基于10年工作期光伏组件发电状况的研究

刘　婕，鞠振河，郭琳琳

(沈阳工程学院 电气学院，辽宁 沈阳 110136)



基于10年工作期光伏组件发电状况的研究

刘婕，鞠振河，郭琳琳

(沈阳工程学院 电气学院，辽宁 沈阳 110136)

摘要：在有限常规资源和环境破坏的双重压力下光伏发电得到了快速发展。自2004年以来，中国光伏累计装机量已经超过20 GW。大量的光伏组件常年暴露在复杂环境下，伴随时间的推移，光伏组件发电状况在不断变化。以2004年安装使用的多晶硅太阳能组件为研究对象，通过对同规格、10年期新旧组件实际测试与分析，对比组件技术规程，得出了多晶硅光伏组件在使用过程中出现的10年期衰减程度。对我国在用的和即将大量投入使用的光伏组件如何控制质量提出了建设性的指导意见。分析了导致组件老化的原因，提出降低组件功率衰减的改进方案。

关键词：光伏发电；光伏组件；功率衰减

太阳能光伏发电是利用光伏电池组件(俗称太阳能光伏板)将太阳能辐射能量转换成电能的直接发电形式。而对于光伏电池板大多数制造商按照国标向客户保证的是产品的使用年限为25年，使用20年的光伏组件衰减不超过20%，使用10年的光伏组件衰减不超过10%，组件供应商通常会在光伏组件销售合同里注明上述指标。而对于已用10年的光伏电池板的衰减到底达到何种程度不得而知，因此以用10年的光伏组件为研究对象，通过大量的实验测试数据对使用10年的光伏组件的衰减情况进行评估。

1多晶硅光伏组件的简介

多晶硅光伏组件如图1所示,是由玻璃、EVA、电池片、背板、铝边框、接线盒、硅胶等主材，按照一定的生产工艺进行封装，在一定的光照条件下达到一定输出功率和输出电压的光伏器件。

光伏组件的背板位于电池背面的最外层，是光伏电池的重要组成部分，不仅起到封装的作用，同时还起到保证光伏电池不受到环境影响的作用，确保光伏电池的使用寿命[3]。

图1　多晶硅光伏组件的结构

2测量过程

2.1研究对象选择

以2004年安装在沈阳工程学院沈北新校区的34套太阳能路灯的45 W的多晶硅太阳能光伏电池组件为研究对象。

它的标称参数为

1)最大功率：45 W。

2)开路电压：21.6 V。

3)短路电流：2.88 A。

4)最大功率点电压：17.2 V。

5)最大功率点电流：2.63 A。

6)外形尺寸为610 mm×540 mm×25 mm。

2.2方位选择

考虑室外测量常会受到自然条件的影响，为保证在自然条件下光伏组件技术数据测量的准确性，实验场地的建筑物与树木较少。为了实验的便捷性，将此实验设在了沈阳工程学院沈北新校区的太阳能房附近，用太阳能眼测试了当地的透光率，并找到了了五月份透光率比较好的位置，测试结果如图2所示。

图2　实验场所透光率测试图

由图2可知本实验的测试点地理条件：北纬41.9°，东经123.4°，年平均透光率为93%，五月份的透光率为91%。

3测量方法

3.1测量电路的设计

此实验是要测试已用10年的太阳能电池板和同时期同批号同规格的新的电池板的发电量，并比较数据查看旧板子功率衰减情况。为了避免旧板子的特殊性以及损坏对实验带来影响，选取了2块旧板子并命名为A板和B板，新板子为C板。由于旧板子长期处于室外发电，上面布满了灰尘，而新板子是无灰尘的。为了考虑实验对象条件的同等性，先将旧板子的灰尘擦去，使新旧板子表面的清洁度一样。然后连接电路进行测试。测量所用的仪器为：电流表、电压表、功率表、电位器、实验台、连接线。

3.1.1电压和电流测量电路

图3接法为四端接法，其中r为接触电阻(含电缆电阻)。电路特点是电压和电流的测量采用分开的端子。由图可见，流过电压表的电流非常少，故接触电阻(含电缆电阻)所产生的压降可以忽略不计，从而可正确的测出光伏电池的电压和电流。

3.1.2功率测量电路

图3　光伏电池电压、电流的测量电路

图4　功率测量电路

图4中p为光伏电池，U为功率表，本实验中选用功率表的150 V电压档，2 A电流档，可以测量的最大功率为150×2×0.2=60 W而光伏电池的最大功率为45 W<60 W，此种连接方式满足实验需求。

