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影响光伏组件发电性能的因素分析毛卫平 杨欣 张群芳 冯勇（国电光伏（江苏）有限公司， 江苏宜兴经济开发区凯旋路25号）【摘要】采用单一测试条件下测得的功率作为光伏组件发电能力评价指标是不充分的。本文分析了影响光伏组件年发电性能的各种主要因素，介绍了采用有效效率和比效率用来评价不同光伏组件发电性能的新方法。1 引言光伏市场上，组件的买卖主要是按照标准测试条件下的标称功率作为依据来进行的。对于标准功率完全相同的情况下，不同技术光伏组件甚至同一技术不同厂家制造的的光伏组件，在相同的使用环境及系统配置下，其年发电能力也往往会有很大不同。这是因为在实际户外环境中，光照强度，光谱质量、环境温度、入射角度等条件与标准测试条件有很大的不同，各种组件对这些使用条件反应各不相同，这就造成了组件发电性能的差异。事实上，越来越多的争论表明采用单一标准测试条件（空气质量AM1.5、 辐照强度1kW/m2、电池温度25）下测得的功率作为发电能力评价指标是不充分的1-3。本文分析了影响光伏组件年发电性能的各种主要因素，介绍了采用有效效率和比效率用来比较不同光伏组件发电性能的新方法。2 转换效率与辐照强度的关系曲线图1表明光伏组件转换效率-光照强度关系曲线与组件的温度光强系数dTc/ dP、串联电阻Rs、并联电阻Rsh有关。图1. 光伏组件转换效率与辐照强度的关系曲线（Wurth的CIGS组件，型号WS75）（a）电池温度保持不变（Tc=Tamb）；（b）考虑电池温度随光照强度增加而升高；（c）同时考虑温度和串联电阻的影响；（d）同时考虑温度和串、并联电阻的影响1一般而言，随着光照强度的增大，组件温度相对于环境温度逐渐升高。且满足如下线性关系：其中，Tamb表示环境温度。dTc/dP表示组件的温度光强系数，通常为30m2/kW。随着组件温度的升高，组件输出功率组件减小，所以组件温度系数为负。通常，晶体硅电池温度系数为-0.50%/C，非晶硅薄膜电池的功率温度系数为-0.25%/C。考虑到组件温度随光照强度的影响时，转换效率与辐照强度的关系曲线如图1b所示。串联电阻的增加会导致光伏组件转换效率组件降低，且光照强度越高，串联电阻对转换效率的负面影响越大（如图1c所示）。 并联电阻的减少，即漏电导的增大，会导致光伏组件转换效率组件降低，并联电阻对光伏组件弱光下的转化效率影响更明显。有研究表明，并联电阻的变化可导致光伏系统年发电量10%的差异。因此，并联电阻作为电池组件弱光性能的关键影响因素，在优化电池组件工艺时，应给与足够重视4。为了改善电池组件实际发电性能，组件温度光强系数dTc/dP、功率温度系数k、串联电阻Rs以及漏电导Gsh应尽可能减小。由于大多数平面光伏组件封装方式都差不多，外观呈暗色，对光照的吸收都很强，所以对于温度光强系数dTc/dP的改善没有太大空间；同样，由与组件功率温度系数主要由电池所用半导体材料的禁带宽度所决定，也没有太大改善空间。所以，对组件做优化改进时，应重点考虑串联电阻和漏电导这两个参数。3 光伏组件发电性能的评估3.1 有效效率eff光伏组件有效效率定义为组件年发电量除以辐照到组件的太阳能：正常情况下，不同辐照条件下，光谱成分与入射角度的影响也应考虑进去，上式应该同时对波长积分。但有研究表明光谱成分对年发电量的影响很小，采用单一辐照光谱产生的误差不过百分之几，故采用上式可以使问题简化。另外，虽然实际使用环境总存在温度波动，但用平均日照环境温度来计算，也能得到很好的结果。3.2 比效率PRM光伏组件的比效率PRM定义为组件有效效率与组件STC条件下的转换效率效率的比值：其中，YM表示组件年发电量 (kWh/yr/kWp)，P0表示STC条件下的辐照强度（1kW/m2），ASE代表每年单位面积的接受的太阳能 (kWh/m2/yr)。虽然YM被广泛用于光伏系统发电能力的比较，但其与具体地点的年太阳辐照量有关。在评价光伏组件的发电性能时，由于对具体地点的年太阳辐照量的影响做了归一化处理，因此PRM比YM更具普遍意义。