大功率太陽能建筑一體化光伏并網電站發電數據分析研究

■ 裴振 李德駿,2 王曉晶,2

(1. 武漢紡織大學電子與電氣工程學院； 2. 湖北省光伏工程技術研究中心)

一 引言

光伏發電是最具可持續發展理想特征的可再生能源技術，受到全世界普遍高度關注。日本大地震引發的核泄露事故再次引發全世界對可再生能源，特別是光伏發電的重視，光伏并網發電是光伏應用的主流[1]。其中，光伏建筑一體化(BIPV)尤其受到寵愛。光伏系統與建筑相結合稱為光伏建筑一體化，是近年來利用太陽能發電的一種新概念，它在建筑結構上鋪設光伏陣列產生電力。從建筑、技術和經濟角度來看，光伏建筑一體化有以下優點：無需額外用地或增建其他設施；光伏電池板與建筑的結合可代替部分建筑貼面材料；可原地發電、原地用電；起到消減峰負荷的作用；減少墻體得熱和室內空調冷負荷，節省能源[2]。

武漢日新科技園光伏工程(圖1)是財政部、建設部第二批可再生能源建筑應用示范項目之一，由湖北省光伏工程技術研究中心、武漢紡織大學電子與電氣工程學院共同設計，武漢日新科技股份有限公司承建。項目太陽電池板全部采用BIPV方式安裝，共安裝太陽能組件9911.21m2，光伏裝機總容量800kWp。項目主要采用單晶硅和非晶硅光伏組件。工業園內還安裝了部分多晶硅光伏組件，總計約為10kWp，但并未并網發電。本文分析了電站自2010年11月項目建成投產至2011年10月單晶硅及多晶硅光伏組件在一年時間內的發電情況。

圖1 武漢日新工業園各主要樓宇圖

二 并網光伏電站系統

本系統中太陽電池板均由武漢日新科技股份有限公司生產。單晶硅光伏組件總面積2389.87m2，組件功率總計336.96kWp；非晶硅光伏組件總面積7454.78m2，組件功率總計453.99kWp。

單晶硅光伏組件規格為1580mm×808mm，單塊功率1872W，共計180塊，以18塊為一組串聯，共10組裝置于工業園7#樓樓頂。非晶硅光伏組件共計4758塊，分別裝置于工業園1#、2#、3#、4#樓上，其具體安裝方式及尺寸規格見表1。

表1 非晶硅光伏組件安裝位置及規格(轉換效率均為6.3%)

河南省建筑科技院受住房與城鄉建設部委托對項目驗收時，對單晶硅、非晶硅光伏組件的效率進行了效率評估。測得非晶硅光伏組件的轉換效率為6.3%，單晶硅光伏組件的轉換效率為13.1%。項目年累計替代常規能源量為[3]：

式中，W為武漢地區全年的太陽能輻照量，取為4217.14MJ/m2；Ac為單晶硅和非晶硅光伏組件的面積。

三 數據采集系統

工業園中按照電力部門的要求，安裝了一整套發電及環境監測設備，其組成包括：電能數據采集系統，環境數據采集系統(溫濕度、風力風向、輻照度)[4]。各系統得到模擬量通過A/D轉換為數字信號，由485總線接入上位機存儲，并可通過數據查詢軟件實時查詢各傳感器采回的數據。整套系統數據自逆變器6:30開機開始采集，至18:30逆變器關機結束。電能數據每30s記錄一次，環境數據每5min記錄一次，每日發電量通過實時值累加得到。

圖2 監測設備

四 一年時間內電站各項數據分析

1 發電數據分析

通過一年來發電數據的采集，得到非晶硅光伏組件一年累積發電量337813kWh，單晶硅光伏組件累積發電量303895kWh；其中非晶硅光伏組件日均發電量925.51kWh，單晶硅光伏組件日均發電量832.58kWh。經計算，非晶硅光伏組件每年發電量為744.42kWh/kWp，單晶硅光伏組件每年發電量為901.87kWh/kWp。

圖3為2010年11月～2011年10月每1kWp單晶硅、非晶硅組件的每月發電量。圖4為2010年11月～2011年10月武漢地區的溫度和降水量。圖5為2010年11月～2011年10月中國輻射國際交換站日值數據集。從圖3～圖5可知，輻照最高值出現在每年的9月，次高值出現在11月，輻照量從每年的12初開始遞減，最低值出現在每年的1～2月份，次低值出現在6月，每年太陽輻照的豐度區主要集中在4、5月和7、8月。11月與以上4個月相比，雖然直接輻射量較大，但氣溫較低，因此，發電量不如4、5、7、8這4個月。同時，對比輻照情況及降水均相近的3月與9月，因9月氣溫較3月有明顯降低(平均氣溫低約5℃)，考慮到文獻[5]中提及的逆變器等設備低溫啟動問題可知，氣溫是影響太光伏電站性能的一個重要因數，25℃是一個重要的分水嶺。

