最新实测数据来了!看看哪种光伏组件发电量高?
今年3月份，我们发布了《单晶PERC组件多发电实证案例》的文章，通过单月的发电量分析，就湿热海洋性气候环境与干热气候环境下PERC组件与多晶组件的发电能力进行对比，验证了290W的单晶PERC组件相对260W多晶的低辐照性能、工作温度等优势。本文对比了同样的单晶PERC290W组件与270W多晶组件的月的发电情况(组件均来自一线大厂)。
两套发电系统情况如下表，三亚湿热海洋气候实证电站 (以下简称三亚实证电站或基地)使用两台 3kW 逆变器，分别接入8块晶硅组件。2016 年
8月底已完成安装。
交、直流发电量都由表精确读取。比发电量(单位安装容量下的发电量)安装组件实测的总功率进行计算，而非按标称功率。至2017年初，两种组件都已实际运行4个月。
一、比发电量的对比
将实证电站月份每日发电量进行统计，对单晶PERC组件/多晶组件发电量进行对比，结果如图1所示，横坐标为运行的时间日期，纵轴为光伏系统每kW的日发电量。日直流比发电量主要分布于1~6
kWh/kW范围之内。单晶PERC组件1~4月间每月日均直流比发电量分别为：4.03 kWh/kW、4.45 kWh/kW、4.814 kWh/kW、4.61
kWh/kW，多晶组件1-4月间每月日均直流比发电量分别为：3.91 kWh/kW、4.31kWh/kW、4.64 kWh/kW、4.41
kWh/kW。1~4月份单晶PERC组件相对多晶每月日直流比发电量增值分别为：3.19%、3.42%、3.72%、4.35%。其中整4个月间单晶PERC组件每日平均直流比发电量为4.47kWh/kW，多晶为4.32kWh/kW，
单晶PERC组件日均直流比发电量相对多晶高出0.15
kWh/kW。单晶PERC组件相对多晶组件每日增发电比例范围为2%~6%，4个月周期内日平均增发电量为3.67%。
图1：月直流发电统计
图2对1~4月单晶PERC组件与多晶日交流比发电量进行统计(交流表记录值)，结果同样介于1~6
kWh/kW范围之内，其中单晶PERC组件交流日均比发电量为4.28
kWh/kW，多晶为4.11kWh/kW，单晶PERC组件日均交流比发电量相对多晶高出0.17
kWh/kW，整个周期单晶PERC组件相对多晶日均交流发电量在增发比例为4.13%，相对于直流比发电量增加值3.67%有所增加。原因主要是该系统DC/AC偏低，单晶PERC组件工作电压高，组串工作电压相对多晶更多时间处于逆变器MPPT范围内，因此逆变器转换效率更高。
图1：月交流发电统计
二、针对不同辐照范围的发电对比
图3：2017年3月不同辐照度下的发电情况
图4：2016年12月不同辐照度下的发电情况
图5：2017年3月不同辐照度的占比
我们对3月份不同辐照度下单晶PERC组件与多晶组件直流比发电量进行了统计。结果显示在任一辐照度范围内单晶PERC组件相对多晶均显示出高的发量，趋势与16年12月份相同-随辐照降低两种组件比发电量差值有增大的趋势，0~200
W/m2辐照时PERC组件比发电量比多晶组件高5.6%，不同的是3月份1000W/m2左右的辐照条件下PERC组件的发电优势仍非常明显，1000W/m2以上辐照时比发电量增加值为2.73%(16年12月为0.45%)，这应主要是3月份，组件的工作温度更高因此PERC组件功率温度系数的优势体现出来、两种组件的工作温度差也更高。对于这样的户外发电情况，只有0~200W/m2的发电基本反映实验室测试的组件低辐照性能，其他辐照段都无法排除温度的影响。另外，相对1月份，3月份的辐照量明显增加，尤其是800W/m2以上的辐照部分，占比也有16年12月的36%提高到45%。
三、对组件工作温度差的分析
图6：月组件不同月份的最高温度
在上一篇文章中，我们所统计的组件平均温度是对全天数据取平均的结果，因此难以反映组件主要发电状态下的实际工作温度以及两种组件的温度差，也与从业者的经验所不符。此次选择了组件的月最高温度进行对比，结果如图3。随平均环境温度由1月的23.8度提高到4月的26.8度，环境最高温度由30.0度提高到32.8度，多晶组件最高工作温度始终高于环境温度30摄氏度以上，4月份达64.41度。单晶PERC组件的工作温度则始终低于多晶组件，2、3月份的工作温度差达到4.3度以上，对4个月取平均，温差为3.67度。
