多因素耦合對(duì)光伏發(fā)電性能影響的試驗(yàn)研究

仲仕晶, 趙書杰,2*

(1.蘇州科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，蘇州 215009; 2.蘇州科技大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，蘇州 215009)

如今，建筑能耗逐步成為了節(jié)能領(lǐng)域所關(guān)注的焦點(diǎn)，如何開發(fā)和利用新能源以及降低建筑能耗已經(jīng)成為關(guān)系到國(guó)家節(jié)能減排時(shí)效的重要工作，光伏作為可再生能源有了快速的發(fā)展，光伏建筑一體化、光伏照明等工程也將進(jìn)一步的開展[1]。光伏組件的表面溫度是影響光伏組件性能最主要的原因之一[2]，該溫度由環(huán)境溫度等多種因素共同影響；且光伏發(fā)電量與環(huán)境溫度呈負(fù)相關(guān)[3]。由于光伏組件表面溫度會(huì)影響太陽電池的短路電流和輸出開路電壓[4]，因此研究光伏組件表面溫度對(duì)光伏發(fā)電性能的影響至關(guān)重要。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)光伏發(fā)電性能影響的研究主要是從環(huán)境溫度為主，較少直接研究光伏板表面溫度，且環(huán)境因素的單一和交叉影響分析很少，需要全方位地分析各因素對(duì)發(fā)電性能的影響。李英姿等[5]結(jié)合了北京地區(qū)實(shí)際環(huán)境因素和光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，利用灰色關(guān)聯(lián)度模型，分析了系統(tǒng)因素與系統(tǒng)特征之間的相互影響的灰色關(guān)聯(lián)度及系統(tǒng)準(zhǔn)優(yōu)因素，發(fā)現(xiàn)當(dāng)霧霾較重時(shí)，PM2.5主要影響輻射量，當(dāng)霧霾較輕時(shí)，可忽略對(duì)發(fā)電量影響。Hashim等[6]通過一系列的實(shí)驗(yàn)研究了多晶硅、單晶硅和硒化銅銦鎵光伏組件在環(huán)境溫度10～35 ℃溫度下其發(fā)電性能的影響。丁勇等[7]通過在重慶地區(qū)搭建小型分布式光伏系統(tǒng)分析了輻射量、環(huán)境溫度影響系統(tǒng)發(fā)電量和效率的主次關(guān)系，發(fā)現(xiàn)二者共同影響系統(tǒng)的發(fā)電量和發(fā)電效率。李西明等[8]分析了沙塵暴和日食等極端特殊天氣對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)出力影響。沈金榮等[9]通過采集常州地區(qū)一季度發(fā)電量數(shù)據(jù)，采用多因子綜合回歸分析日類型、空氣質(zhì)量等因素對(duì)發(fā)電量的影響，發(fā)現(xiàn)空氣質(zhì)量對(duì)該地區(qū)光伏系統(tǒng)發(fā)電量影響不大，輻射量影響最顯著。趙永強(qiáng)等[10]發(fā)現(xiàn)積灰程度、海拔高度及某些地區(qū)特殊天氣情況與其他因素耦合，共同影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作效率。于秩彬等[11]對(duì)電站的發(fā)電量及周圍環(huán)境因素等數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和統(tǒng)計(jì)，對(duì)光照強(qiáng)度、溫度及相對(duì)濕度這3個(gè)因素對(duì)發(fā)電功率的影響程度進(jìn)行解耦分析，研究青島等沿海地區(qū)特有氣象對(duì)光伏發(fā)電效率的影響，可為該氣候相似地區(qū)提供數(shù)據(jù)參考。

由于蘇州地區(qū)的氣象條件與上述地區(qū)有較大差別，太陽能資源等其他因素也大不相同，因此以上的研究并不適用于蘇州。蘇州位與夏熱冬冷地區(qū)，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)但能源消耗極其嚴(yán)重。近年來，太陽能光伏產(chǎn)業(yè)成為蘇州戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)支持和發(fā)展的領(lǐng)域。為了更好地研究該地區(qū)光伏技術(shù)發(fā)展的適用性，搭建了太陽能光伏一體化材料試驗(yàn)平臺(tái)，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集和試驗(yàn)，并將采集到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)采用多元線性回歸法及趨勢(shì)面分析法綜合分析了各個(gè)因素對(duì)光伏發(fā)電性能的影響，同時(shí)也為蘇州地區(qū)光伏技術(shù)的發(fā)展提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)平臺(tái)介紹