圖3 2010年11月～2011年10月每月單晶硅、

圖4 2010年11月～2011年10月氣溫、降水量變化情況

圖6為每樓棟每月的發電量統計。從圖6中可知，采用單晶硅的7#樓發電量最大，其他樓棟發電量排名依次為2#、3 #、1#、4#樓。1#、4#樓采用非晶硅光伏組件，其發電量受到天氣的影響較小，但相應的發電量也不高。

對比2#、3#樓的非晶硅光伏組件發電情況(如表2)，3#樓的系統裝機容量為2#樓的55.5%，3#樓的發電量為2#樓的50%～65%，平均為56.7%。其原因在于2#樓采用的是弧形屋頂，3#樓采用的是斜坡式屋頂，并且采用正南17?的傾角，因此，3#樓在太陽高度角較低的月份與2#樓相比發電量較高，而在太陽高度角較高的月份相對較低。同時，3#樓的屋頂因傾角較大，灰塵的積累較少，而2#樓屋頂較平緩，會積累大量灰塵，從而影響陽光透射，并使光伏組件接收到的太陽光譜發生變化，造成短波光譜減少[5]。

表2 2#樓與3#樓各月發電量對比

2 光伏組件性能分析

選取3月28日數據，分析單晶硅與非晶硅光伏組件受氣候影響的程度。由圖7可知，在無云的情況下，單晶硅與非晶硅光伏組件的功率因數均趨近于1，但在午后，云層逐漸增多，單晶硅系統的效率下降較為嚴重，而非晶硅系統對于云層的影響效果不明顯。這主要是由于非晶硅太陽電池的散射光吸收性較強[6]。

3 逆變器性能分析

選取2011年3月28日2#樓的發電情況分析非晶硅光伏組件的逆變器效率。當日該樓的非晶硅光伏組件共發電686kWh。逆變器功率因數與發電功率之間關系如圖8所示。

在上午7:30時左右，功率因數已經達到0.95以上，此時光伏組件的瞬時發電功率約為102W。下午17:20時發電系統的功率因數下降至0.95以下，此時對應的光伏組件瞬時發電功率約為124W。從逆變器的廠商說明書中可知，逆變器的正常工作功率因數在0.95以上。因此，對于2#樓，當光伏組件的瞬時發電功率達到102～124W時，便能正常發電。目前，日新為了防止逆變器空轉，采取人工關閉逆變器的管理方式，但逆變器的開關是按照工作人員作息時間決定，如遇到雨雪天，光伏組件因光照不足，不能達到逆變器要求的額定輸入功率，逆變器便會產生空轉現象。目前，部分逆變器廠商已經意識到了這一情況，在系統中加裝功率因數檢測裝置。但由于該設備還沒有一個相應的行業標準，因此造成部分電站的發電設備變成了用電設備。

五 結論

從該項目運行一年的數據分析，可以得出以下結論：

(1)在光伏組件標稱功率相同的情況下，不同類型的光伏組件發電量存在一定差距，這是由電池板性能決定的；(2)在目前非晶硅光伏組件的效率還較低的情況下，單晶硅仍將是光伏并網發電的主流材料；(3)武漢地區5、7、8月因天氣晴好天數較多且氣溫較適合于發電，因此發電量較多，是太陽能發電的較好時機；(4)不同的建筑發電性能由建筑的結構決定，因此已建成建筑的發電性能與理論值存在較大差距；(5)逆變器設備應盡快制定出一套國家標準，以規范其性能指標。

[1]趙玉文. 我國光伏產業現狀、趨勢及思考[R]. 武漢: 2011年光伏產業與建筑節能論壇, 2011.

[2]楊洪興, 韓俊, 孫亮亮. 香港太陽能光伏建筑一體化的研究與進展[J]. 新材料產業, 2008, (9): 25－31.

[3]河南省建筑科學研究院. 國家可再生能源建筑應用示范項目測評報告[R]. 武漢, 2010.

[4]Q/GDW617－2011, 光伏電站接入電網技術規定[S].

[5]張紅超, 馬春英, 李全喜, 等. 環境對太陽能光伏逆變器性能影響的試驗方法研究[J]. 電力系統保護與控制, 2011, 39(16): 135－138.

[6]許盛之, 趙庚申, 王慶章, 等. 南開大學校園光伏并網示范電站運行報告[A]. 第八屆全國光伏會議暨中日光伏論壇論文集[C],2004: 545－547.