陳心欣，李慧，曾湘安，許楚斯

（中國電器科學(xué)研究院有限公司，廣州 510300）

光伏發(fā)電系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)影響實(shí)證分析

陳心欣，李慧，曾湘安，許楚斯

（中國電器科學(xué)研究院有限公司，廣州 510300）

本文介紹了基于對光伏發(fā)電實(shí)證系統(tǒng)的發(fā)電性能以及環(huán)境參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測，開展的環(huán)境參數(shù)對光伏發(fā)電性能的影響的比較分析研究，并通過數(shù)據(jù)分析手段得出了光伏發(fā)電性能的變化規(guī)律。

光伏發(fā)電；環(huán)境參數(shù)；溫度；太陽輻照；PR

引言

隨著能源供應(yīng)緊張、環(huán)境污染和氣候變化等問題的日趨嚴(yán)重，光伏發(fā)電作為一種清潔的可再生能源得到快速發(fā)展。我國太陽能資源豐富，理論儲量大，是未來最有希望的、可大規(guī)模開發(fā)利用的可再生能源。近幾年來，隨著光伏產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展、裝機(jī)容量的指數(shù)增長，為保證電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、安全和可靠性運(yùn)行，光伏發(fā)電預(yù)測顯得越來越重要[1，2]。

光伏發(fā)電輸出受太陽輻射周期變化、氣溫、降水、云量、濕度等氣象要素隨機(jī)性變化的影響，具有明顯的日、季節(jié)變化、以及不連續(xù)性和不確定性[3，4]。本文通過對環(huán)境參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測，并跟蹤對比光伏發(fā)電實(shí)證系統(tǒng)的發(fā)電性能，研究環(huán)境參數(shù)對光伏發(fā)電的影響，為進(jìn)行更為準(zhǔn)確的光伏發(fā)電預(yù)測提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 實(shí)證系統(tǒng)簡介

本文采用光伏組件搭建成小型光伏發(fā)電系統(tǒng)，接入組串式逆變器并網(wǎng)，同時(shí)通過氣象系統(tǒng)監(jiān)測組件平面的太陽輻照、空氣溫度、濕度、風(fēng)向風(fēng)速等數(shù)據(jù)，發(fā)電數(shù)據(jù)以及氣象數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞缴蟼鞯綌?shù)據(jù)平臺，整個(gè)系統(tǒng)的示意圖見圖1。

圖1 光伏發(fā)電實(shí)證系統(tǒng)以及監(jiān)測數(shù)據(jù)示意圖

本文選擇的數(shù)據(jù)來源于在海南省瓊海市海南熱帶環(huán)境研究所自2014年底搭建的兩個(gè)裝機(jī)量約2 kW的小型光伏實(shí)證系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)由8件60電池片的多晶硅光伏組件接入組串式逆變器并網(wǎng)構(gòu)成。選用瓊海市作為實(shí)證試驗(yàn)地點(diǎn)，是考慮到作為我國的低緯度地區(qū)，其太陽光譜的季節(jié)性相對影響較小。因此，本文可以較為針對性的考慮太陽輻照、空氣溫度、風(fēng)速這些因素的影響。本文旨在分析環(huán)境數(shù)據(jù)對光伏組串發(fā)電性能的影響，因此，為排除逆變器轉(zhuǎn)換效率的影響，主要采用光伏組串的直流PR（取逆變器直流端的參數(shù)）作為性能評價(jià)參數(shù)，參考IEC 61724[5]給出的PR的定義，光伏組串的直流PR即：

其中，

PRT：在T時(shí)間段內(nèi)光伏組串的平均系統(tǒng)效率；

ET：在T時(shí)間段內(nèi)光伏組串直流端測得的電量；

Pe：光伏組串裝機(jī)量（以實(shí)測STC狀態(tài)下各組件的功率計(jì)算）；

HT: 在T時(shí)間段內(nèi)方陣面上的峰值日照時(shí)數(shù)。

本文兩組小型光伏系統(tǒng)分別定義為系統(tǒng)A和系統(tǒng)B，采用了2015年、2016年兩年期的發(fā)電數(shù)據(jù)以及環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，下文分析的直流PR值取短期的值，即系統(tǒng)每5 min的平均直流效率，對應(yīng)的環(huán)境數(shù)據(jù)也為對應(yīng)5 min的平均值（或累計(jì)值）。

