一天中户外光伏组件输出性能影响规律的研究.pdf

收稿日期:.基金项目:江西省教育厅科学技术研究项目(G J J ).作者简介:曾伟(),男,博士.曾伟,孙旻,肖文波一天中户外光伏组件输出性能影响规律的研究J南昌大学学报(理科版),():Z E N G W,S UN M,X I AO W B R e s e a r c ho nt h ei n f l u e n c eo fo u t d o o rp h o t o v o l t a i cm o d u l eo u t p u tp e r f o r m a n c ei no n ed a yJJ o u r n a l o fN a n c h a n gU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c e),():一天中户外光伏组件输出性能影响规律的研究曾伟,孙旻,肖文波(国网江西省电力有限公司电力科学研究院,南昌 ;南昌航空大学科技学院,共青城市 )摘要:研究一天中光伏组件温度T、IV等变化,分析得出一天中组件输出性能规律.首先发现一天中组件温度变化是一个耦合因素影响结果,而不仅仅由光强决定.组件输出功率主要是电流,而不是电压决定.其次发现一天中组件串并联电阻基本是先下降,然后上升.原因是中午温度高、光强大,组件漏电流增加导致的.相对于串联电阻,一天中组件并联电阻受环境影响更大.最后,发现相对于低温,高温下组件串并联电阻都比较稳定,原因是低温下影响组件性能的湿度等非线性耦合因素变化更复杂.以上结果得到理论与实验串联电阻的对比证明.关键词:光伏组件;一天;输出性能;影响规律中图分类号:TM 文献标志码:A文章编号:()R e s e a r c ho nt h e i n f l u e n c eo fo u t d o o rp h o t o v o l t a i cm o d u l eo u t p u tp e r f o r m a n c e i no n ed a yZ E NG W e i,S UN M i n,X I AO W e n b o(S t a t eG r i dJ i a n g x iE l e c t r i cP o w e rR e s e a r c hI n s t i t u t e,N a n c h a n g ,C h i n a;S c i e n c ea n dT e c h n o l o g yC o l l e g e,N a n c h a n gH a n g k o n gU n i v e r s i t y,G o n g q i n gC i t y ,C h i n a)A b s t r a c t:T h i sp a p e r i n v e s t i g a t e dt h ev a r i a t i o n s i nm o d u l e t e m p e r a t u r eTa n dIV,a n da n a l y z e dt h eo u t p u t l a wo fp h o t o v o l t a i cm o d u l e s i nad a y F i r s t l y,t h e t e m p e r a t u r eo f t h em o d u l ed u r i n gt h ed a yw a s f o u n dt ob ear e s u l t o f c o u p l i n gf a c t o r s,n o tj u s t r e l a t e dt ot h e l i g h t i n t e n s i t y T h em o d u l eo u t p u tp o w e rw a sp r i m a r i l yd e t e r m i n e db yc u r r e n t,b u tn o tb yv o l t a g e S e c o n d l y,t h es e r i e s p a r a l l e l r e s i s t a n c eo f t h em o d u l e sb a s i c a l l yd e c r e a s e da n d t h e n i n c r e a s e dd u r i n g t h ed a y T h i sw a s a t t r i b u t e dt o t h e i n c r e a s e i n l e a k a g ec u r r e n t c a u s e db yh i g ht e m p e r a t u r ea n d i n t e n s es o l a r i r r a d i a n c ea tn o o n C o m p a r e dw i t ht h es e r i e sr e s i s t a n c e,t h ep a r a l l e l r e s i s t a n c ew a sm o r e a f f e c t e db y t h e e n v i r o n m e n t d u r i n g t h ed a y F i n a l l y,t h e s e r i e s a n dp a r a l l e l r e s i s t a n c e sw e r e r e l a t i v e l ys t a b l ea th i g ht e m p e r a t u r e c o n d i t i o n s T h e r e a s o nw a s t h a t t h en o