仲仕晶, 趙書杰,2*

(1.蘇州科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，蘇州 215009; 2.蘇州科技大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，蘇州 215009)

如今，建筑能耗逐步成為了節(jié)能領(lǐng)域所關(guān)注的焦點，如何開發(fā)和利用新能源以及降低建筑能耗已經(jīng)成為關(guān)系到國家節(jié)能減排時效的重要工作，光伏作為可再生能源有了快速的發(fā)展，光伏建筑一體化、光伏照明等工程也將進(jìn)一步的開展[1]。光伏組件的表面溫度是影響光伏組件性能最主要的原因之一[2]，該溫度由環(huán)境溫度等多種因素共同影響；且光伏發(fā)電量與環(huán)境溫度呈負(fù)相關(guān)[3]。由于光伏組件表面溫度會影響太陽電池的短路電流和輸出開路電壓[4]，因此研究光伏組件表面溫度對光伏發(fā)電性能的影響至關(guān)重要。

目前國內(nèi)外對光伏發(fā)電性能影響的研究主要是從環(huán)境溫度為主，較少直接研究光伏板表面溫度，且環(huán)境因素的單一和交叉影響分析很少，需要全方位地分析各因素對發(fā)電性能的影響。李英姿等[5]結(jié)合了北京地區(qū)實際環(huán)境因素和光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，利用灰色關(guān)聯(lián)度模型，分析了系統(tǒng)因素與系統(tǒng)特征之間的相互影響的灰色關(guān)聯(lián)度及系統(tǒng)準(zhǔn)優(yōu)因素，發(fā)現(xiàn)當(dāng)霧霾較重時，PM2.5主要影響輻射量，當(dāng)霧霾較輕時，可忽略對發(fā)電量影響。Hashim等[6]通過一系列的實驗研究了多晶硅、單晶硅和硒化銅銦鎵光伏組件在環(huán)境溫度10～35 ℃溫度下其發(fā)電性能的影響。丁勇等[7]通過在重慶地區(qū)搭建小型分布式光伏系統(tǒng)分析了輻射量、環(huán)境溫度影響系統(tǒng)發(fā)電量和效率的主次關(guān)系，發(fā)現(xiàn)二者共同影響系統(tǒng)的發(fā)電量和發(fā)電效率。李西明等[8]分析了沙塵暴和日食等極端特殊天氣對光伏發(fā)電系統(tǒng)出力影響。沈金榮等[9]通過采集常州地區(qū)一季度發(fā)電量數(shù)據(jù)，采用多因子綜合回歸分析日類型、空氣質(zhì)量等因素對發(fā)電量的影響，發(fā)現(xiàn)空氣質(zhì)量對該地區(qū)光伏系統(tǒng)發(fā)電量影響不大，輻射量影響最顯著。趙永強等[10]發(fā)現(xiàn)積灰程度、海拔高度及某些地區(qū)特殊天氣情況與其他因素耦合，共同影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作效率。于秩彬等[11]對電站的發(fā)電量及周圍環(huán)境因素等數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和統(tǒng)計，對光照強度、溫度及相對濕度這3個因素對發(fā)電功率的影響程度進(jìn)行解耦分析，研究青島等沿海地區(qū)特有氣象對光伏發(fā)電效率的影響，可為該氣候相似地區(qū)提供數(shù)據(jù)參考。

由于蘇州地區(qū)的氣象條件與上述地區(qū)有較大差別，太陽能資源等其他因素也大不相同，因此以上的研究并不適用于蘇州。蘇州位與夏熱冬冷地區(qū)，經(jīng)濟發(fā)達(dá)但能源消耗極其嚴(yán)重。近年來，太陽能光伏產(chǎn)業(yè)成為蘇州戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點支持和發(fā)展的領(lǐng)域。為了更好地研究該地區(qū)光伏技術(shù)發(fā)展的適用性，搭建了太陽能光伏一體化材料試驗平臺，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集和試驗，并將采集到的各項數(shù)據(jù)采用多元線性回歸法及趨勢面分析法綜合分析了各個因素對光伏發(fā)電性能的影響，同時也為蘇州地區(qū)光伏技術(shù)的發(fā)展提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 試驗平臺介紹

圖1所示為試驗平臺及設(shè)備裝置。試驗臺搭建于蘇州科技大學(xué)某建筑樓樓頂，實驗臺由兩個測試倉、通道、水路系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、監(jiān)控中心以及數(shù)據(jù)采集中心組成。整個實驗平臺的尺寸為6 m(長)×4 m(寬)×3 m(高)，主箱體的材料為聚氨酯板，厚度為100 mm，箱內(nèi)和外壁的材料采用噴塑鋼板。兩個測試倉面積均為2.85 m(長)×2.7 m(寬)，測試倉一邊各有一扇單開門與通道相連；另一邊前壁處各留有一個預(yù)留窗口(1.7 m×1 m)用來安裝太陽能光電組件，組件可根據(jù)需求開啟不同傾角。同時實驗臺的底部中心及四周均安裝有可轉(zhuǎn)動的滑輪，可以滿足實驗臺的不同朝向。該系統(tǒng)配備一套風(fēng)冷冷水機組，末端采用風(fēng)機盤管，同時配備加熱器，可實現(xiàn)對測試倉的制冷制熱。數(shù)據(jù)采集中心及監(jiān)控中心主要用于數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控，通道內(nèi)同時可用于實驗人員工作休息。