圖1所示為試驗(yàn)平臺(tái)及設(shè)備裝置。試驗(yàn)臺(tái)搭建于蘇州科技大學(xué)某建筑樓樓頂，實(shí)驗(yàn)臺(tái)由兩個(gè)測(cè)試倉(cāng)、通道、水路系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、監(jiān)控中心以及數(shù)據(jù)采集中心組成。整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的尺寸為6 m(長(zhǎng))×4 m(寬)×3 m(高)，主箱體的材料為聚氨酯板，厚度為100 mm，箱內(nèi)和外壁的材料采用噴塑鋼板。兩個(gè)測(cè)試倉(cāng)面積均為2.85 m(長(zhǎng))×2.7 m(寬)，測(cè)試倉(cāng)一邊各有一扇單開門與通道相連；另一邊前壁處各留有一個(gè)預(yù)留窗口(1.7 m×1 m)用來安裝太陽能光電組件，組件可根據(jù)需求開啟不同傾角。同時(shí)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的底部中心及四周均安裝有可轉(zhuǎn)動(dòng)的滑輪，可以滿足實(shí)驗(yàn)臺(tái)的不同朝向。該系統(tǒng)配備一套風(fēng)冷冷水機(jī)組，末端采用風(fēng)機(jī)盤管，同時(shí)配備加熱器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試倉(cāng)的制冷制熱。數(shù)據(jù)采集中心及監(jiān)控中心主要用于數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控，通道內(nèi)同時(shí)可用于實(shí)驗(yàn)人員工作休息。

A為光伏板，B為中空玻璃，C為風(fēng)機(jī)盤管，D為水路系統(tǒng)，E為監(jiān)控中心，F(xiàn)為系統(tǒng)配電柜，G為數(shù)據(jù)采集中心，H為室外風(fēng)速風(fēng)向溫濕度傳感器圖1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)主視圖、三維圖及設(shè)備裝置圖Fig.1 Main view, three-dimensional view and equipment diagram of the experimental platform

該試驗(yàn)平臺(tái)的光伏發(fā)電系統(tǒng)由多晶硅光伏板、太陽能控制器、逆變器、蓄電池及負(fù)載組成。多晶硅光伏板為阿特斯公司所生產(chǎn)(型號(hào)CS6P-245P、額定功率245 W、開路電壓37.1 V、短路電流8.74 A)，太陽能控制器(DC12/24 V-20 A)，并網(wǎng)逆變器(輸入24 VDC，輸出220 VAC)，閥控密封式鉛酸蓄電池6塊3串3并(東豐DFBL40-12/40 Ah/12 V)，負(fù)載選用燈泡(飛利浦PAR38/175 W)。采集測(cè)試主機(jī)主要由溫度、輻照度巡回檢測(cè)儀、微型計(jì)算機(jī)、硬盤、觸摸屏和采集軟件組成，尺寸為383 mm(長(zhǎng))×248 mm(寬)×195 mm(高)，可實(shí)現(xiàn)將所采集的所有數(shù)據(jù)自動(dòng)保存在儀器內(nèi)置的SD卡中；在界面對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢，也可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期的無人職守?cái)?shù)據(jù)采集。所有采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過了RS485通信接口，將前端采集到的參量實(shí)時(shí)傳送給系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心，在主機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)查看。同時(shí)采集主機(jī)與計(jì)算機(jī)相連，即可在計(jì)算機(jī)上可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)查看監(jiān)控。此外，系統(tǒng)還配置GPRS中國(guó)移動(dòng)無線遠(yuǎn)傳模塊，數(shù)據(jù)可通過無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)向指定IP地址的計(jì)算機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。該系統(tǒng)可采集室外溫濕度、光伏板表面溫濕度、太陽輻照(包括總輻射、直接輻射、散射等)、風(fēng)速、風(fēng)向、直流電壓、直流電流、直流功率，發(fā)電量等物理量?？筛鶕?jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的繪圖和計(jì)算，評(píng)估系統(tǒng)的效率、經(jīng)濟(jì)效益。系統(tǒng)主要構(gòu)成及技術(shù)指標(biāo)如圖2、表1所示。

