积灰与局部阴影对光伏阵列功率衰减的影响

谢毅， 高林朝， 贾兵， 郝庆英， 贺立三， 胡国华

(河南省科学院能源研究所有限公司，河南 郑州 450008)

随着太阳能电池转化效率的提高和光伏组件成本的降低，光伏发电得到了快速发展。据统计，2019年全国新增光伏发电装机3 011万kW，截止到2019年底，全国光伏发电累计并网装机容量2.04亿kW，全年光伏发电量2 242.6亿kW·h[1-2]。近年来，光伏扶贫电站建设进入规模化推广应用阶段，在替代常规电能和实现精准脱贫方面，具有明显的经济社会和生态环境意义[3-5]。在实际工程应用中，影响光伏发电效率的因素有很多，其中光伏组件功率的衰减是影响光伏电站发电效率和年发电量的主要因素之一[6]。光伏组件的功率衰减一方面是组件初始的光致衰减，即光伏组件的输出功率在刚开始使用的最初几天内发生较大幅度的下降，但随后趋于稳定；另一方面是外界环境比如天空中的云层、附近的树木、相邻的建筑物、电池面板的灰尘或积雪等物体的遮挡，会造成组件上光照不均，即产生局部阴影[7-9]。在局部阴影条件下，由于辐照强度的降低导致光伏发电系统的输出功率大大降低，从而对光伏组件功率衰减具有一定的影响[10-12]。光伏扶贫电站大多建设在荒坡丘陵等气候环境比较恶劣的地区，长时间的风沙导致尘土等污浊物遮挡光伏组件，影响光线的透射率，进而影响组件表面接收到的辐射量，并在光伏组件具备形成热斑效应而造成损毁。如果长时间不及时对光伏组件进行清洁，将会大幅度降低光伏电站发电量，不仅不能满足电网的要求，而且还降低了光伏发电系统的利用率[13-17]。

目前,针对灰尘沉积对光伏组件性能的影响研究，大多是通过在室内模拟自然灰尘，研究灰尘沉积对不同封装材料光伏组件性能的影响及受积灰影响发电功率的衰减情况，而对实际的积灰和局部阴影对光伏电站进行现场测试数据分析较少[18-21]。本研究以河南舞阳地区光伏电站项目为例，随机选取了4个不同电站，对同一种型号组件，在环境温度和背板温度及辐照度都相近的情况下，分别研究了光伏电站中积灰、遮挡对光伏组件衰减率的影响，并结合实际电站对组件衰减率的测试具体分析了积灰、遮挡对光伏组件衰减率的影响，为光伏电站后期的运营维护提供依据。

1 光伏电站组件功率衰减率测试

1.1 光伏电站概况与结构参数

本研究以舞阳县2017年12月—2018年3月建设投运的光伏扶贫电站为对象，分别选取舞阳县辛安镇2个光伏电站和北舞渡镇2个光伏电站进行性能测试，地理范围东经113°26′15″～113°31′54″，北纬33°27’19″～33°38′48″。每个电站建设规模均为211.2 kW。并网时间2018年4月，目前运行状态正常，已累计并网发电量分别为辛安镇1号电站384 616 kW·h、2号电站366 859 kW·h，北舞渡镇3号电站373 260 kW·h、4号电站358 896 kW·h。当地太阳能年总辐射为4 800 MJ(m2·a)-1，年平均气温为14.6 ℃，最冷的1月份平均气温0.7 ℃，最热的7月份平均气温27.4 ℃。年平均降水量836.6 mm，平均日照2 198 h，无霜期220 d。单个电站具体配置参数如下：太阳能电池板选用HR-320P-24/Ba多晶硅光伏组件，共计660组，总装机211.2 kW。光伏方阵朝向正南，安装倾角28°；并网逆变器规格型号为KSG-60K3台；KSG-33K-TL1台；4台逆变器分散布置在组件方阵下方，9组或6组光伏方阵串联接入并网逆变器；2台交流汇流箱规格型为三进一出和两进一出2种型号。采用的太阳能电池组件和并网逆变器技术参数分别如表1、表2所示。

表1 太阳能电池组件技术参数Table 1 Technical parameters of solar cell module

表2 并网逆变器技术参数Table 2 Technical parameters of grid connected inverter

1.2 测试仪器

锦州阳光生产的太阳辐射测量TMR-ZS1A气象生态环境监测仪，太阳辐射值测试精度±5%，分辨率1 W·m-2，测温精度±0.1 ℃，显示分度0.1 ℃；苏州诺威特测控科技有限公司生产的光伏组件功率衰减采用PV900便携式太阳能I-V测试仪，最大功率测试范围50 W～10 kW，最大功率测试重复性±1%，转换到STC下最大功率准确性±5%，电压测试精度0.1 V，电流测试精度0.001 A，温度测试精度±1 ℃，辐照度测试范围0～1 800 W·m-2，测试精度>±3%；广州市宏城集业电子科技有限公司生产的HT304手持式激光测距仪；深圳市胜利高电子科技有限公司生产的UT243钳形谐波功率计、UT204数字钳形万用表；苏州诺威特测控科技有限公司生产的红外相机温度扫描仪。