对于最高温度差是否能代表工作状态下的平均温度差，我们选取了2月7日的发电情况与组件工作温度进行了分析。首先看2月7日的发电数据，如图5。每5分钟统计一次直流发电量，辐照量同样统计5分钟内的总辐照量。PERC组件对应的逆变器早晨7：30有发电数据，而多晶组件7：35有发电数据;停止发电的时间分别为18：30和18：20。根据统计到的数据，这部分对直流比发电量的贡献为4.3Wh/kW。
图7：单晶PERC与多晶日实时发电量统计
由图7可见，从早晨7:30分开始辐照量(5分钟内)由0.014MJ/m2逐步增加至12:50的0.309 MJ/m2，随后辐照度逐步由18:50降至0
MJ/m2.组件随辐照度增强组件发电量同步增强，单晶PERC系统发电量由开始的0.01 kWh 增加至12:50达到峰值(辐照度峰值)0.211
kWh，多晶系统发电量由开始时的的0.01 kWh 增加至12:10达到峰值0.181
kWh;13:00后随辐照度下降组件发电量逐步降低，至18:30分组件发电量降至0后逆变器关闭。一天之内组件约发电时间11小时，当天单晶PERC系统直流总发电量为14.58
kWh，多晶系统直流总发电量为13.12 kWh，单晶PERC相对多晶的直流比发电量差值为0.175kWh/kW，即175Wh/kW。
图8：单晶PERC与多晶日实时温度统计
图8为2月7日组件表面温度与环境温度的实时统计值，对比图7可知随光伏系统发电提高，单晶PERC组件与多晶组件的温差开始变大，早8：15以后、下午17：45以前，单晶PERC组件温度才高于环境温度。当日组件最高温度发生在12：20，单晶PERC组件50.68度，多晶组件53.89度，环境温度28.09度;两种组件温差3.21度。
对不同时间点的组件温度差用该时间点的组件发电量做加权平均(环境温度用PERC的发电量做加权平均)，所得到的平均温度为单晶PERC组件43.03度，多晶组件46.17度，环境温度27.00度;温差3.13度。可知多晶组件平均温度高于平均环境温度19.17度，而两种组件的平均温度差与最高温度差相当(3.13vs3.21度)，因此用月最高温度差代表组件工作状态下的平均温度差是可行的。
那么按两种组件平均温度差3.5度(43.0度、46.5度)，功率温度系数分别按-0.39%/oC和0.41%/oC，单晶PERC组件的实际功率应比多晶组件高1.97%。可估算1~4月单晶PERC组件与多晶组件直流比发电量150Wh/kW的差值中(单晶PERC4.47kWh/kW，多晶4.32kWh/kW)，约有85Wh/kW是温度相关的原因贡献的。
本文给出了290W单晶PERC组件相对于270W多晶组件在中国电器院工业产品环境适应性国家重点实验室三亚湿热海洋气候实证基地更长时段(月)的发电对比情况，单晶PERC组件平均多发电3%以上。单晶PERC组件保持其低辐照发电优势并体现出比多晶组件工作温度低~3.5oC的优势。但1~4月比发电量优势的扩大(3.19%、3.42%、3.72%、4.35%)不足以通过以上两点优势来解释(4月两种组件的工作温度差高于2月和3月)，很有可能与单晶PERC组件(Hi-MO1)更低的衰减有关，我们将在电站运行1年期满后对组件功率进行测试以佐证这一判断。
作者单位：中国电器科学研究院有限公司工业产品环境适应性国家重点实验室;
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所需积分：0通过对比水平式与固定倾角可调、平单轴跟踪、斜单轴跟踪、双轴跟踪、倾角固定等不同阵列安装形式的太阳能发电装置，分析发电量差异，讨论了不同类型单多晶组件的发电性能差异。结果表明：单晶组件搭配固定倾角可调支架体系时具有相对的综合优势。...