圖2 系統(tǒng)主要硬件構(gòu)成Fig.2 The main hardware structure of the system

2 結(jié)果與分析

于2019年5月1—31日對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的多晶硅光伏板表面溫度、環(huán)境溫度、室外風(fēng)速、太陽輻照、室外相對(duì)濕度以及發(fā)電量等數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，各測(cè)試儀器采集對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)包括光伏板表面溫度、環(huán)境溫度、太陽輻照等，直流電能表顯示累計(jì)發(fā)電量。為了研究各個(gè)因素對(duì)光伏板表面溫度的影響以及利用趨勢(shì)面分析研究光伏板表面溫度和太陽輻射量對(duì)發(fā)電量的影響，試驗(yàn)選取5月13日的數(shù)據(jù)作為典型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。所有數(shù)據(jù)可由采集測(cè)試主機(jī)自動(dòng)采集并記錄，時(shí)間間隔為10 s，試驗(yàn)時(shí)間為8：00—20：00，當(dāng)日天氣晴轉(zhuǎn)多云。

表1 主要測(cè)試儀器及技術(shù)參數(shù)Table 1 Main test instruments and technical parameters

2.1 各因素對(duì)光伏板表面溫度影響

圖3為測(cè)試當(dāng)日不同時(shí)刻下環(huán)境溫度、室外風(fēng)速、總太陽輻照、室外濕度及光伏板表面濕度與光伏板表面溫度的變化曲線。從圖3(a)中可以看出，從測(cè)試開始時(shí)，光伏板表面溫度及環(huán)境溫度都處于上升階段，但可以明顯看出，在時(shí)間為9：00—16：20時(shí)當(dāng)室外太陽輻照較高時(shí)，光伏板表面溫度與環(huán)境溫度的變化不同步，這說明光伏板表面溫度受其他因素的影響較大，過了16：20時(shí)，室外太陽輻照減少，光伏板表面溫度隨室外溫度的降低而降低，此時(shí)有較好的一致性。從圖3(b)可知，室外風(fēng)速對(duì)對(duì)光伏板表面溫度有較顯著的影響。圖3(c)表明，光伏板表面溫度與總輻射強(qiáng)度變化曲線關(guān)聯(lián)度很大。但從圖3(d)可以看出，室外濕度及光伏板表面濕度對(duì)光伏板表面濕度的影響不是很大。

結(jié)合測(cè)試的結(jié)果可以得出，研究各個(gè)因素對(duì)光伏板表面溫度的相關(guān)度和影響程度是非常有必要的。王春龍等[12]用灰色關(guān)聯(lián)分析的方法，定量地分析了各影響因子與光伏板表面溫度的關(guān)聯(lián)度。得出最佳的關(guān)聯(lián)順序?yàn)樘栞椛鋸?qiáng)度>環(huán)境溫度>風(fēng)速>濕度。但是這種方法也會(huì)產(chǎn)生一些問題，如分析數(shù)據(jù)是按照時(shí)間的序列進(jìn)行，采用初值化、極大化和極小化無量綱這個(gè)處理方法所得到的結(jié)果并不科學(xué)。為了對(duì)影響光伏板表面溫度的因素進(jìn)行更詳細(xì)的研究，作者將當(dāng)日所采集的所有數(shù)據(jù)用多元線性回歸方程進(jìn)行分析[13]，結(jié)果如表2所示。

圖3 各影響因素對(duì)光伏板表面溫度的影響Fig.3 Effect of various factors on surface temperature of photovoltaic panels

表2 多元線性回歸方程數(shù)據(jù)分析Table 2 Data analysis of multivariate linear regression equation

得到了光伏板表面溫度與環(huán)境溫度T、風(fēng)速v、太陽總輻射強(qiáng)度E及室外濕度RH(由于室外濕度影響著光伏板表面濕度，只取室外濕度進(jìn)行分析)：

y=0.908T-0.056v+0.035E-0.172RH+7.237

(1)

