不同技术类型光伏组件的户外发电性能及衰减分析

张 凯，黄嘉培，韩会丽，黄健华，梁婉婷，沈大鹏，沈 辉, ，刘仁生

(1.顺德中山大学太阳能研究院，佛山 528311；2.中山大学，广州 510275)

0 引言

光伏组件的性能及长期可靠性是确保光伏发电系统发电量及光伏电站收益的关键因素。光伏组件在户外实际运行条件下的性能表现与其在实验室标准测试条件下的性能表现可能存在较大差别。光伏组件的输出功率与长期可靠性在很大程度上取决于其所在地的气候环境，以及其制造工艺和材料特性；光伏组件发电性能衰减的趋势因技术的不同而不同，而且即使采用同一技术但不同制造商生产的光伏组件之间也会存在性能差异。光伏组件在户外实际运行条件下，会受到太阳辐照度、环境温度、相对湿度、灰尘等环境因子的影响；这些参数的影响使对不同技术类型光伏组件的发电性能进行预测存在很大的不确定度，导致准确评估长期户外运行的光伏组件的性能具有很大的难度[1-3]。因此，研究光伏组件在户外实际运行条件下的性能表现及长期可靠性至关重要。

通常，光伏组件的发电性能衰减并不是在短时间内一次性产生的，而是随着时间的推移逐渐产生的[4]。根据文献[5]的报道，常规晶体硅光伏组件的年功率衰减率平均为0.8%～0.9%，年功率衰减率中位值为0.5%～0.6%；异质结(HIT)光伏组件的年功率衰减幅度较小；碲化镉(CdTe)薄膜光伏组件的年功率衰减率相对较高。

随着光伏发电技术的不断发展，太阳电池及光伏组件的光电转换效率不断提升，HIT 光伏组件等高效光伏组件的市场份额逐步提高，但目前对该类高效光伏组件长期性能表现的研究及报道相对较少；其次，不同气候条件下光伏组件的功率衰减率具有很大差异。因此，光伏产业界和科学界需要更多的实证数据，来分析光伏组件在不同气候条件下长期户外实际运行后的发电性能衰减情况及其可靠性。

本文以在广东省顺德地区(属于亚热带季风气候)运行的HIT 光伏组件、铜铟镓硒(CIGS)薄膜光伏组件、CdTe 薄膜光伏组件这3 种不同技术类型的光伏组件为研究对象，通过组件室内I-V特性测试和户外实际发电性能测量，对这3种光伏组件的发电性能衰减进行了定量分析，并对比了3 种光伏组件实证系统在该气候条件下的户外发电性能差异及能效损失。

1 实验方法

1.1 光伏组件信息

本次研究的光伏组件类型包括HIT 光伏组件、CIGS 薄膜光伏组件、CdTe 薄膜光伏组件。这3 种不同技术类型的光伏组件的铭牌标称参数如表1 所示。

1.2 户外测试平台介绍

3 种光伏组件最初于2008 年1 月安装在位于广州省广州市的中山大学广州校区东校园(23.17°N、113.23° E)工学院的楼顶(作为户外测试平台)，该地区属于亚热带季风气候；该户外测试平台中所有光伏组件采用架空层安装方式，安装倾角均为20°，正向朝南，周围无阴影遮挡；光伏组件均为低压并网运行。

2018 年12 月，这些光伏组件被拆除，然后重新安装于广东省佛山市顺德区北滘镇(22.90°N、113.20° E)的广东工业设计城楼顶，该地区同样属于亚热带季风气候；所有光伏组件的安装方式由原来的架空层安装改为地面安装，安装倾角均为17°，方位角为南偏东3°，周围无阴影遮挡；组件均为低压并网运行。在重新安装的过程中，由于部分光伏组件存在损坏情况，因此这些损坏的光伏组件未接入新的户外测试平台中的光伏组件实证系统。图1、图2 分别为初始安装时及重新安装后3 种光伏组件实证系统的整体外观，表2 为初始安装时及重新安装后3 种光伏组件实证系统的详细配置。

图1 初始安装时3 种光伏组件实证系统的整体外观Fig.1 Overall view of three types of PV modules demonstration systems at initial installation

图2 重新安装后的3 种光伏组件实证系统的整体外观Fig.2 Overall view of three types of PV modules demonstration systems after reinstallation

顺德区北滘镇的光伏组件户外测试平台主要由光伏组件实证系统、气象监测系统和智能光伏监控系统3 个子系统构成。

气象监测系统采用荷兰Kipp &Zonen 公司的产品，如图3 所示，主要用于光伏组件倾斜面接收的太阳辐照度、环境温度、相对湿度、大气压、降雨量、风速、风向等气象信息的监测；气象监测系统的总辐射表为CMP 21(次基准级)，数据采集器为美国Campbell 公司生产的CR1000型号数据采集器。