1.3 测试方法

光伏组件的功率衰减，一方面是组件初始的光致衰减，即由于光伏组件的材料工艺结构导致的输出功率在刚开始使用的最初几天内发生较大幅度的下降；另一方面是由于外界环境造成的积灰或局部阴影造成组件上光照不均，导致光伏发电系统的输出功率降低并容易因热斑效应而损毁[22-24]。待测试现场光强度超过700 W·m-2时检测组件的I-V曲线，并与基准组件初始值比较，得到准确的光伏组件功率衰减率。光伏组件功率衰减率是光伏组件初始STC标称功率与评估时实测修正STC标称功率之差与光伏组件初始STC标称功率的比值，用百分比表示[25]。初始功率一般采用光伏组件的标称功率。计算公式为

(1)

式中：P初始STC为光伏组件的标称功率，W；P修正STC为现场实际测试功率修正到标准工况下的功率，W。

为了全面考察其功率衰减及发电量情况，2019年10月，分别选定4个光伏电站作为4种工况条件进行测试，每种工况下随机抽检多晶硅太阳能电池组件(功率为320 W)各1组，每组20块组件，共计80块光伏组件。测试当天其气象条件保持相近，环境温度为18～28 ℃，组件背板温度为30～45 ℃，辐照度为700～900 W·m-2。并分别对并网逆变器和光伏组件状态参数进行监测，记录了发电功率、日发电量及直流输入与交流输出电压、电流、频率等。系统启闭每日采用人工调节方法。所有现场太阳辐射值、环境温度、风速值等瞬时自动记录存储数据；光伏组件表面和背板温度采用远红外相机配合PV900测试仪自动记录存储数据；逆变器和汇流箱的功率、电压、电流、频率等运行参数对应瞬时值人工读取记录；测试方法参照(晶体硅光伏方阵I-V特性的现场测量)GB/T 18210—2000和(并网光伏电站性能检测与质量评估技术规范)CNCA/CTS0016—2015，以及(Grid connected photovoltaic systems-Minimum requirements for system documentation, commissioning tests and inspection) IEC 62446-2009.

在测试过程中选定4个电站，分别研究了4种工况下对光伏组件功率衰减及电站发电量的影响。具体测试工况见表3所示。

表3 测试工况Table 3 Several different testing cases

2 测试结果与分析

2.1 无积灰无遮挡光伏组件功率衰减分析

从工况1的电站中抽取1组(20块)光伏组件，测试时间为2019年10月23日10:30—10:50，太阳辐射强度为720～750 W·m-2，环境温度为19.2～20.1 ℃，组件背板温度为30.4～34.2 ℃。测试选定20块HR-320P-24/Ba多晶硅光伏组件I-V曲线，同时记录光强和组件温度，实测功率修正到STC条件，同标称功率比较，得到组件功率衰减率。实测数据计算结果如图1所示。

图1 无积灰无遮挡阴影光伏组件功率衰减测试曲线

由图1可以看出，工况1条件下，光伏组件最大功率衰减率为2.7%，最小功率衰减率为0.4%， 20块组件平均衰减率分别为1.8%。电站运行时间为2年，基本符合《光伏制造行业规范条件(2015年)》对多晶(单晶)组件首年功率衰减≤2.5%(3.0%)，后续每年衰减在前一年的基础上增加0.7%的规范要求。满足光伏电站正常运行状态。

2.2 无积灰有遮挡光伏组件功率衰减分析

从工况2的电站中抽取1组(20块)光伏组件，测试时间为2019年10月23日10:50—11:10，太阳辐射强度为750～785 W·m-2，环境温度为20.3～22.3 ℃，组件背板温度为34.6～38.1 ℃。测试选定20块HR-320P-24/Ba多晶硅光伏组件I-V曲线，同时记录光强和组件温度，实测功率修正到STC条件，同标称功率比较，得到组件功率衰减率。实测结果如图2所示。

图2 无积灰有遮挡阴影光伏组件功率衰减测试曲线

由图2可以看出，工况2条件下，光伏组件最大功率衰减率为14.3%，最小功率衰减率为7.2%，平均衰减率为10.5%。电站运行时间为2年，远大于《光伏制造行业规范条件(2015年)》对多晶(单晶)组件首年功率衰减≤2.5%(3.0%)，后续每年衰减在前一年的基础上增加0.7%的规范要求。比规范要求的第二年衰减率不大于3.2%的技术要求高出2.28倍。说明遮阴对组件功率衰减有明显影响。这是因为局部遮阴造成组件出现热斑效应，严重情况会使光伏组件出现损毁，故电站在选址建设时应尽量避开树木或建筑物。

