气象条件对光伏电站发电量的影响

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摘要：文章论述了太阳辐照度、光谱、环境温度等气象条件对光伏电站发电量的影响，分别从光伏组件的输出功率、蓄电池的充放电效率、MPPT控制器的匹配效率三个方面进行叙述。

关键词：太阳辐照度；光伏电站；发电量；输出功率；温度；蓄电池；MPPT

中图分类号：TM619 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）05-0120-02

太阳能作为新能源，因其清洁环保和可再生的特点，迎来了蓬勃发展的机会。作为太阳能大规模运用的光伏电站，在光伏板规模固定的情况下，如何提高发电量已经成为了光伏行业的一个研究课题，以下将列举数种对光伏电站发电量造成影响的因素。

1 光伏组件的输出功率

光伏组件的发电量与太阳辐照强度、光谱和自身温度等因素有关，而光伏组件温度与环境温度、太阳辐照强度和光伏电池结构有关，也与流过光伏组件的风速等因素有关。

据J.A.del.Cueto等人的研究：在2000和2001年连续两年对北纬40°室外安装的14种平板式太阳电池组件的输出功率和能量特性进行测试，发现单晶硅、多晶硅和铜铟硒电池组件性能随季节波动，其输出功率和有效效率在冬天变大，而夏天则相反，季节气温变化则太阳电池效率发生波动。而David L.King等对光伏发电系统发电量的季节性变化及其影响因素所做的分析结论与J.A.del.Cueto类似，同时他认为冬季光伏组件能量输出较夏季大，与大气质量有关。

我国大部分地区的太阳辐照强度，每天的变化范围是0～1100W/m2，光谱从AM∞变到AM1，环境温度从最低的日出温度变到最高的中午温度再下降。光伏组件的温度随之不断变化，其发电量也发生规律性的变化。利用光伏电池特性进行深入研究可发现，光伏组件的输出电量不随太阳辐照强度的加大而上升，是与光伏电池的杂质浓度和反射系数有关的，由于太阳辐照强度加大而引起的温度上升，导致了不同构造的电池有不同的温升以及不同的效率下降。光伏组件的测试标准是，处于辐照强度1000W/m2、组件温度25℃的条件下。由于光伏组件一般是负温度系统，而硅基光伏组件温度系数大约为-0.47%。如果光伏组件温度达到60℃，输出功率由于有35℃的温差，可能会导致发电量降低17.5%左右。由此可估算出，在我国夏季的时候，一般太阳电池的输出功率将比标准状况低10%以上，效率绝对值下降2%左右。在通风不良的情况下，输出功率的下降可能高达30%以上，效率绝对值下降达3%～4%。这对于效率在10%～14%之间的光伏组件来说，影响绝对是巨大的。

2 蓄电池的充放电效率

独立运行的光伏电站中，其中一个关键的系统是储能装置，目前的主流配置是铅酸蓄电池。铅酸蓄电池受温度影响比较大，在保障蓄电池性能的前提下，无论在浮充状态或在循环状态下运行，都需要随温度变化来改变充电电压，单体电池的温度补偿系数为-（3～7）mv/℃，通常蓄电池在循环状态使用时，单体电池的温度补偿系数可取-4mv/℃；在浮充状态使用时，单体电池温度补偿系数可取

-315mv/℃；在进行均充时，单体电池温度补偿系数为-5mv/℃。

而铅酸蓄电的容量受温度影响更大，-30℃时放电容量仅达到额定容量的30%。蓄电池的浮充寿命随温度的变化而变化，基本上是每升高10℃，浮充寿命减少约一半，高温对蓄电池失水干涸、热失控、正极板栅腐蚀和变形等都起到加速作用，低温会引起负极钝化失效，温度波动会加速铅酸蓄电池内部短路等。跟整个光伏电站发电量相关的，是蓄电池的自放电大小，除与制造材料、存贮时间有关外，温度是影响电池自放电的主要因素，温度越高，蓄电池自放电率越高，因此，蓄电池要避免在高温环境下长期储存。

3 MPPT控制器的匹配效率

小型的光伏系统通常都不配备MPPT控制器，而是由光伏组件向蓄电池充电或者直接将电能输出到变流装置。因此该类型光伏系统中的蓄电池充电曲线都配置在光伏组件的最大功率点附近，属于直接匹配。鉴于蓄电池的特性，需要将光伏组件的峰值电压设置得比蓄电池充电电压高，特别需要保证温差较大时的需求，因此造成真正的工作点与最大功率点有较大的距离。

而光伏电站一般都采用含有MPPT功能的控制器或者变流器，目前的MPPT控制器一般是利用buck或者boost拓扑构成的DC/DC模块来实现的，常规的控制器能够达到90%的转换效率，高效率的可以达到95%，但是控制器与光伏组件之间存在系统匹配的问题，由于控制器的规格不可能匹配所有规模的光伏组件，那么只有两者的功率大小相近时，MPPT控制器的效率才有可能达到理论上的转换效率。

由于太阳辐照度和温度变化的影响，必然导致冬夏以及全日温差较大的地区，其光伏组件输出功率会产生较大的变化。当光伏组件输出功率与MPPT控制器名义设计功率相比很小时，MPPT控制器的效率会很低。

MPPT的目的是挽回由于温度的变化而导致的因系统直接匹配造成的效率损失，所以MPPT在全日温差较大的地区效果最为明显。然而MPPT本身的转换效率只有90%左右，在对蓄电池充电的时候，如果增加的能量不能大于控制器本身损失的能量，MPPT就失去了意义。

4 结语

在上述影响机理分析的基础上，我们认为可以从太阳电池设计和安装的总体出发，从光和电池的耦合，到电池与环境的协调，太阳电池光热综合利用，全方位地进行系统性的热设计研究，采取有针对性的措施降低太阳电池对温度的敏感性或降低电池温度的变化幅度，全面提高太阳电池的利用效率。

而使光伏发电系统能够按照负载和蓄电池状态变化运行于最佳工作状态，提高能量转换效率，降低系统运行成本是除了使用新型储能装置之外的一个有效手段。

在带蓄电池的光伏电站中是否选择采用MPPT控制方式要综合当地全年气温变化、负载状况、经济性以及可靠性等多方面因素考虑。

发展低碳经济是我们的必然选择，太阳能作为新能源和可再生能源，因其清洁环保、永不衰竭的特点，受到世界各国的青睐。但是太阳辐照量、电池组件的转换率、最大功率跟踪等问题直接影响着太阳能光伏发电的效率，所以积极解决影响太阳能光伏效率的问题，对于充分开发利用太阳能，节约常规能源、保护自然环境、促进经济发展都有着极为重要的现实意义和深远的历史意义。

参考文献

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作者简介：曾鹏飞（1981-），男，广东人，珠海兴业绿色建筑科技有限公司电气工程师，研究方向：电力电子。