选择稳定、高效、适用的太阳能发电装置是建设高质量光伏电站的基础。通过对比水平式与固定倾角可调、平单轴跟踪、斜单轴跟踪、双轴跟踪、倾角固定等不同阵列安装形式的太阳能发电装置，分析发电量差异，讨论了不同类型单多晶组件的发电性能差异。结果表明：单晶组件搭配固定倾角可调支架体系时具有相对的综合优势。该评估结果可为光伏建站发电装置的选型提供一定的参考。
关键词：清洁能源；发电量；安装支架；单多晶组件
0 引言太阳能是一种取之不尽，用之不竭的能源。随着世界对环境保护的关注，大规模开发利用太阳能是减少空气污染和有害气体排放的有效措施之一[1]。截止2012年底，中国装机容量达到5GW，然而国内市场都在关注光伏电站的系统成本，而对实际成本，即度电成本关注不足。度电系统包括实际成本和总发电量，系统成本越低，实际发电量越多，则度电成本越低，电站投资回报越高。随着2013年国务院出台“国发24号文”等多个政策文件，从上网电价、补贴资金、并网管理等多个层面，引导光伏电站的建设思路由建设系统成本向度电成本转变，度电成本成为关注焦点。采用稳定、适用、高效的太阳能发电装置，合理选择单多晶组件，增加发电量，成为建设高效光伏电站的研究热点。
为分析不同光伏安装装置的发电量差异，需要对比水平式、固定倾角可调、平单轴跟踪、斜单轴跟踪、双轴跟踪、倾角固定等不同阵列安装形式的太阳能发电装置的性能差异和所选用搭配的单多晶组件差异，利用软件根据辐射量预估其发电量，从而分析单多晶组件结合新型支架安装体系对发电量影响，评估结果可为光伏建站的发电装置选型提供一定参考。
1 太阳能光伏装置太阳能是一种辐射能，具有即时性，必须即时转换成其它形式能量才能利用和贮存。[2]太阳能光伏装置是一种利用太阳能光伏组件将太阳能转换为电能的装置，然而太阳能有低密度，间歇性和不稳定性的缺点，难以收集。目前，光伏支架市场以固定式为主，采用新型优化阵列运行方式是解决其不稳定性缺点的一个主要方法。如太阳能跟踪装置，它是一种为了使太阳能电池板处于最优位置，可以在一天的每个时刻最大化接收太阳辐射的装置，太阳能跟踪装置可以提高光伏系统发电量[3]。使用太阳能跟踪装置的目的是捕捉更多的太阳辐射，从而提高发电量。本文研究了固定式和固定倾角可调、平单轴跟踪、斜单轴跟踪[4]、双轴跟踪[5][6][7]等几种不同类型跟踪装置。
1.1太阳运行天文规律太阳相对地球的位置通常用高度角和方位角两个坐标决定，如同2.1所示。在某个时刻，在地球地表面上处在不同位置，那么该处的高度角和方位角各不相同[2]。图1 地平坐标系（a）与入射角（b）Fig. 1The horizontal coordinates system (a) and the Angle of incidence (b)
1.1.1高度角αs高度角就是太阳平行光线OP与其在水平面上的投影线Pg之间的夹角，它表示太阳高出水平面的角度，决定光伏阵列的倾角，如图1(a)所示αs[2]。
1.1.2方位角γs方位角就是太阳光线在地平面上投影和地平面上正南方向线之间的夹角。它每时刻都变化，表示太阳光线的水平投影偏离正南方向的角度，单轴跟踪装置通常跟踪方位角来实现跟踪，方位角如图1(a)所示γs[2]。
1.1.3入射角θT太阳照射到地表倾斜面时，将太阳入射线与倾斜面法线之间的夹角定义为太阳入射角，如图1(b)所示θT [2]。
1.1.4 影响太阳辐射的因素太阳辐射到达地面由太阳以平行光的形式直接投射到地面上的太阳直接辐射和经过散射后到达地面的散射辐射两部分组成，不考虑大气透明系数和大气质量，电池组件接收太阳总辐射与该处的高度角和方位角相关。
