李鐵成，曾四鳴，孟 良，劉志賓

(1.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院,河北石家莊 050000；2.北華航天工業(yè)學(xué)院，河北廊坊 065000；3.河北省電動(dòng)汽車充換電技術(shù)創(chuàng)新中心(籌)，河北廊坊 065000)

隨著光伏技術(shù)的發(fā)展，光伏發(fā)電的成本呈下降的良性循環(huán)，有機(jī)太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率持續(xù)提高[1]。自2015 年以來(lái)，包括異質(zhì)結(jié)本征薄層(heterojunction with intrinsic thinlayer，HiT)光伏技術(shù)支撐[2]的基于硅的太陽(yáng)電池技術(shù)已在太陽(yáng)能市場(chǎng)上占據(jù)了90%以上的份額。PV 衰減會(huì)逐漸影響面板組件的特性并最終限制其性能，導(dǎo)致發(fā)電量會(huì)越來(lái)越低[3]。前人基于配電網(wǎng)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)模型對(duì)發(fā)電性能進(jìn)行評(píng)估[4]，精確的光伏發(fā)電預(yù)測(cè)是減少光電并網(wǎng)沖擊的有效解決方法[5]，例如基于光伏全局出力估計(jì)的分布式光伏國(guó)-省-地一體化信息建模方法，采用超短期功率預(yù)測(cè)的分布式光伏集群有功協(xié)調(diào)控制策略，分析光伏陣列的輸出特性[6]。用于分布式發(fā)電(DG)規(guī)劃的兩階段優(yōu)化方法[7]和新的最優(yōu)調(diào)度模式[8]，運(yùn)用模糊理論、云模型及層次分析法和熵權(quán)法建立光伏組件健康狀況評(píng)估模型[9]，通過(guò)定量評(píng)估不同光伏滲透率可獲得對(duì)配電網(wǎng)電壓質(zhì)量的影響[10]。根據(jù)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室研究數(shù)據(jù)，電池的衰減率每年可能高達(dá)4%，而平均衰減率預(yù)計(jì)為每年0.8%[11]。其中，環(huán)境濕度對(duì)性能衰減的影響最為明顯，太陽(yáng)輻照對(duì)性能衰減的影響最小[12]。

氣候條件對(duì)硅基光伏面板和薄膜技術(shù)的性能影響很大[13]，包括溫度、濕度、紫外線(UV)暴露和結(jié)構(gòu)破壞等因素[14]，尤其太陽(yáng)電池表面的污物或灰塵積聚會(huì)導(dǎo)致光伏組件的性能顯著下降[15]。光伏板表面增加水膜后，其輸出功率可提升9.6%～12.9%[16]。強(qiáng)烈的太陽(yáng)輻射和嚴(yán)酷的溫度會(huì)加速暴露于這種操作條件下的光伏面板的衰減速度[17]。在電池層，衰減機(jī)制包括由于材料老化、腐蝕、電池與電池觸點(diǎn)之間的粘附力喪失、pn 結(jié)的金屬衰減、涂層變質(zhì)和減反射而導(dǎo)致的性能逐漸下降。在模塊層，由于電池開(kāi)裂、脫層失效、電池的失效機(jī)制、互連故障、密封劑[18]和旁路二極管故障可能會(huì)導(dǎo)致性能下降。相關(guān)研究包括在半干旱氣候條件下對(duì)薄膜和多晶硅的衰減研究[19]，表征長(zhǎng)期室外暴露下p-Si 的衰減[20]，基于晶硅、異質(zhì)結(jié)本征薄層(HiT)、微晶型和二硒化銦鎵銅(CIGS)四種不同光伏系統(tǒng)的衰減研究[21]。針對(duì)薄膜光電流密度較小，研究極化現(xiàn)象導(dǎo)致的光伏性能衰減問(wèn)題[21]，并基于隨機(jī)過(guò)程理論實(shí)現(xiàn)光伏單元的可靠性評(píng)估與壽命預(yù)計(jì)[22]。