A為光伏板，B為中空玻璃，C為風(fēng)機盤管，D為水路系統(tǒng)，E為監(jiān)控中心，F(xiàn)為系統(tǒng)配電柜，G為數(shù)據(jù)采集中心，H為室外風(fēng)速風(fēng)向溫濕度傳感器圖1 實驗臺主視圖、三維圖及設(shè)備裝置圖Fig.1 Main view, three-dimensional view and equipment diagram of the experimental platform

該試驗平臺的光伏發(fā)電系統(tǒng)由多晶硅光伏板、太陽能控制器、逆變器、蓄電池及負(fù)載組成。多晶硅光伏板為阿特斯公司所生產(chǎn)(型號CS6P-245P、額定功率245 W、開路電壓37.1 V、短路電流8.74 A)，太陽能控制器(DC12/24 V-20 A)，并網(wǎng)逆變器(輸入24 VDC，輸出220 VAC)，閥控密封式鉛酸蓄電池6塊3串3并(東豐DFBL40-12/40 Ah/12 V)，負(fù)載選用燈泡(飛利浦PAR38/175 W)。采集測試主機主要由溫度、輻照度巡回檢測儀、微型計算機、硬盤、觸摸屏和采集軟件組成，尺寸為383 mm(長)×248 mm(寬)×195 mm(高)，可實現(xiàn)將所采集的所有數(shù)據(jù)自動保存在儀器內(nèi)置的SD卡中；在界面對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時查詢，也可實現(xiàn)長期的無人職守數(shù)據(jù)采集。所有采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過了RS485通信接口，將前端采集到的參量實時傳送給系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心，在主機對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時查看。同時采集主機與計算機相連，即可在計算機上可對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時查看監(jiān)控。此外，系統(tǒng)還配置GPRS中國移動無線遠(yuǎn)傳模塊，數(shù)據(jù)可通過無線移動網(wǎng)絡(luò)向指定IP地址的計算機傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。該系統(tǒng)可采集室外溫濕度、光伏板表面溫濕度、太陽輻照(包括總輻射、直接輻射、散射等)、風(fēng)速、風(fēng)向、直流電壓、直流電流、直流功率，發(fā)電量等物理量?？筛鶕?jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的繪圖和計算，評估系統(tǒng)的效率、經(jīng)濟效益。系統(tǒng)主要構(gòu)成及技術(shù)指標(biāo)如圖2、表1所示。

圖2 系統(tǒng)主要硬件構(gòu)成Fig.2 The main hardware structure of the system

2 結(jié)果與分析

于2019年5月1—31日對實驗臺的多晶硅光伏板表面溫度、環(huán)境溫度、室外風(fēng)速、太陽輻照、室外相對濕度以及發(fā)電量等數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，各測試儀器采集對應(yīng)數(shù)據(jù)包括光伏板表面溫度、環(huán)境溫度、太陽輻照等，直流電能表顯示累計發(fā)電量。為了研究各個因素對光伏板表面溫度的影響以及利用趨勢面分析研究光伏板表面溫度和太陽輻射量對發(fā)電量的影響，試驗選取5月13日的數(shù)據(jù)作為典型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。所有數(shù)據(jù)可由采集測試主機自動采集并記錄，時間間隔為10 s，試驗時間為8：00—20：00，當(dāng)日天氣晴轉(zhuǎn)多云。

表1 主要測試儀器及技術(shù)參數(shù)Table 1 Main test instruments and technical parameters

2.1 各因素對光伏板表面溫度影響

圖3為測試當(dāng)日不同時刻下環(huán)境溫度、室外風(fēng)速、總太陽輻照、室外濕度及光伏板表面濕度與光伏板表面溫度的變化曲線。從圖3(a)中可以看出，從測試開始時，光伏板表面溫度及環(huán)境溫度都處于上升階段，但可以明顯看出，在時間為9：00—16：20時當(dāng)室外太陽輻照較高時，光伏板表面溫度與環(huán)境溫度的變化不同步，這說明光伏板表面溫度受其他因素的影響較大，過了16：20時，室外太陽輻照減少，光伏板表面溫度隨室外溫度的降低而降低，此時有較好的一致性。從圖3(b)可知，室外風(fēng)速對對光伏板表面溫度有較顯著的影響。圖3(c)表明，光伏板表面溫度與總輻射強度變化曲線關(guān)聯(lián)度很大。但從圖3(d)可以看出，室外濕度及光伏板表面濕度對光伏板表面濕度的影響不是很大。