2.3 有积灰无遮挡光伏组件功率衰减分析

从工况3电站中抽取1组(20块)光伏组件，测试时间为2019年10月23日11:10—11:30，太阳辐射强度为788～832 W·m-2，环境温度为22.5～24.7 ℃，组件背板温度为38.3～40.8 ℃。测试选定20块HR-320P-24/Ba多晶硅光伏组件I-V曲线，同时记录光强和组件温度，实测功率修正到STC条件，同标称功率比较，得到组件功率衰减率。实测结果如图3所示。

图3 有积灰无遮挡阴影光伏组件功率衰减测试曲线

由图3可以看出，工况3条件下，光伏组件最大衰减率为5.2%，最小衰减率为3.1%，组件平均衰减率为4.0%。电站运行时间为2年，超出符合《光伏制造行业规范条件(2015年)》对多晶(单晶)组件首年功率衰减≤2.5%(3.0%)，后续每年衰减在前一年的基础上增加0.7%的规范要求。比规范要求的第二年衰减率不大于3.2%的技术要求超出0.25倍。说明组件表面积灰对组件功率衰减有一定影响。因此，在电站运营期间应尽量保持组件表面清洁，及时清洗浮尘。

2.4 有积灰有遮挡光伏组件功率衰减分析

从工况4电站中抽取一组(20块)光伏组件，测试时间为2019年10月23日11:30—11:50，太阳辐射强度为828～853 W·m-2，环境温度为24.6～27.7 ℃，组件背板温度为41.1～43.7 ℃。测试选定20块HR-320P-24/Ba多晶硅光伏组件I-V曲线，同时记录光强和组件温度，实测功率修正到STC条件，同标称功率比较，得到组件功率衰减率。实测结果如图4所示。

图4 有积灰有遮挡阴影光伏组件功率衰减测试曲线Fig.4 Power attenuation test curve of PV module with dust deposition and shadow

由图4可以看出，工况4条件下，光伏组件最大衰减率为12.7%，最小衰减率为10.0%，组件平均衰减率为10.8%。电站运行时间为2年，远远超出符合《光伏制造行业规范条件(2015年)》对多晶(单晶)组件首年功率衰减≤2.5%(3.0%)，后续每年衰减在前一年的基础上增加0.7%的规范要求。比规范要求的第二年衰减率不大于3.2%的技术要求高出2.38。说明遮挡和表面积灰对组件功率衰减有很大影响。由此可知，局部遮阴造成组件出现热斑效应，严重情况会使光伏组件出现损毁。因此，电站建设不仅要避免有树木或建筑物遮挡，而且还要定期清洗组件表面积灰。

2.5 4种工况下组件功率衰减率和电站发电量比较

4种工况下组件功率衰减率和电站发电量测试结果如表4所示。

由从表4可知，与工况1比较，工况2和工况4下组件平均衰减率分别远高于483%和500%，当日发电量相应减少125 kW·h和156 kW·h；工况3下组件平均衰减率大于122%，当日发电量相应减少51 kW·h。表明有积灰有遮挡、有积灰无遮挡和无积灰有遮挡的组件的平均衰减率明显高于无积灰无遮挡时组件的平均衰减率。对功率衰减影响程度从大到小依次为有积灰有遮挡、无积灰有遮挡、有积灰无遮挡；对日发电量降低影响从高到低依次为有积灰有遮挡、无积灰有遮挡、有积灰无遮挡。也即表明局部阴影遮挡造成的组件功率衰减率最大，日发电量影响也是最大，积灰影响功率衰减和发电量也有一定影响，但相对不明显。

表4 4种工况下组件功率衰减率和电站发电量比较

3 结论

1)光伏组件有积灰或是遮挡阴影时，会影响其组件衰减率从而降低其发电量。因此在光伏扶贫电站的选址和建设过程中，要保持电站周围的环境不能对发电站有遮挡现象，若出现局部遮光应及时处理。

2)电站组件在4种工况条件下的平均衰减率分别为1.8%、10.5%、4.0%、10.8% 。表明局部遮挡阴影造成的组件功率衰减率最大，对发电量影响也最大，其次是积灰影响功率衰减也有一定影响，但相对不明显。

3)建议在后期建立完整有效的运维管理体系，应有专业的运维技术团队对整个光伏电站进行实时监控与管理，光伏组件定期清洗，保持组件表面干净无外界遮挡，以提高光伏电站整体收益。