光伏面板的衰減可以按其痕跡、機(jī)理和類型進(jìn)行分類。為了分析溫度對(duì)全球光伏裝置性能和衰減的影響，Ogbomo等[23]研究了溫度對(duì)結(jié)晶硅型光伏組件衰減的影響，該研究的溫度范圍為25～45 ℃。在ANSYS 仿真環(huán)境中，以1 ℃為步長(zhǎng)在25～120 ℃之間對(duì)電池溫度進(jìn)行了仿真，該模型預(yù)測(cè)組件壽命為18.5 年。該模型還針對(duì)炎熱氣候條件進(jìn)行了增強(qiáng)的熱機(jī)械設(shè)計(jì)，與溫和的氣候條件相比，這些光伏面板的衰減率更高。Subramanian 等專注于光伏面板的電力衰減，提出了一種定量實(shí)驗(yàn)值的驗(yàn)證方法[24]。Chandel 等[25]對(duì)室外運(yùn)行28 年的單晶硅光伏面板進(jìn)行了衰減分析，發(fā)現(xiàn)平均功率衰減每年以1.4%的速度增長(zhǎng)，而開(kāi)路電壓以每年2.8%的平均速度增長(zhǎng)。

本文基于特定區(qū)域的問(wèn)題展開(kāi)，但研究結(jié)果有助于分析世界范圍內(nèi)類似氣候條件下光伏面板的長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性。在中國(guó)保定西部的氣候條件下，對(duì)屋頂兩種不同光伏技術(shù)的衰減率進(jìn)行對(duì)比研究，研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)周期為2018 年1 月至2020 年7 月。工作的主要目標(biāo)是對(duì)多晶硅(poly-crystalline silicon，p-Si)和異質(zhì)結(jié)本征薄層(heterojunction intrinsic thin layer，HiT)型PV 單元進(jìn)行隨溫度變化的衰減分析，并比較衰減率以確定長(zhǎng)期的電氣性能。因此，研究方法有助于量化中國(guó)中原氣候條件下光伏技術(shù)的衰減率，得出具有普適性的性能特征。

1 光伏陣列衰減率理論分析

1.1 光伏系統(tǒng)簡(jiǎn)述

并網(wǎng)光伏陣列的總功率為48 kW(24 kW 的p-Si 和24 kW的HiT)，分 別由96 個(gè)250 W 多晶硅和74 個(gè)325 W HiT PV 面板組成。光伏系統(tǒng)安裝在室外的屋頂上，見(jiàn)圖1。電池片正下方背板貼上熱電偶連接至數(shù)字溫度傳感器DS18B20，具有防水和溫度采集功能。

圖1 屋頂光伏組件溫度測(cè)試示意圖

中國(guó)保定地處中部平原，地理位置為北緯38°10'～40°00'，東經(jīng)113°40′～116°20′，在海拔1 000 m 左右的地區(qū)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。該城市每年的太陽(yáng)輻射產(chǎn)電量約為1 650～1 700 kWh/m2。表1為平均輻射、環(huán)境溫度、風(fēng)速和相對(duì)濕度等數(shù)據(jù)。

表1 中國(guó)保定西部氣象參數(shù)年平均值

該系統(tǒng)總共由六個(gè)陣列組成，多晶和HiT PV 單元各包含三個(gè)陣列。光伏組件以30°的固定傾角安裝，并朝南支撐。光伏裝置的技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。光伏系統(tǒng)的每個(gè)陣列使用最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)。該設(shè)施采用與數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)鏈接的氣象儀器，氣象參數(shù)包括平面輻照度、環(huán)境溫度和模塊溫度。電氣參數(shù)包括電壓、電流和DCAC 側(cè)輸出。兩種參數(shù)每10 min 收集一次。

表2 光伏單元的技術(shù)指標(biāo)

1.2 性能評(píng)估與衰減率

為分析光伏組件的輸出功率特性，對(duì)其有效峰值功率P*M進(jìn)行評(píng)估，進(jìn)而獲取光伏組件的衰減率。P*M的估算值可表示為[2]：

式中：PDC為PV 單元的直流輸出功率；G和G*分別為實(shí)際輻照度和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的輻照度；Tf為導(dǎo)熱系數(shù)，可以表示為[2]：