結(jié)合測試的結(jié)果可以得出，研究各個因素對光伏板表面溫度的相關(guān)度和影響程度是非常有必要的。王春龍等[12]用灰色關(guān)聯(lián)分析的方法，定量地分析了各影響因子與光伏板表面溫度的關(guān)聯(lián)度。得出最佳的關(guān)聯(lián)順序為太陽輻射強度>環(huán)境溫度>風(fēng)速>濕度。但是這種方法也會產(chǎn)生一些問題，如分析數(shù)據(jù)是按照時間的序列進(jìn)行，采用初值化、極大化和極小化無量綱這個處理方法所得到的結(jié)果并不科學(xué)。為了對影響光伏板表面溫度的因素進(jìn)行更詳細(xì)的研究，作者將當(dāng)日所采集的所有數(shù)據(jù)用多元線性回歸方程進(jìn)行分析[13]，結(jié)果如表2所示。

圖3 各影響因素對光伏板表面溫度的影響Fig.3 Effect of various factors on surface temperature of photovoltaic panels

表2 多元線性回歸方程數(shù)據(jù)分析Table 2 Data analysis of multivariate linear regression equation

得到了光伏板表面溫度與環(huán)境溫度T、風(fēng)速v、太陽總輻射強度E及室外濕度RH(由于室外濕度影響著光伏板表面濕度，只取室外濕度進(jìn)行分析)：

y=0.908T-0.056v+0.035E-0.172RH+7.237

(1)

從表2及式(1)可以看出，F(xiàn)小于顯著性水平值0.05，故認(rèn)為可以用線性模型描述自變量和因變量直接的相關(guān)關(guān)系。R2=0.971，說明了影響光伏板表面溫度因素的總變差中，有97.1%可由環(huán)境溫度、風(fēng)速、太陽總輻射強度、室外濕度來解釋，該多元線性回歸方程的擬合優(yōu)度較好。標(biāo)準(zhǔn)誤差是說明在環(huán)境溫度、風(fēng)速、太陽總輻射強度、室外濕度來影響光伏板表面溫度時，平均的預(yù)測誤差為1.44 ℃。根據(jù)式(1)，環(huán)境溫度每升高1 ℃，光伏板表面溫度增加0.908 ℃；室外風(fēng)速每增大1 m/s，光伏板表面溫度降低0.056 ℃；總太陽輻射強度每升高1 W/m2，光伏板表面溫度增加0.035 ℃；室外濕度每升高1%，光伏板表面溫度降低0.172 ℃。

2.2 光伏板表面溫度光伏板發(fā)電量的影響

由圖4可以看出，光伏板發(fā)電量與表面溫度基本正相關(guān)，8：00—11：00，隨著光伏板溫度的升高，發(fā)電量升高，但11：00—16：00，發(fā)電量基本維持不變，到了18：00以后，隨著光伏板溫度的降低，發(fā)電量驟降，經(jīng)分析是太陽輻照強度的減少以及室外溫度的降低等共同因素的影響造成的。

將光伏板表面溫度看作是影響光伏發(fā)電量的自變量，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一元線性回歸方程分析關(guān)系，結(jié)果如表3所示。

圖4 光伏板表面溫度對發(fā)電量的影響Fig.4 The influence of surface temperature of photovoltaic panel on power generation

得出發(fā)電量與光伏板表面溫度T表的關(guān)系：

y=0.073T表+1.078

(2)

與上邊分析相同，F(xiàn)小于顯著性水平0.05，該方程可以描述自變量和因變量直接關(guān)系，但在發(fā)電量的總變差中，只有38.1%可由光伏板表面溫度來影響，故該方程擬合度一般，說明影響發(fā)電量的因素很多，且發(fā)電量受到光伏板表面溫度的影響并不明顯。結(jié)果表明，光伏板表面溫度每升高1 ℃，發(fā)電量增加0.073 W·h。

2.3 光伏板表面溫度、太陽輻射量對發(fā)電量的趨勢面分析

以上運用了多元線性回歸的方法依次分析了環(huán)境溫度、太陽輻照強度、室外風(fēng)速濕度對光伏板表面溫度的影響，以及運用一元線性回歸光伏板表面溫度對發(fā)電量的影響，但這種方法并不能直觀地觀察因變量和自變量之間的趨勢變化。接著采用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢面分析。趨勢面分析是擬合了數(shù)學(xué)面的一種統(tǒng)計方法，具體的做法是用數(shù)學(xué)的方法計算出來一個數(shù)學(xué)曲面來擬合數(shù)據(jù)區(qū)域性變化的趨勢，二次的趨勢面一般為橢圓、拋物線或者雙曲面圖形，三次以上的趨勢面則更為復(fù)雜的圖形[14-15]。在進(jìn)行趨勢面分析的時候，要使模型回歸平方和較大且剩余值較小，使得模型的擬合度較高，這樣使得結(jié)果才更加準(zhǔn)確[16]。