2 一天不同時(shí)間的發(fā)電性能分析

本文分析了2015年和2016年全年，自6：30至18：30的12 h內(nèi)，A、B兩個(gè)光伏系統(tǒng)的直流PR變化，如圖2所示。

從圖2可以看出，A、B兩系統(tǒng)在2015年以及2016年的表現(xiàn)均非常相似，在黎明和傍晚階段，由于太陽輻照值較低，其直流PR值均比較低。隨著時(shí)間的過去，太陽高度角慢慢增大，系統(tǒng)的PR值逐漸增大，到上午9點(diǎn)鐘左右達(dá)到最高值。而此后，由于氣溫逐漸升高、太陽輻照也加強(qiáng)，使得光伏組件的溫度上升從而PR值會略微降低，在12點(diǎn)至14點(diǎn)之間PR值基本在平穩(wěn)狀態(tài)。而下午，隨著組件溫度逐漸下降，PR值又會有所回升，在下午4點(diǎn)半左右達(dá)到下午階段的最高值。此后則由于太陽輻照降低，PR值逐漸降低。

3 不同溫度下的發(fā)電性能

本文分析了2015年和2016年全年，空氣溫度在20～35 ℃之間的A、B兩個(gè)光伏系統(tǒng)的直流PR變化，如圖3所示。

在圖中可見，同一年的兩個(gè)系統(tǒng)的性能表現(xiàn)均較為接近，不同年份之間個(gè)別溫度的性能表現(xiàn)不完全一致，這與當(dāng)年的氣象狀況相關(guān)。而總體趨勢可以看出：在氣溫在20～31 ℃之間，PR值隨溫度的變化不明顯，而當(dāng)氣溫超過31 ℃以后，PR隨氣溫升高明顯下降。

圖2 光伏系統(tǒng)的一天內(nèi)直流PR值時(shí)間變化圖

圖3 光伏系統(tǒng)的不同氣溫下的直流PR變化圖

圖4 光伏系統(tǒng)的不同氣溫下的直流PR變化圖（輻照強(qiáng)度在800 W/m2至1 000 W/m2）

由于光伏組件的溫度除了與空氣溫度相關(guān)以外，與太陽輻照的影響也有關(guān)系，因此，本文針對性的選取了太陽輻照強(qiáng)度在800 W/m2至1 000 W/m2的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖4。從圖中可見，對于輻照強(qiáng)度較強(qiáng)的時(shí)刻，系統(tǒng)的直流PR值基本隨溫度升高而降低，但是在25～30 ℃之間，此變化并不明顯。

4 不同輻照強(qiáng)度下的發(fā)電性能

本文分析了2015年和2016年全年，A、B兩個(gè)光伏系統(tǒng)的直流PR隨太陽輻照強(qiáng)度的變化趨勢，如圖5所示。

圖5 光伏系統(tǒng)的不同輻照強(qiáng)度下的直流PR變化圖

從上圖可見，在太陽輻照較低時(shí)，PR值隨者輻照強(qiáng)度增加而增大，在輻照強(qiáng)度在200～400 W/m2之間，系統(tǒng)的PR較為平穩(wěn)。此后，系統(tǒng)的PR值隨著輻照強(qiáng)度的增加而降低，基本呈線性關(guān)系。

為了更好的分析光伏系統(tǒng)PR值與太陽輻照強(qiáng)度之前的關(guān)系，本文選取了幾個(gè)空氣溫度條件下的情況進(jìn)行細(xì)化分析，圖6和圖7展示了兩個(gè)光伏系統(tǒng)在空氣溫度分別在 20 ℃（±1 ℃）、25 ℃（±1 ℃）、30 ℃（±1 ℃）條件下不同太陽輻照強(qiáng)度的PR值變化情況。

圖6 系統(tǒng)A在不同輻照強(qiáng)度下的直流PR變化圖

從圖中可見，兩個(gè)光伏系統(tǒng)空氣溫度在20 ℃、25 ℃以及30 ℃的情況下其PR值隨太陽輻照強(qiáng)度的變化情況均相似（與圖5展示的變化規(guī)律類似）。而且對于相同的輻照強(qiáng)度下，空氣溫度高則PR值相對較低，這與電池片的溫度效應(yīng)相關(guān)，但是圖中也可看出20～25 ℃之間的差別，明顯不如25～30 ℃之間的差別大。