3.3 计算方法举例有效效率可通过对年度平均光照环境温度温下的转换效率对不同光照强度的辐照量求平均值近似得出： 其中(Pi, Tamb AVG daylight)表示一定白天平均气温下，不同光照强度下组件的转换效率；ASE表示不同光强下的太阳辐照量；ASE表示全年辐照量。图2. 根据不同辐照强度和不同温度下组件的IV曲线计算得出的6种光伏组件的转换效率-辐照强度关系曲线1图2是根据6种不同组件在不同辐照强度和温度下的IV曲线计算出的转换效率-辐照强度关系曲线。由图可知，对每种组件，最大转换效率均出现在辐照强度0.5kW/m2的附近，但转换效率在高光照和弱光照条件下的减小趋势是不同的。对于串联电阻越大的光伏组件，光照强度越高，转换效率相对于0.5kW/m2附近的最大值减小越快；而漏电导越大的组件，光照强度越低，转换效率下降越快。图3. 美国Colorado州Golden市和斯洛文尼亚首都Ljubljana市的水平面上的太阳能辐照度，辐照强度以25W/m2的间隔划分1图3代表两个不同地方的太阳辐照能随辐照强度的分布，纵轴表示不同辐照强度对年辐照量的贡献，横轴表示不同的辐照强度。全年总的太阳辐照量则为不同辐照强度时的辐照量之和。从图3可以得出出，Golden的太阳辐照较充足，每年约为1.66 MWh/m2，而Ljubljana则以多云天气居多，年辐照量约为1.1 MWh/m2。表11 给出了图2中6种组件在Golden与Ljubljana的计算所得的有效效率和比效率。从表1可以看出，有效效率一般低于STC转换效率。尽管两地的太阳光年辐照量以及辐照量的分布存在很大的差别，然而不同组件的有效效率与比效率在两地以及同一地点不同倾斜面上的差异却很小。原因在于两地平均日照温度均在13左右，虽然温度波动彼此不同，但对年发电量的影响却很小。4 结论光伏组件现场发电性能可以采用有效效率和比效率来表征。对某一特定的组件，只需不同光照强度和不同温度下的IV曲线，就可用来计算效率-光强曲线；然后根据某一具体地点全年的太阳辐照量随光照强度的分布情况，就能计算出组件在该地点的有效效率和比效率。在年白天平均温度不变的情况下，组件的有效效率随具体的地点与倾斜角度的变化很小。有效效率与年白天平均温度有关，但随气温波动影响不大。有效效率受光伏组件的温度光强系数dTc/dP、功率温度系数k、串联电阻Rs以及漏电导Gsh四个参数的影响，但串联电阻和漏电导的影响更为显著，这对太阳电池及组件的工艺优化具有重要的指导意义。5 参考文献1 Marko Topic, Kristijan Brecl1 and James Sites. Effective Efficiency of PV Modules Under Field Conditions, Prog. Photovolt: Res. Appl. 15, 19-26 (2007).2 Marko Topic, Kristijan Brecl, Jurij Kurnik, and James Sites. Effective Efficiency and Performance Ratio as Energy Rating System for PV Modules, Proc. EU-PVSEC 21, 2507-2510 (2006).3 Marko Topic, Kristijan Brecl and James Sites. Performance Assessment of PV Modules - Relationship Between STC Rating and Field Performance, Proc. World Conf. on Photovoltaic Energy Conversion 4, 2141-2144 (2006).4 P. Grunow, S. Lust, D. Sauter, V. Hoffmann, C.Beneking, B.Litzenburger, L. Pod