1.2不同安装方式的太阳能装置运行原理不同安装方式的太阳能装置是根据改变不同的太阳高度角和方位角来接收辐射量的。
固定式装置一般朝南放置，取最佳倾角，该倾角与太阳高度角有关，倾角的选取依据当地地理条件。
固定倾角可调装置是在固定式的基础上做了改进，可以根据四季调节倾角，使倾角接近高度角，从而增加电池板表面接收到的辐射量。
单轴跟踪是通过围绕位于光伏方阵面上的一个轴旋转来跟踪太阳。该轴可以有任意方向，但通常取南北横向，东西方向跟踪每时刻都在变化的太阳的方位角实现跟踪。单轴跟踪根据倾角角的不同又分为平单轴和斜单轴。
双轴跟踪器：它通过旋转两个轴使方阵表面始终和太阳光垂直。两个旋转轴分别跟踪太阳高度角和方位角，实现太阳辐射接收的最大化。
2 实验结果分析模拟试验地点选在中国陕西渭南区域，该地域年辐射量4701.6MJ/m2。事宜建设光伏电站发展光伏产业。渭南地区气象资料信息见表1。表1渭南地区气象资料信息表月份日均辐射量(kWh/m2)大气压力（KPa）风速（m/s）12.8791.52.523.3991.32.633.9791.02.844.9290.62.955.3690.42.765.3390.02.575.2189.92.384.7690.32.293.7790.82.3103.1391.32.2112.7191.52.5122.6291.72.5年平均数4.0190.92.5利用RETScreen软件的气象条件模块可通过NASA气象数据库查询渭南地区的气象数据，主要查询辐照度，即每月日平均辐照度。表2记录了不同安装方式各装置的日辐照度表2 不同安装方式各装置的日辐照度
图2不同安装装置各月日辐照度
图2为不同安装方式光伏装置每月的日辐照度图，据图和表可以整理出各种光伏装置在年总辐射照度，其中，水平面年总辐射量为1463.65 kWh/㎡，依次计算出各个光伏装置的年总辐射量，如表3所示。表3 不同支架方阵面上的年总辐射量（单位：kWh/㎡，不考虑相互遮挡影响）项目
固定式(30°)
斜单轴（30°）
年总辐射量(kWh/㎡)1463.651624.251682.651854.21983.32061.1
年总辐射量(%)90.1%100.0%103.6%114.1%122.1%126.9%
从表3可以看出，采用固定倾角可调、水平单轴、斜单轴和双轴的发电量明显高于固定式，其中斜单轴和双轴最为明显。平单轴较之于固定式，其年总辐射量多出14.1%；固定倾角可调支架体系较传统固定式，其年总辐射量增加3.6%，固定倾角可调支架结构简单可靠，造价成本低，没有电机驱动部件维护简单，并且没有增大土地使用面积，是目前性价比较高的一种支架安装方式；而斜单轴和双轴跟踪分别多出22.1%和26.9%。但就发电量而言，双轴跟踪系统自然最高。
3.单多晶组件使用分析单晶组件和多晶组件在结构缺陷方面存在差异，多晶硅中有大量晶界和位错，使得多晶组件在发电过程中温升较单晶更快。因此，多晶组件的发电量较单晶通常要少一些。
相同功率的单多晶组件，多晶电池的反向饱和电流大于单晶电池，标准光强下单晶电池的短路电流大于多晶电池[8]，在弱于标准光强Ic时，两个电池的开路电压有差异，光照强度月底，输出功率相差越大，即单晶硅电池的弱光性优于多晶硅。
光伏组件作为整个光伏电站的基础发电单元，其发电能力是整个电站发电效果的关键，业内相关单位为了研究组件发电效果也开展了单、多晶组件发电能力测试，长期实验表明单晶组件的发电量高于多晶组件。[9]通过理论计算、光谱响应、弱光性能、温度特性等因素的差异研究表明：单晶组件单块组件功率更高，同等装机容量下需要安装的组件数量较多晶更少，直接减少线缆损耗；单晶组件在弱光条件下的发电能力相对多晶组件更有优势，一旦接入光伏系统中，单晶组件的弱光优势会使得单晶组件方阵比多晶组件方阵启动更早，停发电时间更晚，使得单晶组件比多晶组件方阵发电时间更长[9]。