這里將典型日當(dāng)日所采集到的太陽輻射量以及光伏板表面溫度作為自變量，發(fā)電量作為因變量，進(jìn)行趨勢面的回歸分析。二元二次和二元三次擬合精度和顯著性結(jié)果如表4所示，且均符合統(tǒng)計的要求。接著利用DPS自帶3D作圖功能繪制出等值線-趨勢面圖如圖5所示。

表4 光伏板表面溫度和輻射量對光伏發(fā)電量影響趨勢面擬合效果及二次趨勢面回歸方程Table 4 Trend surface fitting effect and quadratic trend surface regression equation of influence of surface temperature and radiation on photovoltaic power generation

從表4可以看出，光伏板表面溫度和輻射量對光伏發(fā)電量影響趨勢面分析結(jié)果的擬合效果均達(dá)到了顯著水平，可以表明兩者影響光伏發(fā)電量較大，二元二次趨勢面擬合度為75.3%，二元三次趨勢面擬合度為69.9%。

從圖5可以看出：光伏板溫度范圍為20.125～46.6 ℃，輻射量范圍為0～0.35 MJ/m2，光伏發(fā)電量的變化趨勢為從高溫度低輻射量到低溫度高輻射量方向的逐漸遞增，圖形所呈現(xiàn)為對稱軸的拋物面變化趨勢，且中間區(qū)域變化幅度相對平緩；但到了高溫低輻區(qū)間變化幅度明顯，說明在過高光伏板表面溫度和過低輻射量的共同影響下，發(fā)電量減少幅度較大。三次趨勢面分析的結(jié)果比二次分析較為復(fù)雜，從圖5中可以看出，低輻高溫對發(fā)電量的衰減影響尤為明顯，到中輻中溫區(qū)間，變化逐漸平緩，但到了高輻低溫區(qū)間，發(fā)電量變化幅度又增大，且兩極分化比二次趨勢面更為明顯。

圖5 光伏板表面溫度、太陽輻射量對發(fā)電量影響的二、三次等值趨勢面Fig.5 Binary and cubic equivalent trend surfaces of the influence of surface temperature and solar radiation on power generation of photovoltaic panels

3 結(jié)論

(1)通過已搭建的太陽能光伏一體化材料試驗臺，用總輻射計、溫濕度傳感器、直流電能表等相關(guān)儀器，測試典型日下8:00—20:00太陽輻照強度、環(huán)境溫度、室外風(fēng)速、室外濕度、發(fā)電量等參數(shù)。采用多元線性回歸方法分析影響光伏板表面溫度的主要原因，結(jié)果表明：回歸方程的擬合程度優(yōu)良，環(huán)境溫度每升高1 ℃，光伏板表面溫度增加0.908 ℃；室外風(fēng)速每升高1 m/s，光伏板表面溫度降低0.056 ℃；總太陽輻射強度每升高1 W/m2，光伏板表面溫度增加0.035 ℃；室外濕度每升高1%，光伏板表面溫度降低0.172 ℃。

(2)采用一元線性回歸分析光伏板表面溫度對發(fā)電量的影響，結(jié)果表明：回歸方程的擬合度一般。得出光伏板表面溫度每升高1 ℃，發(fā)電量增加0.073 W·h。

(3)運用DPS數(shù)據(jù)分析軟件，采用趨勢面分析的方法分析了光伏板表面溫度和太陽輻照量對發(fā)電量的影響，結(jié)果表明：二次擬合、三次擬合結(jié)果均達(dá)到了顯著水平，圖形總體表現(xiàn)為雙向變化的趨勢，即太陽輻射量的正向變化，光伏板表面溫度負(fù)向變化，且兩級變化趨勢明顯，中間變化趨勢平緩。

(4)此次試驗的研究依托太陽能光伏一體化材料試驗臺，很多材料并不齊全，這里只對多晶硅光伏板進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析，并沒有分析單晶硅、薄膜組件等其他光伏材料。且該研究主要是以光伏板表面溫度、輻照、環(huán)境溫濕度及室外風(fēng)速為指標(biāo)進(jìn)行分析研究，并沒有考慮光伏板的陰影效應(yīng)、弱光效應(yīng)、光伏板灰塵損失及其他影響，同時在數(shù)據(jù)采集的過程中，也存在諸多問題，所以還需要對試驗臺進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，對試驗方法及對象進(jìn)行優(yōu)化，這樣才能更好開展后續(xù)更深層次的研究。