伊纪禄 胡涛 袁明翰 王金玉

【摘  要】国内光伏所产生的发电量也已经在国内总发电量中占据了一定的比例，如何更好地提高电站的发电量至关重要。本文首先探讨了温度对光伏组件实际发电的影响，然后分析可能导致温度变化的因素，如环境温度、辐照度分布和风力条件，并分别研究了这些因素对组件温度以及组件功率输出的影响，最后分析组件在实际的复杂环境条件下的实际功率输出变化。结果显示环境温度、辐照度分布的变化以及风速的变化都会影响组件温度，进而影响组件的功率输出。

【关键词】光伏电池;组件温度;光伏电站

目前国内的光伏总装机容量已经形成较大规模，截止到2017年底，中国大陆光伏总装机容量达到1.3亿千瓦，占全球总装机容量的32.4%。光伏所产生的发电量在国内总发电量中的比重已经超过3%。光伏电站的发电能力是电站的主要评价因素，因此在光伏电站的初始设计中，发电量预测成为至关重要的一环。光伏组件的输出功率与光伏组件表面所接受到的光强成正比，因此大部分光伏电站的初始设计以及组件选型是根据建设地的光资源情况来进行。但是光强并不是唯一影响因素，温度对组件输出功率的影响同样巨大。

1、温度影响的原理

光伏电池作为一种光电子半导体器件，温度是影响其性能的重要因素。随着温度的升高，光伏电池材料的禁带宽度会变小，本征载流子浓度会变大，短路电流Isc会有略微的提升;P-N结的内建势变小，复合载流子迁移率减小，复合系数增大，因此开路电压VOC和填充因子FF会变小，短路电流的增加弥补不了开路电压和填充因子的减小对转换效率的影响，组件峰值功率会降低【1】，组件峰值功率受温度影响率公式可大体总结为 。某厂家STC（标准测试条件）峰值功率为338.5W的组件，在大气质量AM1.5、辐照度1000 w/m2的条件下，其不同温度下的峰值功率数据见下表：

结果显示：对对实验组件来说，温度每提升一度，峰值输出功率下降约1.36W，功率的相对温度系数为-0.4%。实际电站中，组件在不同地区，不同情况下的工作温度可能会相差十几度，尤其是部分屋顶安装组件，其实际工作温度甚至会达超过80℃。所以温度对组件的功率输出影响是巨大的。

2、组件工作温度计算方法

国际标准“IEC 61852-2：2016《光伏组件性能测量与能效评定第2部分：光谱响应、入射角度和组件工作温度测量》中的章节8：确定组件工作温度的影响因子的方法”中给出了具体的公式。具体公式为 ，其中Tm为组件实际温度;Tamb为环境温度;G为实时辐照度;u0为辐照度影响因子;u1为风速影响因子; 为实时风速。

此标准的目的在于确定环境温度、风速、光吸收对能源产品的影响，光伏组件的温度与环境温度、风速、辐照度和其安装系统存在的函数关系[2]，以便于更好的预估发电量。本文主要分析除环境温度以外的其他温度因素对组件的影响。选取组件的辐照度影响因子u0=27.4 风速影响因子u1=7.566，其标称组件工作温度（NMOT）为42.9℃。STC（标准测试条件）下的峰值功率输出为350W，组件功率相对温度系数为-0.45%。

2.1辐照度分布所带来的温度变化对功率输出的影响。

上述兩地区风速 始终保持在1m/s，且环境温度Tamb始终为20℃。将已知环境条件、辐照度影响因子和风速影响因子带入公式 T得出组件温度与辐照度的线性公式 Tm=G/，将表2中的辐照度数据代入上式计算得出各辐照度下的温度，结合组件STC功率和温度系数并进行时间积分，计算得出地区A总辐照量为2.157KWh，地区B为2.226KWh，地区实际发电量差别为3.2%。

小结：虽然以上举例看似比较极端化，但是不同地区确实存在这方面的差异。比如有些地区日照时间长，但是天气条件存在雾或者霾，全天辐照度都不高;有些地区可能由于某些遮挡因素（例如山沟）导致其日照时间短，但是日照时间内其辐照资源非常好。这两种条件下，实际发电情况是需要做上述分析来更加准确的预估其发电量。