式中：δ 為表2 中PV 測(cè)試單元的功率溫度系數(shù)；tm為光伏組件溫度；t*m為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的光伏組件溫度。對(duì)P*M進(jìn)行線性最小二乘擬合法獲得單位PV 的衰減率RD(%/年)[2]，可表示為：

式中：b為P*M趨勢(shì)線的斜率，W/月；a為P*M的趨勢(shì)線的截距，W。

1.3 填充因子

可實(shí)現(xiàn)的PV 最大功率與開(kāi)路電壓和短路電流乘積的比值定義為光伏的填充因子[2]。

式中：Vm、Im分別為最大功率的電壓和電流；VOC和ISC為PV 單元的開(kāi)路電壓和短路電流值，見(jiàn)表2。關(guān)于溫度對(duì)輸出電壓的影響，p-Si 是HiT 的兩倍，但p-Si 型PV 裝置的開(kāi)路電壓為37.8 V，而HiT 型在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的開(kāi)路電壓為69.9 V。

1.4 性能比與溫度損耗

基于標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件來(lái)研究光伏組件衰減，采用溫度校正的性能比預(yù)測(cè)所有PV 類型的衰減率。PV 單元的性能比PR可如下表示[2]：

式中：Yr為參考產(chǎn)量；Y為光伏陣列輸出，表示PV 單元以額定功率運(yùn)行。它的特點(diǎn)是：

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,電能的需求日益增長(zhǎng),輸電塔-線體系作為電能輸送的關(guān)鍵部件,其安全可靠運(yùn)行的重要性不言而喻.輸電塔-線體系是由高柔的桿塔結(jié)構(gòu)和導(dǎo)地線連接組成的一種高耦合結(jié)構(gòu),在風(fēng)雪載荷、覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)等影響下,整個(gè)系統(tǒng)會(huì)發(fā)生不同程度的振動(dòng)[1],因此,分析鐵塔及塔-線體系耦合的振動(dòng)特性對(duì)輸電塔線-體系可靠運(yùn)行有重要意義.

式中：E為能量輸出；為在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下測(cè)得的最大功率。參考產(chǎn)量Yr可表示為：

式中：τ為數(shù)據(jù)收集的時(shí)間段。

溫度是影響光伏裝置發(fā)電量的關(guān)鍵因素之一。因此，為計(jì)算溫度校正性能比PRcorr，首先通過(guò)式(8)計(jì)算經(jīng)過(guò)溫度校正的能量輸出Ecorr[2]，表示標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的能量輸出與校正系數(shù)的乘積。

經(jīng)溫度校正后的陣列輸出Ycorr由式(9)給出：

溫度校正后的性能比PRcorr表示為：

溫度損失表明PV 陣列效率下降，可由式(11)得出：

式中：LT為由溫度引起的損失，是無(wú)量綱，代表了溫度效應(yīng)造成的光伏輸出能量的損失部分。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2 光伏組件的溫度曲線

由圖2 可見(jiàn)，p-Si 型光伏組件的模塊溫度比HiT 單元略高，但在整個(gè)測(cè)試期間未檢測(cè)到高溫差。圖3 展示了p-Si 和HiT 型PV 單元的P*M的變化曲線。根據(jù)性能評(píng)估和降級(jí)率方法計(jì)算每月所得平均值。HiT 的P*M值沒(méi)有體現(xiàn)出明顯的降低，在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中減小了0.05%。相反，在同一過(guò)程中，p-Si 的有效值功率下降高達(dá)1%。

圖3 P＊M的變化曲線

同樣，RD基于公式(3)和(4)進(jìn)行估算，所得結(jié)果與圖2 中所示的P*M值曲線相符，其結(jié)果由表3 所示。可見(jiàn)，p-Si 的RD值最高為0.65%，而HiT 的RD值僅為0.18%。

表3 檢測(cè)光伏技術(shù)的衰減率

圖4 為基于MPP 和平均模塊溫度對(duì)應(yīng)的月平均輸出電壓曲線，其輸出電壓的發(fā)展趨勢(shì)受季節(jié)性變化溫度曲線的影響。因此，最大輸出電壓值與所記錄模塊溫度的最小值相交，而在最大溫度曲線上觀察到最小輸出電壓值。