3.2实物电路

图5为实物电路图，其中左边为新板,右边为同样规格的已用10年的旧板。

图5　实物电路

4数据测量结果与分析

光伏电池的特性一般包括光伏电池的输入输出(伏安特性)、照度特性以及温度特性[4-5]。实验只研究伏安特性和照度特性来观察新旧板子的差异。

第一组数据：A板、B板、C板在标准条件下测得开路电压与短路电流，测量数据如表1所示。

表1　标准情况下的开路电压与短路电流

第二组数据：C板(新)与A板(旧)和B板(旧)的伏安特性曲线以及功率-电压曲线，如图6、7、8、9所示。

图6　C板与A板的伏安特性曲线

图7　C板与B板的伏安特性曲线

图8　C板与A板的电压-功率曲线

图9　C板与B板的电压-功率曲线

通过曲线可以知道同电压情况下旧板子的电流明显减少了很多，转换效率比较低。同电压时旧板子的功率也衰减不少。

第三组实验新旧板子在不同辐射量下的发电量以及电压电流值实验数据如表2和表3。

衰减公式为(新板功率-旧板功率)/新板功率，故此组数据中为(PC-PA)/PC，和新板子(C板)相比已用10年的旧板子(A板)的平均衰减为28%。由图表可知相同辐射量下不同负载时旧板子衰减程度也有所不同。

功率衰减为(PC-PB)/PC，和新板子(C板)相比已用10年的旧板子(B板)的平均衰减为22.26%。

表2　负载为12欧时A板与C板在不同辐射量下电压、电流、功率

表3　负载为10欧时A板与C板在不同辐射量下电压、电流、功率

表4　B板与C板在不同辐射量下的电压、电流、功率

5结论

通过对比分析实验结果得出在相同条件下和新板相比使用10年的旧板的发电功率衰减了25%左右。衰减原因为：

1)老化衰减主要由组件材料老化所致，因此可以选用耐紫外线功能较强的EVA和背板材料，可以有效降低组件的功率衰减程度。

2)热斑的出现，如图10所示。

图10　带有热斑的已用10年的太阳能电池板

电池组件在阳光照射下，由于部分组件受到遮挡无法工作，使得被遮盖的部分升温远远大于未被遮盖部分，致使温度过高出现烧坏的暗斑。对于内部未带旁路二极管的光伏组件在使用时外部电路中要加上，并且应保持组件表面清洁，及时清理组件表面的遮挡物。

参考文献

[1]鞠振河.太阳能光伏照明技术规程[S].沈阳：辽宁科学技术出版社，2009.

[2]鞠振河.太阳能光伏与建筑一体化技术规程[S].沈阳：辽宁科学技术出版社，2010.

[3]张传吉,戴建民,成三弟.太阳能电池背板的现状和发展趋势,[J].北京：电力与能源，2012，2(4)：177-180.

[4]Akbaba M,Alattawi M A A.A New Model for I-V Characteristic of Solar Cell Generators and Its Application[J].Solar Energy materials and Solar Cells，2005，37(2)：123-132.

[5]冯垛生.太阳能电池输出特性的分析及检测[J].新能源杂志，2000,22(22):1820-1824.

(责任编辑佟金锴校对张凯)

Research on power generation based on 10-year photovoltaic modules

LIU Jie,JU Zhen-he,GUO Lin-lin

(School of Electric Power,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province)

Abstract：Under stress of limited conventional resources and damaged environment,photovoltaic generation developed increasingly.Since 2004,Chinese cumulative installed capacity of PV module had reached more than 20 GW.With time going by,power generation of PV module had changed greatly as exposed in complex environment throughout the years.By contrast the polycrystalline silicon solar panels installed in 2004 with the new ones,and considering the PV module technical regulation,we derived how much the photovoltaic module used for ten years has been degraded.We put forward constructive and practical advices to the quality control of PV module which are being used and will be used.Finally,we analyzed the cause of degradation and suggested the improved scheme to reduce the power degradation of PV module.

Key words：photovoltaic power generation;photovoltaic modules;power degradation

DOI：10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.01.005

通讯作者：刘青(1965-)，女，湖北宜昌人，副教授，硕士。

作者简介：杜鹏飞(1965-)，男，陕西榆林人，工程师。

基金项目：科技部国际合作项目(2011DFA60390)

收稿日期：2014-11-05

中图分类号：TM615

文献标识码：A

文章编号：1673-1603(2015)01-0014-05