n l i n e a r c o u p l i n g f a c t o r s t h a t a f f e c tm o d u l e sp e r f o r m a n c ew e r em o r ec o m p l e xa t l o wt e m p e r a t u r e c o n d i t i o n T h ea b o v e r e s u l t sw e r ep r o v e db yc o m p a r i n gt h e t h e o r e t i c a l a n de x p e r i m e n t a ls e r i e sr e s i s t a n c e K e yW o r d s:p h o t o v o l t a i cm o d u l e;o n ed a y;o u t p u tp e r f o r m a n c e;i n f l u e n c e l a w可再生能源通常包括太阳能、水能、生物质能、海洋能等.在这些可再生能源中,太阳能资源丰富且可以辐射到地球的每个角落.因此,光伏发电不仅可以缓解经济增长对环境的压力,也在很大程度上减缓化石能源消费,为社会提供可持续发展能源,.光伏组件作为光伏发电系统中重要部件,受光强影响明显.研究结果表明,组件的开路电压、短路电流和最大输出功率随着光强度的增加而增加.温度对光伏组件性能也有显著影响.研究表明开路电压、最大功率、填充因子和效率随着组件温度的升高而降低.光伏组件使用过程中,积灰对组件的伏安特性、温度、相对透光率以及输出功率等也都会影响;研究结果表明,随着积灰密度的增加,光伏板的温度、相对透光率和相对发电效率均逐渐降低.实际上,光伏组件发电会受到所处户外复杂环境的影 响,包 括 太 阳 辐 照 度、温 度 和 湿 度、风 速等,.因此,目前在实验室环境中对光伏组件发电研究评价方法,不能完全体现出组件在实际环境中的发电能力.为此,本文采用台湾乐利士实业股第 卷第期 年月南昌大学学报(理科版)J o u r n a l o fN a n c h a n gU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c e)V o l N o J u n 份有限公司制造的可携式在线电流电压(c u r r e n t v o l t a g e,IV)曲线测试仪S I VT P,研究了晶硅组件一天当中的输出IV等.实验过程是每隔分钟测量一条IV,并同步监视组件温度T变化.根据上面数据分析了一天中光伏组件输出规律.实验结果与讨论图是一天中时间t为:,:,:时输出IV.从图中可以看出,一天当中组件短路电流IS C、开路电压VO C、输出最大功率PMA X、填充因子F F都变化.主要是一天当中光强、温度、风速、湿度等都会影响组件输出性能.注意到t为:时,组件的IS C、VO C、PMA X比其他时间大,原因是中午光强最大.54321035302520151050-540I/AFF=80%AM 7:15FF=77%PM 12:30FF=75%PM 17:30V/V图一天中时间t为:,:,:时输出IVF i g T h eo u t p u tIVa t t h e t i m e:,:,:图是组件T随t变化.首先可以看出组件温度随时间震荡上升,到中午后下降.一天中组件温度有大约个明显峰值(见图中红色箭头),分别在:,:以及:左右;且发现最高峰在:左右.这与通常温度正弦分布理论分析不同;通常理论认为光强在中午最大,由于延迟效应组件16141209070419T/6050403020t/h图一天中组件T的变化F i g C h a n g e s i nm o d u l eTd u r i n gad a y温度应该在:点左右出现最高峰.所以,组件的温度应该是一个耦合因素影响结果,而不仅仅由光强决定.最后,看见组件温度的变化从大约 ,相对开始变化大约 倍.图是组件IS C、VO C、PMA X随t变化.首先看出,组件IS C、VO C、PMA X整体基本随t变化是震荡上升然后下降,且在中午:前后是最大.原因是中午光强最大.其次,对比图中(a)、(b)、(c)可以看出到组件IS C、VO C、PMA X随t变化尽管基本一致,例如图中,峰值位置标识;但是注意到:附近,PMA X与IS C变化相同,而与VO C完全不一样.说明组件输出功率主要是电流而不是电压决定.然后,可看见组件IS C、VO C、PMA X的变化范围从大约 到 A,到 V,到 W,相对初始值变化了 ,倍.注意到IS C与PMA X变化倍数差不多,进一步说明电流是输出功率的主要影响因素.最后,对比图与图可以看出,一天中组件温度最高在:点左右出现,而此时IS C、VO C、PMA X并不是最大.由此看出影响组件功率输出的决定影响不是电池温度.组件T与IS C、VO C、PMA X的相对变化完全不一样,也进一步证明上面结论.此外,可以看出中午受光强、温度、风速、湿度等耦合影响,输出功率波动也大.I/A1284016141209070419(a)t/h3001500P/W16141209070419(c)t/hV/V1614120907041938363432(b)t/h图一天中组件IS C、VO C、PMA X随t变化F i g T h eIS C、VO Ca n dPMA Xo fm o d u l ec h a n g ew i t htd u r i n gad a y图是组件F F与t变化关系.首先可以看出,F F随t震荡变化,尤其是中午:点到:点间,填充因子震荡变化大.说明中午环境变化剧烈时,F F也变化大.其次,可以看出F F变化范围在 之间,相对变化,与组件T几倍第期曾伟等:一天中户外光伏组件输出性能影响规律的研究的相对变化相差远.