圖4 光伏裝置的月平均輸出電壓

為驗(yàn)證PV 組件的季節(jié)性變化，根據(jù)監(jiān)測(cè)的輻照度分布，測(cè)試了MPP 處每個(gè)PV 陣列的輸出電流偏差，如圖5 所示。值得注意的是，這主要是由于輻照度曲線的變化，而且還因?yàn)檩椪斩鹊淖兓墉h(huán)境溫度偏差的影響。由圖5 可見(jiàn)，p-Si單元的變化更明顯，其溫度系數(shù)大約是HiT 單元的兩倍(溫度系數(shù)值見(jiàn)表2)。

圖5 光伏組件的月平均輸出電流以及所監(jiān)測(cè)的輻照度曲線

圖6 為在監(jiān)測(cè)活動(dòng)期間填充因子FF的月平均值的變化。從圖中可以清楚地看出，在整個(gè)測(cè)試期間，HiT 單元的FF值略高于p-Si 的FF值。季節(jié)性偏差顯然對(duì)p-Si 的影響大于HiT。同樣在監(jiān)測(cè)期間，HiT 的FF值大部分監(jiān)測(cè)區(qū)間較高，并且在整個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)保持相同的趨勢(shì)。

圖6 PV單元的填充因子變化

圖7 為在一段時(shí)間內(nèi)兩種光伏技術(shù)的PR值的對(duì)比曲線。當(dāng)檢測(cè)到PR下降時(shí)，HiT 型PV 組件的PR值較高，p-Si 型PV 組件的PR值較低。

圖7 月平均PR值

根據(jù)第1.4 節(jié)所述的公式計(jì)算出的溫度校正性能比PRcorr，如圖8 所示。對(duì)PRcorr的提取趨勢(shì)進(jìn)行線性最小二乘擬合法也可以獲得年平均RD值。表4 中列出了兩種類型PV 組件的數(shù)據(jù)?？梢钥闯觯ㄟ^(guò)PRcorr計(jì)算的RD值略大于基于P*M計(jì)算的RD值。然而，需要指出的是，該值與表3 中給出的值對(duì)比結(jié)果相一致，p-Si型PV 組件的RD值比HiT 型PV 組件高。

圖8 月平均PRcorr

表4 基于PRcorr 分析的光伏陣列衰減率

在以往的研究中，溫度損失是光伏系統(tǒng)功率損失的決定性因素。對(duì)于本研究中，兩種類型的溫度損失是基于第1.4節(jié)中的公式(11)計(jì)算得出，結(jié)果如圖9 所示。p-Si 型PV 組件與溫度相關(guān)的功率損耗較高。兩種技術(shù)的結(jié)果也符合表2 中給出的溫度系數(shù)。

圖9 溫度損失

3 結(jié)論

基于中國(guó)保定西部地區(qū)天氣條件，對(duì)多晶硅(p-Si)和具有固有薄層(HiT)光伏組件的異質(zhì)結(jié)進(jìn)行性能評(píng)估和衰減評(píng)估。光伏組件安裝在干燥，陽(yáng)光充足的內(nèi)陸地區(qū)，并在2018 年1月至2020 年7 月之間進(jìn)行了兩年半的監(jiān)控。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)基于PR值分析揭示了衰減性能和季節(jié)偏差，得出HiT型PV 組件的PR值略高于p-Si 型PV 組件PR值。功率輸出的降低程度可參考短路電流損耗(ISC)或填充因數(shù)(FF)的下降程度。

(2)通過(guò)分析有效峰值功率P*M 和溫度校正的性能比PRcorr，可以確定PV 組件的衰減率RD。結(jié)果顯示，HiT 型PV 組件的性能更好，其P*M和PRcorr的年均值分別接近0.1%。而p-Si型PV 面板的RD值在0.67%至0.83%范圍內(nèi)。

(3)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期中，HiT 型PV 面板的FF值均高于p-Si。同時(shí)，觀察到季節(jié)變化對(duì)p-Si型PV 裝置的影響更大。

根據(jù)以上分析結(jié)果，得出HiT 型PV 組件在相同測(cè)試條件下的電氣性能較好，且衰減率較低。該研究為不同類型PV組件電氣性能和衰減率提供了一種有效的分析方法。