從表2及式(1)可以看出，F(xiàn)小于顯著性水平值0.05，故認(rèn)為可以用線性模型描述自變量和因變量直接的相關(guān)關(guān)系。R2=0.971，說明了影響光伏板表面溫度因素的總變差中，有97.1%可由環(huán)境溫度、風(fēng)速、太陽總輻射強(qiáng)度、室外濕度來解釋，該多元線性回歸方程的擬合優(yōu)度較好。標(biāo)準(zhǔn)誤差是說明在環(huán)境溫度、風(fēng)速、太陽總輻射強(qiáng)度、室外濕度來影響光伏板表面溫度時(shí)，平均的預(yù)測(cè)誤差為1.44 ℃。根據(jù)式(1)，環(huán)境溫度每升高1 ℃，光伏板表面溫度增加0.908 ℃；室外風(fēng)速每增大1 m/s，光伏板表面溫度降低0.056 ℃；總太陽輻射強(qiáng)度每升高1 W/m2，光伏板表面溫度增加0.035 ℃；室外濕度每升高1%，光伏板表面溫度降低0.172 ℃。

2.2 光伏板表面溫度光伏板發(fā)電量的影響

由圖4可以看出，光伏板發(fā)電量與表面溫度基本正相關(guān)，8：00—11：00，隨著光伏板溫度的升高，發(fā)電量升高，但11：00—16：00，發(fā)電量基本維持不變，到了18：00以后，隨著光伏板溫度的降低，發(fā)電量驟降，經(jīng)分析是太陽輻照強(qiáng)度的減少以及室外溫度的降低等共同因素的影響造成的。

將光伏板表面溫度看作是影響光伏發(fā)電量的自變量，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一元線性回歸方程分析關(guān)系，結(jié)果如表3所示。

圖4 光伏板表面溫度對(duì)發(fā)電量的影響Fig.4 The influence of surface temperature of photovoltaic panel on power generation

得出發(fā)電量與光伏板表面溫度T表的關(guān)系：

y=0.073T表+1.078

(2)

與上邊分析相同，F(xiàn)小于顯著性水平0.05，該方程可以描述自變量和因變量直接關(guān)系，但在發(fā)電量的總變差中，只有38.1%可由光伏板表面溫度來影響，故該方程擬合度一般，說明影響發(fā)電量的因素很多，且發(fā)電量受到光伏板表面溫度的影響并不明顯。結(jié)果表明，光伏板表面溫度每升高1 ℃，發(fā)電量增加0.073 W·h。

2.3 光伏板表面溫度、太陽輻射量對(duì)發(fā)電量的趨勢(shì)面分析

以上運(yùn)用了多元線性回歸的方法依次分析了環(huán)境溫度、太陽輻照強(qiáng)度、室外風(fēng)速濕度對(duì)光伏板表面溫度的影響，以及運(yùn)用一元線性回歸光伏板表面溫度對(duì)發(fā)電量的影響，但這種方法并不能直觀地觀察因變量和自變量之間的趨勢(shì)變化。接著采用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)面分析。趨勢(shì)面分析是擬合了數(shù)學(xué)面的一種統(tǒng)計(jì)方法，具體的做法是用數(shù)學(xué)的方法計(jì)算出來一個(gè)數(shù)學(xué)曲面來擬合數(shù)據(jù)區(qū)域性變化的趨勢(shì)，二次的趨勢(shì)面一般為橢圓、拋物線或者雙曲面圖形，三次以上的趨勢(shì)面則更為復(fù)雜的圖形[14-15]。在進(jìn)行趨勢(shì)面分析的時(shí)候，要使模型回歸平方和較大且剩余值較小，使得模型的擬合度較高，這樣使得結(jié)果才更加準(zhǔn)確[16]。

這里將典型日當(dāng)日所采集到的太陽輻射量以及光伏板表面溫度作為自變量，發(fā)電量作為因變量，進(jìn)行趨勢(shì)面的回歸分析。二元二次和二元三次擬合精度和顯著性結(jié)果如表4所示，且均符合統(tǒng)計(jì)的要求。接著利用DPS自帶3D作圖功能繪制出等值線-趨勢(shì)面圖如圖5所示。

表4 光伏板表面溫度和輻射量對(duì)光伏發(fā)電量影響趨勢(shì)面擬合效果及二次趨勢(shì)面回歸方程Table 4 Trend surface fitting effect and quadratic trend surface regression equation of influence of surface temperature and radiation on photovoltaic power generation