说明它们之间也无必然联系.最后,对比图、可以看出,组件T大的地方,F F小,例如图中,点.原因是随温度升高,P N结漏电流增加.实际上,影响填充因子的因素短路电流,开路电流,串联电阻,并联电阻,温度,光谱强度等耦合在一起;而上述因素与电池本身的材料特性共同决定F F.FF161412090704190.800.780.760.740.720.70t/h图组件F F与t变化关系F i g T h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nm o d u l eF Fa n dt图是组件串联Rs与并联电阻Rs h一天中变化.首先看出Rs与Rs h一天中基本是先下降,然后上升.Rs与Rs h早晚大,中午小,说明中午温度高、光强大,组件漏电流增加,电阻下降.注意到一天Rs h震荡多,而Rs相对少.说明Rs h受环境影响更大.其次,可以看出一天中Rs变化范围 ,Rs h变化范围 .进一步说明一天当中环境对Rs h的影响更大.Rs与Rs h相对变化 与 倍.与一天中组件温度的变化对比,说明串并联电阻都不仅仅受温度影响.且注意到Rs h与IS C变化的倍数基本一样,说明它们都是受光强主要影响的.最后,对比图、,可以看出Rs与Rs h一天中变化趋势与组件温度完全不一致,说明仅仅考虑温度对组件电阻影响是不够的,且这Rs/302010016141209070419(a)10 0005 000016141209070419(b)Rs/t/ht/h图组件串联Rs与并联电阻Rs h一天中变化趋势F i g T h ev a r i a t i o nt r e n do f s e r i e sRsa n dp a r a l l e l r e s i s t a n c eRs hi no n ed a y种影响是非线性的.对比一天中最大输出功率变化了 倍,所以最大输出功率与并联电阻基本一致.说明并联电阻对输出的影响更大,它们几乎成正比.图是组件Rs与Rs h随组件T的关系.首先可以看出,总体都是随温度上升而下降.原因是温度的增加会导致漏电流增加,电阻降低.其次,可以看出,高温下Rs与Rs h都比较稳定,而低温下受外界影响剧烈.所以无论是串联还是并联电阻与组件温度之间都不是单调的关系.6050403020Rs/403530252015105012 00010 0008 0006 0004 0002 0000Rsh/T/图组件Rs与Rs h随组件T的关系F i g T h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nm o d u l eRsa n dRs hw i t hT串联电阻理论提取方法验证与对比为了进一步验证上面实验结果,对实验中Rs的结果与文献中方法提取的串联电阻对比.可由IV曲线中Vo c、Is c、Vm和Im数据,根据公式RsVo cIs cVmIm计算得到 .实验与理论计算结果如图所示.Rs/calculation data8721010864203654k=0.932 230.025 92Linear FitRs/e x p e r i m e n t a i d a t a图理论计算与实验串联电阻的比对图(黑色线是线性拟合线)F i g C o m p a r i s o nd i a g r a mo f t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n t a l s e r i e s r e s i s t a n c e(b l a c kl i n e i s l i n e a r f i t t i n g l i n e)图是理论计算与实验串联电阻的比对图,其中黑色线是线性拟合线.由图可以看出,提取出的串联电阻与实验结果基本呈线性关系.拟合的系数南昌大学学报(理科版)年是 ,相对误差小于.说明一天中户外Rs等的实验数据是正确的,理论与实验吻合.总结本文实验研究一天中光伏组件温度T、IV等变化,分析得出一天中组件输出规律.)组件温度最高峰与通常温度正弦分布理论分析不同.所以,组件的温度应该是一个耦合因素影响结果,而不仅仅受光强影响.组件输出功率主要是电流、而不是电压决定.影响功率输出的决定影响不是电池温度.)组件串并联电阻一天中基本是先下降然后上升.原因是中午温度高、光强大,组件漏电流增加,电阻下降.一天中并联电阻震荡多,而串联电阻相对少.说明并联电阻受环境影响更大.)组件温度大的时间,组件串并联电阻都比较稳定,原因是低温下组件受外界耦合因素影响剧烈.参考文献:S AH I NAZ,I S MA I L AKG,Y I L B A SBS,e ta l Ar e v i e wo nt h ep e r f o r m a n c eo fp h o t o v o l t a i c/t h e r m o e l e c t r i ch y b r i dg e n e r a t o r sJI n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fE n e r g yR e s e a r c h,():L UY,L IG,AKHL AGH IYG,e t a l E f f e c t o f g r i da n do p t i m i z a t i o no n i m p r o v i n g t h e e l e c t r i c a l p e r f o r m a n c eo fc o m p o u n dp a r a b o l i cc o n c e n t r a t o rp h o