頭兩年衰減在2%以?xún)?nèi)的光伏組件基本很少？高達(dá)24%的發(fā)電損失去哪了？

經(jīng)常聽(tīng)到光伏部件出現(xiàn)種種創(chuàng)新，比如組件實(shí)驗(yàn)室效率24%、量產(chǎn)效率20%，而逆變器轉(zhuǎn)換效率宣稱(chēng)99%。其中組件效率指的是光電轉(zhuǎn)換效率，逆變器轉(zhuǎn)換效率指的是從其直流輸入轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)交流的工作效率。

大家都知道電站“轉(zhuǎn)換效率”非常關(guān)鍵，因?yàn)樗苯佑绊懙搅税l(fā)電收益。雖然上面提到的兩個(gè)核心部件的轉(zhuǎn)換效率已實(shí)現(xiàn)了跨越式突破，但還是經(jīng)?？吹焦夥娬镜慕y(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，從光伏組件直流轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)交流的轉(zhuǎn)換效率卻低至74~80%。即使逆變器轉(zhuǎn)換效率實(shí)際為98%，但是這個(gè)差額18~24%去哪里了?

有人可能懷疑是交直流電纜線(xiàn)損、直流匯流箱或交流配電柜損耗所導(dǎo)致，但是這部分損耗一般僅為1~3%左右，還是解釋不了這么大的能量損失。其實(shí)，站在整體系統(tǒng)的角度考慮，“發(fā)電量損失”的根源正是“組件串聯(lián)的木桶效應(yīng)所導(dǎo)致的失配損失”，木桶效應(yīng)是光伏發(fā)電損失的罪魁禍?zhǔn)?，這也是本文所要討論的核心問(wèn)題。

01光伏組件的伏安特性

當(dāng)前光伏發(fā)電市場(chǎng)的應(yīng)用主流是晶硅組件，包含多晶和單晶。薄膜電池可彎曲性好、弱光發(fā)電能力較強(qiáng)，但相比較之下，晶硅組件性?xún)r(jià)比、能量密度更高及長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性更好。所以，晶硅組件也成為本文的主要討論對(duì)象。晶硅組件核心材料是量大價(jià)低的半導(dǎo)體硅，主要由電池片、焊帶、背板、邊框、及內(nèi)含旁路二極管的接線(xiàn)盒等構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 晶硅光伏組件的外形圖

光伏組件內(nèi)部電池片的等效模型如圖2所示，其中Rs為組件串聯(lián)阻抗、Rsh為組件自身阻抗。光伏電池本質(zhì)上是一個(gè)電流源，只是這個(gè)電源流被二極管限定電壓至0.5~0.7V。由于晶硅組件內(nèi)部由多個(gè)電池片串聯(lián)而成，因此組件輸出電壓大約為30~42V。

圖2 光伏組件內(nèi)部電池片的等效模型

基于以上電池片等效模型，可以得到以下光伏電流和電壓之間的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系式。根據(jù)高等數(shù)學(xué)的相關(guān)知識(shí)，從這個(gè)函數(shù)關(guān)系可以清楚看出，這兩者之間是一種非線(xiàn)性關(guān)系。

光照強(qiáng)度直接影響組件輸出電流，以sunpower黑硅單晶組件為例，如圖3所示(http://us.sunpower.com/sites/sunpower/files/media-library/data-sheets/ds-e18-series-225-solar-panel-datasheet.pdf)。光照強(qiáng)度為200w/m2時(shí)，組件電流為1.2A;如果光照強(qiáng)度增大至1000w/m2時(shí)，組件電流相應(yīng)增大至6.0A，從而說(shuō)明組件電流與光照強(qiáng)度成正比，反之亦然。

圖3 光伏組件的伏安特性曲線(xiàn)

由圖3也可看到一個(gè)有趣并且重要的現(xiàn)象，即在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件(STC)下，每種光照條件的伏安特性曲線(xiàn)只有一個(gè)拐點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)就是光伏組件的最大功率點(diǎn)(MPP)。另外，如果STC中的環(huán)境溫度由25C增大至50C時(shí)，同種光照強(qiáng)度下組件電流基本無(wú)變化，但組件電壓會(huì)降低，從而說(shuō)明環(huán)境溫度直接影響光伏組件輸出電壓。

圖4清楚說(shuō)明了晶硅組件的溫度特性相對(duì)于25C?標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件，溫度每升高1C?，組件電流可增大0.067%，組件開(kāi)路電壓降低0.33%，組件最大功率降低0.43%。從而溫度對(duì)組件電壓影響較大，但對(duì)組件電流影響不大，基本可以忽略不計(jì)，因而溫度每升高1C?，組件MPP電壓降低0.43%。這里插個(gè)題外話(huà)，在組串中選擇組件串聯(lián)的個(gè)數(shù)時(shí)，需根據(jù)所選用的組件溫度系數(shù)，仔細(xì)核算低溫下組串電壓不可超過(guò)逆變器的最大輸入電壓。

圖4 晶硅組件的溫度特性