表2 初始安装时及重新安装后3 种光伏组件实证系统的详细配置Table 2 Detailed configuration of three types of PV modules demonstration systems at initial installation and after reinstallation

图3 气象监测系统Fig.3 Meteorological monitoring system

光伏组件实证系统的实际发电数据及气象监测系统的气象数据均由1 套智能光伏监控系统进行采集，数据采集频率为5 min。

1.3 光伏发电系统发电性能的评价指标

光伏发电系统的输出功率在很大程度上取决于系统所在地的太阳辐照度、环境温度等环境因素。因此，在对光伏发电系统的户外发电性能进行评定时，有必要确定具体的特征参照条件(reporting conditions，RC)。本文基于系统能效比(performance ratio，PR)及PVUSA 能效评定2 种方法对3 种光伏组件实证系统的户外发电性能进行分析。

1.3.1PR

根据IEC 61724-1-2017《Photovoltaic system perfomance——Part 1:Monitoring》[6]的定义，PR为光伏发电系统的等价发电时与标准条件下的等价太阳辐照时之比。该定义考虑了太阳辐射的不完全利用(光谱影响)、光伏阵列的温升损失、遮挡损失、光伏组件和光伏阵列的失配损失、关键器件的性能衰减和失效、线路损耗等因素，在一定程度上反映了光伏发电系统的综合性能。

PR的计算公式为：

式中，Yf为光伏发电系统的等价发电时，kWh/kW 或h；Yr为标准条件下的等价太阳辐照时，h。

其中，

式中，E为光伏发电系统的总发电量，kWh；P0为光伏阵列的标称功率，kW；H为光伏阵列倾斜面接收的总太阳辐射量，kWh/m2；G为标准太阳辐照度，取值为1000 W/m2。

1.3.2 PVUSA 能效评定方法

美国太平洋煤气电力公司于1985 年发起了美国公用事业应用光伏(PVUSA)项目[7-8]，该项目对数十种不同容量的光伏组件实证系统进行了持续监测，并提出了一种针对光伏发电系统运行性能评定的方法，即PVUSA 能效评定方法。

PVUSA 能效评定方法是根据光伏组件/光伏发电系统在运行条件下的环境参数(太阳辐照度、环境温度、风速)与其发电功率之间的函数关系建立多元线性回归数学模型[9-10]，拟合计算出光伏组件/光伏发电系统在RC 或PVUSA 测试条件(PVUSA test conditions，PTC；即太阳辐照度1000 W/m2、环境温度20 ℃、风速1 m/s)下的系统发电功率，适用于光伏阵列(直流侧)或光伏发电系统(交流侧)的发电性能评估。PTC 条件下的系统发电功率与系统标称功率之间的差异即为系统的总体能效损失。

PVUSA 能效评定方法的计算公式为：

式中，P为光伏阵列或光伏发电系统的发电功率，kW；IPOA为光伏阵列倾斜面接收的太阳辐照度，W/m2；Ta为环境温度，℃；WS为风速，m/s；A、B、C、D均为回归系数。

2 结果与讨论

2.1 光伏组件的I-V 特性分析

2019 年11 月，在室内AAA 光源的STC(太阳辐照度1000 W/m2、环境温度25 ℃、AM1.5标准光谱)下，分别对在户外实际运行12 年后的HIT 光伏组件、CIGS 薄膜光伏组件、CdTe 薄膜光伏组件进行了I-V特性测试，对3 种光伏组件的发电功率的变化进行了分析，具体如表3 所示，3 种光伏组件的年均功率衰减率箱形图如图4 所示。由于本次实证中采用的这3 种光伏组件的生产时间均较早，光伏组件出厂的原始测试数据无法溯源，所以本文采用这3 种光伏组件各自的铭牌标称参数作为基准参考值。

表3 户外实际运行12 年后，3 种光伏组件的性能参数Table 3 Performance parameters of three types of PV modules after twelve years of outdoor operation

图4 3 种光伏组件的年均功率衰减率箱形图Fig.4 Box chart of annual average power attenuation rate of three types of PV modules

从表3 及图4 可以看出，与光伏组件铭牌标称参数相比，在户外实际运行12 年后，HIT 光伏组件、CIGS 薄膜光伏组件、CdTe 薄膜光伏组件的累计功率衰减率分别为3.88%、10.04%、20.58%，年均功率衰减率分别为0.32%、0.84%、1.72%。比较这3 种光伏组件的年均功率衰减率可以发现，HIT 光伏组件的功率衰减情况最轻，CdTe 薄膜光伏组件的功率衰减情况最为严重。