2.2 风速不同所带来的温度变化对功率输出的影响：

组件工作条件为环境温度为20℃，辐照度为800  W/m2，将已知环境条件、辐照度影响因子和风速影响因子带入公式 ，得出组件温度与风速 的线性公式： ，计算得出不同风速下组件温度，并结合组件STC功率和温度系数进行修正，得出组件的输出功率，得出：风速对组件的温度以及实际输出功率影响很大，尤其是在低风速区域，比如风速由无风变化为1 m/s时，组件温度降低9.1℃，输出功率提高12 W，风速由1 m/s变化为2 m/s时，输出功率提高也有7 W。

小结：电站建设选址时要充分考虑建设地的风速，日照时间内长期处于无风或者风速长期不高于2 m/s的地区，需要谨慎考虑;电站规划以及施工过程中，组件的排布需要考虑通风问题，在保证组件接受足够多的光照的同时，还能有更好的通风，尽量不让光伏组件长期处于低风速状态。

2.3 辐照度分布和风速综合作用所带来的温度变化对功率输出的影响：

实际的电站选址地区的气候是复杂多变的，辐照度的分布和风力资源都有较大波动，这种地区的发电量预估计较困难，下面，我们继续采用上述组件，工作条件为环境温度20 ℃，将已知环境条件、辐照度影响因子和风速影响因子带入公式 ，得出实际工作温度的计算公式 T，并结合组件STC功率和温度系数进行修正得出结果，实验室STC峰值功率值为350W的光伏组件在实际复杂环境条件下的功率输出可能低至只有291.1W，发电效率差别是相当大的。辐照度影响基本成等比变化，风速影响是非线性的，低风速区域影响巨大，总体来说，风速影响大于辐照度影响。

小结：针对复杂环境条件的电站选址，优先考虑风力资源，并且辐照度越高，风力资源影响越大。

3结论

影响电站发电量的因素主要是年辐照量和组件实际工作温度[3]，以往的电站设计中充分的考虑了辐照情况的影响而忽略了温度的巨大影响，本文主要阐述了实际工作温度对光伏组件输出功率的影响，以及环境温度、辐照度分布、风速三个实际工作温度的影响分量的作用机理。环境温度直接影响组件实际工作温度，环境温度升高，组件工作温度就会相应数值的升高，发电量相应降低;辐照度分布不同也可以带来发电量差别，輻照量相同，平均辐照度每提高100  W/m2，组件温度提高2.9℃，损失发电量比例为1.31%;风速的影响为非线性，低风速区间，尤其是2m/s以下，差别非常巨大，应尽量避免。光伏电站的排布设计，应兼顾光资源利用率和通风保障，在保证光资源利用率的情况下，设计合理的方阵排布、组件排布以及组件处理，尽可能提高通风情况，降低组件温度。资料显示，光伏组件边框的开孔处理可以降低组件工作温度3℃[1];当组件与屋顶的距离为0.04m时，组件表面温度比紧贴屋顶时降低了20℃[4]。光伏电站的组件选型和选址应充分考虑环境因素的影响，在保证光资源的情况下，兼顾环境温度、日照时间的风速、辐照度分布等因素，进而更准确的预测电站发电量。

参考文献：

[1]林彦霞，盖志武晶硅太阳能电池温度及发电效率研究  工程科技与产业发展 科技经济导刊2017年11期 42-43

[2]IEC 61853-2：Photovoltaic（PV）Module Performance Testing and energy rating Part 2：Spectral responsivity，incidence angle andmodule operating temperature measurements。2016 17-19

[3]吕学梅，孙宗义，曹张弛，电池板温度和辐射量对光伏发电量影响的趋势面分析，可再生能源：2017.07  922-927

[4]于佳禾，许盛之，韩树伟等 太阳电池与光伏组件温度特性及其影响因素的分析。太阳能：2018.03  29-36

作者简介：

伊纪禄（1985-），男，山东省人，本科，工程师，主要研究方向为太阳能电池测试。

（作者单位：中国电子科技集团公司第十八研究所）