t o v o l t a i cc e l l sJS o l a rE n e r g y,:田剑刚,张沛,彭春华,等基于分时长短期记忆神经网络的光伏发电超短期功率预测J现代电力,():L IZ,YAN GJ,D E Z F U L IP ANS t u d yo nt h e i n f l u e n c eo f l i g h t i n t e n s i t yo nt h ep e r f o r m a n c eo fs o l a rc e l lJI n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o fP h o t o e n e r g y,:王虎硅太阳电池串联电阻的温度特性J科学技术与工程,():CHAN D E RS,P UR OH I T A,S HA RMA A,e ta l As t u d yo np h o t o v o l t a i cp a r a m e t e r so fm o n o c r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rc e l lw i t hc e l l t e m p e r a t u r eJ E n e r g yR e p o r t s,:牛海明,崔青汝,刘厚旭积灰对光伏电池板输出特性影响研究J热力发电,():李刚,李泽,董俊章,等基于最速下降法的局部阴影下光伏发电MP P T算法研究J实验技术与管理,():X I AO WE N B O,X I N GJ,WU HUAM I N G,e ta l R e s e a r c ho nt h ee f f e c to fw i n ds p e e da n da n g l eo np h o t o v o l t a i cc e l lc h a r a c t e r i s t i c sJJ o u r n a lo fS o l a rE n e r g yE n g i n e e r i n g,():连乾钧,石磊,康钦一,等实用环境下光伏组件发电效率评价方法研究J太阳能学报,():肖文波,胡方雨,戴锦全工况下光伏组件输出特性的预测建模与研究J光子学报,():T S A IHL,TU CS,S U YJ D e v e l o p m e n to fg e n e r a l i z e dp h o t o v o l t a i cm o d e lu s i n g MA T L A B/S I MU L I NKC/P r o c e e d i n g so ft h ew o r l dc o n g r e s so nE n g i n e e r i n ga n dc o m p u t e r s c i e n c e ,:J O T M,L I P OV E KB,G L A A RB,e ta l P e r o v s k i t es o l a rc e l l sg oo u t d o o r s:f i e l dt e s t i n ga n dt e m p e r a t u r ee f f e c t so ne n e r g yy i e l dJ A d v a n c e de n e r g ym a t e r i a l s,():肖文波,吴华明,傅建平,等光强和温度对硅光伏电池输出特性的 影 响 J华 中 科 技 大 学 学 报(自 然 科 学版),():E L S HA E R A,T A D R O S M T Y,KHA L I F A M AE f f e c to f l i g h t i n t e n s i t ya n dt e m p e r a t u r eo nc r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rm o d u l e sp a r a m e t e r sJI n t e r n a t i o n a l J o u r n a lo fE m e r g i n gT e c h n o l o g ya n dA d v a n c e dE n g i n e e r i n g,():R A S HM IS I N GH,MA DHU S HA RMA,R AHU LR AWA T,e t a l A na s s e s s m e n to f s e r i e s r e s i s t a n c ee s t i m a t i o nt e c h n i q u e s f o rd i f f e r e n t s i l i c o nb a s e dS P Vm o d u l e sJ R e n e w a b l ea n dS u s t a i n a b l eE n e r g yR e v i e w s,:C O T F A SD,C O T F A SP,KA P L AN I SS,e ta l R e s u l t so ns e r i e sa n ds h u n tr e s i s t a n c e s i nac S iP Vc e l l C o m p a r i s o nu s i n ge x i s t i n gm e t h o d s a n dan e wo n eJJ o u r n a lo fO p t o e l e c t r o n i c sa n dA d v a n c e d M a t e r i a l s,:第期曾伟等:一天中户外光伏组件输出性能影响规律的研究