2.2 光伏组件实证系统的户外发电性能分析

2.2.1 发电量对比

2018 年11 月，3 种光伏组件移装完成且并网后，接入新的智能光伏监控系统；2019 年3 月，CIGS 光伏组件实证系统开始数据采集；2019 年8 月，HIT 光伏组件实证系统和CdTe光伏组件实证系统开始数据采集。因此，选取2019 年8 月～2020 年2 月作为发电量评估时段对3 种光伏组件实证系统的发电量进行横向对比，如图5 所示。图中，柱状图表示此段时间内3 种光伏组件实证系统的日均归一化发电量；折线表示以HIT 光伏组件实证系统的日均发电量为基准，CIGS 光伏组件实证系统的日均发电量与HIT 光伏组件实证系统日均发电量的比值(红色折线)，以及CdTe 光伏组件实证系统的日均发电量与HIT 光伏组件实证系统日均发电量的比值(蓝色折线)。

图5 2019 年8 月～2020 年2 月，3 种光伏组件实证系统的日均归一化发电量及对比情况Fig.5 Daily average normalized power generation and comparison of three types of PV modules demonstration systems during August 2019～February 2020

从图5 可以看出，在该评估时段内，HIT 光伏组件实证系统的日均归一化发电量一直保持最高，CdTe 光伏组件实证系统的日均归一化发电量最低。在评估时段内，3 种光伏组件实证系统的日均发电量差异的最大值出现在8 月，该月HIT 光伏组件实证系统的日均发电量比CIGS光伏组件实证系统的日均发电量高27.29%，比CdTe 光伏组件实证系统的日均发电量高33.80%；3 种光伏组件实证系统的日均发电量差异的最小值出现在11 月，该月HIT 光伏组件实证系统的日均发电量比CIGS 光伏组件实证系统的日均发电量高4.70%，比CdTe 光伏组件实证系统的日均发电量高7.42%。

2.2.2 发电性能评估

在进行发电性能评估前，首先是对现场采集到的数据进行筛选处理及数据质量分析。发电数据及气象数据粒度均为5 min，采用2019 年11月的数据作为样本。

根据户外实证测试平台当时现场的太阳辐照度、环境温度、风速及光伏组件实证系统交流发电功率累计监测数据，得到IPOA=768 W/m2、Ta=26.32 ℃、WS=1 m/s；将这些参数值作为回归分析的RC，确定太阳辐照度的筛选范围为614.40～921.60 W/m2，进而对有效测点的数据进行筛选。根据PVUSA 能效评定方法，这3 种光伏组件实证系统的期望发电功率拟合计算模型如表4所示。

表4 采用PVUSA 能效评定方法时，3 种光伏组件实证系统的期望发电功率拟合计算模型Table 4 Fitting calculation model of expected generation power of three types of PV modules demonstration systems when PVUSA energy efficiency assessment method is adopted

将各计算模型得到的光伏组件实证系统在RC下的期望发电功率修正到PTC 下得到的期望发电功率，具体如表5 所示；然后与系统标称功率相比，计算得到系统的总体能效变化。根据PR计算公式，在相同太阳辐照度筛选条件下，对3 种光伏组件实证系统的小时PR进行计算，并与PVUSA 能效评定结果进行对比，具体如图6 所示。

表5 PVUSA 能效评定结果Table 5 PVUSA energy efficiency assessment results

图6 PR 及PVUSA 能效评定的结果对比Fig.6 Comparison of PR and PVUSA energy efficiency assessment results

从图6 可以看出，由于PVUSA 能效评定结果考虑了环境温度和风速对光伏组件实证系统发电性能的影响，因此其计算结果略高于小时PR的计算结果。

根据PVUSA 能效评定结果，HIT、CIGS、CdTe 3 种光伏组件实证系统累计总体能效损失分别为17.41%、22.40%、30.61%。HIT、CIGS及CdTe 这3 种光伏组件的功率衰减损失在系统能效损失中的占比分别为22.28%、44.82%、67.24%。可以看出，CdTe 薄膜光伏组件功率衰减是造成其系统发电性能损失较大的主要因素。

3 结论

本文对处于亚热带季风气候条件下已实际运行12 年的HIT、CIGS 及CdTe 3 种光伏组件进行了户外发电性能及功率衰减实证分析，得到以下结论：

1)通过对室内STC 条件下光伏组件的I-V特性测试结果进行分析，可以得到已经运行12 年的HIT、CIGS、CdTe 光伏组件的年均功率衰减率分别为0.32%、0.84%、1.72%；其中，HIT 光伏组件的功率衰减情况最轻，CdTe 薄膜光伏组件的功率衰减情况最严重。

2)通过PR及PVUSA 能效评定方法对3 种光伏组件实证系统的发电性能进行分析。2 种方法的计算结果基本一致，均为HIT 光伏组件实证系统的总体能效损失最低，性能表现最好；CdTe薄膜光伏组件功率衰减是造成CdTe 光伏组件实证系统发电性能损失较大的主要因素。

需要说明的是，由于样本量相对较少，且光伏组件性能表现受环境因素的影响较大，因此上述研究结果仅适用于本实证案例。为此，需搜集更多不同气候及运行条件下光伏组件的长期运行实证数据，从而才可以得到对HIT、CIGS、CdTe 这3 种光伏组件实际运行性能更为全面的认识。