综合上述，基于单多晶发电性能的差异，评估采用单晶组件搭配固定倾角可调支架体系时具有相对的综合优势，其发电效果将优于基于相同支架的多晶组件搭配。
4.结论依据辐射量预估不同类型跟踪装置的发电量，通过模拟对比发现：双轴跟踪比固定式多发电26.9%，发电量最多；平单轴和斜单轴较之于固定式，其年总辐射量分别多出14.1%和出22.1%；固定倾角可调比单纯的固定式多发电3.6%。由于固定倾角可调支架的结构简单可靠，造价成本低，没有电机驱动部件维护简单，并且没有增大土地使用面积，因而综合评估认为是目前性价比较高的一种支架安装方式。
同时，根据单多晶发电性能的差异，评估采用单晶组件搭配固定倾角可调支架体系时具有相对的综合优势，其发电效果将优于用相同支架的多晶组件搭配。
参考文献[1]马胜红 ,赵玉文 ,王斯成 ,孔力 ,李安定 ,朱瑞兆 ,胡学浩 ,张正敏 ,白建华. 光伏发电在我国电力能源结构中的战略地位和未来发展方向[J]. 中国能源,-32.
[2] 杨金焕.太阳能光伏发电应用技术[M].北京：电子工业出版社，2010
[3]MatthewLave, Jan Kleissl. Optimum fixed orientation and benefits of tracking forcapturing solar radiation in the continental United States [J]. RenewableEnergy, 5–1152.
[4] Li Z,Liu X, Tang T., 2010. Optical performance of inclinedsouth–north single-axis tracked solar panels. Energy 35, .
[5] Sungur C.,2009. Multi-axes sun-tracking system with PLC control for photovoltaic panelsin Turkey. Renew Energy 34(4), .
[6] Abdallah S, BadranOO., 2008. Sun tracking system for productivity enhancement of solar still.Desalination 220, 669–676.
[7] Abu-KhaderMM, Badran OO, Abdallah S., 2008. Evaluating multi-axes sun-trackingsystem atdifferent modes of operation in Jordan. Renewable and Sustainable EnergyReviews 12, 864–873.
[8] 原帅等.浙江大学硅材料国家重点实验室.2015. 光照强度对单多晶太阳电池和组件性能的影响. 中国太阳级硅及光伏发电研讨会（CSPV）
[9]黄河水电光伏产业技术有限公司.2016. 单、多晶组件长时间发电能力对比研究
文章来源：《中华新能源》
作者：李欢东
西安隆基清洁能源有限公司
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