圖7 系統(tǒng)B在不同輻照強(qiáng)度下的直流PR變化圖

而在輻照強(qiáng)度較低的范圍內(nèi)（小于250 W/m2），在空氣溫度30 ℃的條件下，輻照強(qiáng)度對系統(tǒng)PR值的影響明顯大于空氣溫度在20 ℃和25 ℃。而在輻照強(qiáng)度超過400 W/m2后，輻照強(qiáng)度增大則系統(tǒng)PR值降低，對于各個(gè)溫度條件下其下降的幅度都較為相似，其直線擬合結(jié)果可見表1。

表1 光伏系統(tǒng)輻照強(qiáng)度-直流PR直線擬合結(jié)果（400 W/m2至110 W/m2）

表1的直線擬合結(jié)果，除系統(tǒng)B的30 ℃一欄數(shù)據(jù)外，其相關(guān)系數(shù)均大于0.95，可見擬合度較高。而通過表1數(shù)據(jù)對比，以及圖5的曲線，可以看到，在其他氣象環(huán)境條件均相同的情況下，系統(tǒng)A的PR受太陽輻照的影響相對較較大（太陽輻照強(qiáng)度一方面影響光伏組件的溫度，另一方面也影響組件的轉(zhuǎn)換效率）。本文針對各個(gè)輻照段的系統(tǒng)性能展開比較分析，其結(jié)果如表2所示。

表2 光伏系統(tǒng)不同輻照強(qiáng)度段的直流PR變化情況

從表2數(shù)據(jù)可知：在太陽輻照強(qiáng)度較低的情況下，系統(tǒng)A的性能表現(xiàn)更佳，而在輻照強(qiáng)度較高的情況下，則系統(tǒng)B的性能表現(xiàn)反而更好。此變化規(guī)律對于全年不同月份的光伏系統(tǒng)發(fā)電預(yù)測有一定的指導(dǎo)意義。

5 小結(jié)

本文通過搭建小型光伏實(shí)證系統(tǒng)的方式，監(jiān)測并分析了在同一地點(diǎn)的兩個(gè)光伏系統(tǒng)的發(fā)電性能（直流）受環(huán)境因素影響的情況。針對影響光伏系統(tǒng)性能的最主要環(huán)境因素空氣溫度和太陽輻照強(qiáng)度進(jìn)行了比較，并通過數(shù)據(jù)分析的手段得出了定性的結(jié)論，對于更為準(zhǔn)確預(yù)測光伏系統(tǒng)的發(fā)電有指導(dǎo)意義。

[1] 韓曉艷，趙鵬，宋行賓，侯現(xiàn)偉，劉敬偉. 光伏組件選型對光伏系統(tǒng)發(fā)電量的影響[J]. 太陽能, 2012,5: 30-33

[2] 白永清，陳正洪，王明歡，賴安偉. 關(guān)于WRF模式模擬到達(dá)地表短波輻射的統(tǒng)計(jì)訂正[J]. 華中師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2013,47(2): 292-295

[3] 崔洋，孫銀川，常倬林. 短期太陽能光伏發(fā)電預(yù)測方法研究進(jìn)展[J]. 資源科學(xué), 2013，35（7）：1474-1481

[4] 畢二朋，胡明輔，袁江，吳國玉. 光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)中太陽輻射強(qiáng)度影響的分析[J]. 節(jié)能技術(shù), 2012,30(1): 15-17

[5] IEC TS 61724-3:2016, Photovoltaic system performance-Part 3:Energy evaluation method (S).

Analysis of Environmental Parameters on Photovoltaic System

CHEN Xin-xin，LI Hui，ZENG Xiang-an，XU Chu-si
(China National Electric Apparatus Research Institute Co., Ltd. Guangzhou 510300)

This paper introduces comparative analysis of the influence of environmental parameters on the photovoltaic system performance, which bases on continuous monitoring of both the electrical parameters and environmental parameters. By means of data analysis, this paper concludes the law of the performance of photovoltaic power.

photovoltaic generation；environment parameter；temperature；solar irradiation；PR

TM615

B

1004-7204(2017)04-0019-04

廣州市科學(xué)研究專項(xiàng)資助項(xiàng)目（201504010026），廣東省外專局引智示范成果推廣項(xiàng)目（Y20174400002）

陳心欣（1982-），女，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，工程師，主要從事光伏環(huán)境耐久性試驗(yàn)與評價(jià)工作。