn)組件的最大功率、轉(zhuǎn)換效率第1年的衰減值跟第2年的衰減值相差不大。

在廣州試驗(yàn)場和海南試驗(yàn)場各取一個試驗(yàn)組件，在其前后表面各取4個代表性監(jiān)測點(diǎn)，利用熱電偶對組件進(jìn)行表面溫度實(shí)時監(jiān)測，試驗(yàn)組件的表面溫度監(jiān)測點(diǎn)分布圖如圖4所示，其中1、2、3、4為試驗(yàn)組件前表面溫度監(jiān)測點(diǎn)，分別是接線盒對應(yīng)正面處、右上角處、中心處、左下角處；5、6、7、8為組件背板溫度監(jiān)測點(diǎn)，分別對應(yīng)接線盒旁邊、右上角、中心、左下角。

將記錄的試驗(yàn)組件表面溫度進(jìn)行處理分析得到試驗(yàn)組件8個表面溫度監(jiān)測點(diǎn)的月平均溫度分布圖如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)組件8個表面溫度監(jiān)測點(diǎn)的月平均溫度值Fig.5 The monthly average temperature of Eight surface temperature monitoring with test PV Modules (a)為廣州試驗(yàn)組件;(b)為海南試驗(yàn)組件(其中通道17為環(huán)境溫度)

由圖5可知無論是廣州亞濕熱試驗(yàn)場投試組件還是海南濕熱試驗(yàn)場投試組件，其所有監(jiān)測點(diǎn)的月平均溫度值均高于試驗(yàn)場環(huán)境月均溫度，且試驗(yàn)組件的月均表面溫度最高值出現(xiàn)在接線盒對應(yīng)的前表面處。由圖5也可以看出試驗(yàn)組件前表面的溫度較背面溫度稍高一些，特別是接線盒處對應(yīng)前表面溫度要較背面高出約1 ℃，其他幾處前表面溫度較背面也高出約0.5 ℃。

圖6為廣州試驗(yàn)組件跟海南試驗(yàn)組件的整體表面溫度對比關(guān)系圖，其中(a)表示試驗(yàn)組件表面的每月月均溫度，(b)為月極大溫度(c)為月極小溫度，由圖6可知海南試驗(yàn)組件整體表面溫度包括月均溫度、月極大溫度、月極小溫度均較廣州試驗(yàn)組件的高，全年平均海南試驗(yàn)組件表面溫度要較廣州試驗(yàn)組件高約3.5 ℃，這也可能是導(dǎo)致海南試驗(yàn)組件功率衰減較大的原因之一。此外，由圖6(a)也可看出廣州試驗(yàn)組件表面月均溫度峰值出現(xiàn)在7月，而海南試驗(yàn)組件表面的月均溫度峰值出現(xiàn)在6月；從圖6(b)中可看出廣州試驗(yàn)組件表面的月極大溫度峰值出現(xiàn)在9月，而海南試驗(yàn)組件表面的月極大溫度峰值出現(xiàn)在6月和9月；從圖6(c)中能知道海南試驗(yàn)組件表面跟廣州試驗(yàn)組件表面的月極小溫度峰值均出現(xiàn)在7月。

圖6 廣州試驗(yàn)組件和海南試驗(yàn)組件整體表面溫度對比關(guān)系圖Fig.6 The contrast between Guangzhou test PV Modules’ temperature and HaiNan test PV Modules temperature(a)月均溫度；(b)月極大溫度；(c)月極小溫度

3 結(jié) 論

本文研究分析了常規(guī)多晶硅光伏組件在濕熱以及亞濕熱兩種典型氣候環(huán)境中的應(yīng)用的性能變化規(guī)律.最后得到結(jié)論：所有試驗(yàn)組件隨著投試時間的增長其短路電流、最大功率、轉(zhuǎn)換效率均有不同程度的衰減，而其開路電壓均無明顯變化，海南試驗(yàn)組件的I-V特性參數(shù)的衰減明顯大于廣州試驗(yàn)組件.所有試驗(yàn)組件在試驗(yàn)場應(yīng)用時其前表面的溫度較背面的高，整個組件表面的溫度最高值出現(xiàn)在接線盒對應(yīng)的前表面處，此外海南試驗(yàn)組件表面的整體平均溫度比廣州試驗(yàn)組件表面的高。

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Performance of crystalline silicon PV modules applied in the typical climate

ZENGXiang’an,FENGJiangtao,JIEGanxin,FENGHao,CHENXinxin,LIHui

(China National Electric Apparatus Research Institute(CEI)∥State Key Laboratory of Environmental Adaptability for Industrial Products, Guangzhou 510300, China)

Based on the hot and humid climate outdoor testing site(Located in Qionghai) and sub-humid climate outdoor testing site(located in Guangzhou),the polycrystalline silicon photovoltaic modules fixed with resistive load were tested for studying performance changes in the real applications weather. The outdoorI-VtesterandlaboratoryI-VtesterwereusedtocharacterizedtheI-Vparametersofvariousmodules,thesurfacetemperatureofPVmoduleswasrecordedbythethermocoupleinsitu.TheresultsshowedthatdegradationofIsc,PmaxofPVmodulesweremuchhigherappliedinthehotandhumidclimatecomparedtothemodulesinsub-humidclimate.Thesurfacetemperatureofmodulesdeployedinhot-humidclimatewasalsohigherthanthoseinsub-humidclimate.

PV modules;typical climate;module surface temperature;PV modules performance degradation

10.13471/j.cnki.acta.snus.2016.06.013

2016-01-06

國家科技部國際合作專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2014DFA61960)；廣州市科學(xué)研究專項(xiàng)資助項(xiàng)目(201504010026)

曾湘安(1988年生)，女； 研究方向：光伏組件及其材料的可靠耐久性；E-mail:zeng_xiangan@126.com

TM914.4+

A

0529-6579(2016)06-0086-06