從表4可以看出，光伏板表面溫度和輻射量對(duì)光伏發(fā)電量影響趨勢(shì)面分析結(jié)果的擬合效果均達(dá)到了顯著水平，可以表明兩者影響光伏發(fā)電量較大，二元二次趨勢(shì)面擬合度為75.3%，二元三次趨勢(shì)面擬合度為69.9%。

從圖5可以看出：光伏板溫度范圍為20.125～46.6 ℃，輻射量范圍為0～0.35 MJ/m2，光伏發(fā)電量的變化趨勢(shì)為從高溫度低輻射量到低溫度高輻射量方向的逐漸遞增，圖形所呈現(xiàn)為對(duì)稱軸的拋物面變化趨勢(shì)，且中間區(qū)域變化幅度相對(duì)平緩；但到了高溫低輻區(qū)間變化幅度明顯，說明在過高光伏板表面溫度和過低輻射量的共同影響下，發(fā)電量減少幅度較大。三次趨勢(shì)面分析的結(jié)果比二次分析較為復(fù)雜，從圖5中可以看出，低輻高溫對(duì)發(fā)電量的衰減影響尤為明顯，到中輻中溫區(qū)間，變化逐漸平緩，但到了高輻低溫區(qū)間，發(fā)電量變化幅度又增大，且兩極分化比二次趨勢(shì)面更為明顯。

圖5 光伏板表面溫度、太陽輻射量對(duì)發(fā)電量影響的二、三次等值趨勢(shì)面Fig.5 Binary and cubic equivalent trend surfaces of the influence of surface temperature and solar radiation on power generation of photovoltaic panels

3 結(jié)論

(1)通過已搭建的太陽能光伏一體化材料試驗(yàn)臺(tái)，用總輻射計(jì)、溫濕度傳感器、直流電能表等相關(guān)儀器，測(cè)試典型日下8:00—20:00太陽輻照強(qiáng)度、環(huán)境溫度、室外風(fēng)速、室外濕度、發(fā)電量等參數(shù)。采用多元線性回歸方法分析影響光伏板表面溫度的主要原因，結(jié)果表明：回歸方程的擬合程度優(yōu)良，環(huán)境溫度每升高1 ℃，光伏板表面溫度增加0.908 ℃；室外風(fēng)速每升高1 m/s，光伏板表面溫度降低0.056 ℃；總太陽輻射強(qiáng)度每升高1 W/m2，光伏板表面溫度增加0.035 ℃；室外濕度每升高1%，光伏板表面溫度降低0.172 ℃。

(2)采用一元線性回歸分析光伏板表面溫度對(duì)發(fā)電量的影響，結(jié)果表明：回歸方程的擬合度一般。得出光伏板表面溫度每升高1 ℃，發(fā)電量增加0.073 W·h。

(3)運(yùn)用DPS數(shù)據(jù)分析軟件，采用趨勢(shì)面分析的方法分析了光伏板表面溫度和太陽輻照量對(duì)發(fā)電量的影響，結(jié)果表明：二次擬合、三次擬合結(jié)果均達(dá)到了顯著水平，圖形總體表現(xiàn)為雙向變化的趨勢(shì)，即太陽輻射量的正向變化，光伏板表面溫度負(fù)向變化，且兩級(jí)變化趨勢(shì)明顯，中間變化趨勢(shì)平緩。

(4)此次試驗(yàn)的研究依托太陽能光伏一體化材料試驗(yàn)臺(tái)，很多材料并不齊全，這里只對(duì)多晶硅光伏板進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析，并沒有分析單晶硅、薄膜組件等其他光伏材料。且該研究主要是以光伏板表面溫度、輻照、環(huán)境溫濕度及室外風(fēng)速為指標(biāo)進(jìn)行分析研究，并沒有考慮光伏板的陰影效應(yīng)、弱光效應(yīng)、光伏板灰塵損失及其他影響，同時(shí)在數(shù)據(jù)采集的過程中，也存在諸多問題，所以還需要對(duì)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，對(duì)試驗(yàn)方法及對(duì)象進(jìn)行優(yōu)化，這樣才能更好開展后續(xù)更深層次的研究。