屋頂光伏太陽能運行效能分析及解決方案

宋梅

摘 要：介紹了屋頂光伏太陽能的實際運行能效，分析了可能影響能效的原因，提出了解決方案。

關(guān)鍵詞：屋頂光伏；環(huán)境因素；組件損傷；控制系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.24.071

依據(jù)我國光伏平價上網(wǎng)路線圖，未來5年內(nèi)光伏發(fā)電成本就將與火電相當(dāng)。至2050年光伏裝機將占全球發(fā)電裝機的27%，成為第一大電力來源。中國光伏技術(shù)的持續(xù)革新將驅(qū)動新一輪產(chǎn)業(yè)高增長，以進一步降低度電成本，并逐步擺脫行業(yè)對補貼的依賴，進入健康的高增長周期。同時，在應(yīng)用方面，中國也將終結(jié)“兩頭在外”的時代，成為引領(lǐng)全球光伏發(fā)展的絕對龍頭。我國已連續(xù)兩年新增裝機排名第一，在累計裝機量上今年將超越德國，成為新的光伏霸主。放眼未來，我國仍將是全球最主要的增量市場，2020年末裝機100GW的原目標(biāo)將大概率突破[1]。

大唐（上海）電力能源公司投資建設(shè)了大唐上海綜合保稅區(qū)32MWP屋頂光伏項目，該項目被評為上海市金太陽示范項目。該項目采用用戶側(cè)并網(wǎng)發(fā)電，按各企業(yè)分片組成發(fā)電單元的方式設(shè)計和建設(shè)。電站采取在輕鋼屋面廠房、倉庫屋頂采取沿屋面坡度3度傾角方式安裝太陽能板。根據(jù)企業(yè)中每座廠房、倉庫屋頂光伏組件的容量和廠房內(nèi)負(fù)荷大小合理劃分幾個區(qū)域，然后配備容量適當(dāng)?shù)哪孀兤?，組成幾個獨立的發(fā)電單元，多點并網(wǎng)。采用國家統(tǒng)一招標(biāo)規(guī)定的230Wp多晶光伏組件，并合理選擇設(shè)備配置，為下一步在上海乃至全國大面積推廣和發(fā)展建設(shè)做好經(jīng)驗積累。自2012年投產(chǎn)來，光伏電站已成功運營了三年的時間。

1 光伏電站運行數(shù)據(jù)分析

電站自2013年投產(chǎn)運行以來，光能產(chǎn)出數(shù)據(jù)見表1。

光伏電站裝機容量為32MWp， 共170臺光伏發(fā)電機組，至2013年5月全部投產(chǎn)，由于設(shè)備維修等其他因素并未實現(xiàn)滿負(fù)荷發(fā)電。根據(jù)每月統(tǒng)計的產(chǎn)出數(shù)據(jù)統(tǒng)計出三年來發(fā)電量對比如圖2和圖3。

2013年因施工原因，投產(chǎn)機組逐漸增多。發(fā)電量在6月全部投產(chǎn)后呈指數(shù)上升趨勢，對比可見每年7-9月是發(fā)電量高峰期，而11月至1月則發(fā)電量較低。2014年和2015年發(fā)電量變化曲線變化基本一致，圖線變化與上海市氣象局統(tǒng)計的上海市平均光照曲線變化趨勢基本一致。因此光伏機組對太陽能的利用率與太陽輻射變化較為一致。

根據(jù)圖3中三年平均每臺產(chǎn)出數(shù)據(jù)，可看出其中2013年9月平均產(chǎn)出量最多，每臺機組的平均產(chǎn)出變化較大，機組工作狀態(tài)不穩(wěn)定。通過對比發(fā)現(xiàn)，只有2013年9月的產(chǎn)出比例超出設(shè)計值，其他月份均與設(shè)計值相差較大。其中年度總發(fā)電量，2013年為設(shè)計值的46.3%，2014年為63.2%， 2015年為70%。均未達(dá)到設(shè)計值參考產(chǎn)能的75%及以上。

2 未達(dá)設(shè)計值影響因素

太陽能電站產(chǎn)除了受環(huán)境因素影響，還與自身構(gòu)造、電池板材料有關(guān)。下面根據(jù)研究，可能會產(chǎn)生主要影響的要素分析如下：

2.1 環(huán)境因素對太陽能電池板能效的影響

溫度和太陽能輻射照度是影響太陽能設(shè)備輸出效率的兩個主要因素。其他環(huán)境因素，如風(fēng)、雨、云層和太能輻射分布會通過對溫度和太陽能輻射度的間接影響從而影響設(shè)備效率[3]。

2.1.1 溫度

當(dāng)光伏組件在環(huán)境溫度為25℃時工作時，其實際操作溫度將高于環(huán)境溫度，并導(dǎo)致最高14%的能源轉(zhuǎn)化損失[4]。一般來說，單晶硅額定電池工作溫度（NOCT）為40℃。NOCT是指當(dāng)太陽能組件或電池處于開路狀態(tài)，并在以下具有代表性情況時所達(dá)到的溫度[5]。

（1）電池表面光強： 800 W/m2

（2） 環(huán)境溫度： 20℃

（3）風(fēng)速：1m/s

（4）電負(fù)荷： 無（開路）

（5）傾角：與水平面成45°

（6） 支架結(jié)構(gòu)：后背面打開

通過對光伏組件電能生產(chǎn)監(jiān)控實驗發(fā)現(xiàn)[2]，高溫會導(dǎo)致組件產(chǎn)能下降。高風(fēng)速會使環(huán)境溫度下降，從而降低了光伏組件工作溫度，提高產(chǎn)能。低溫是光伏組件的理想工作環(huán)境。當(dāng)環(huán)境溫度高于25℃時，電能損失為標(biāo)準(zhǔn)測試條件（STC）功率的10%，光譜、組件衰減和其他因素會導(dǎo)致約7.7%的電能損失。

2.1.2 太陽輻射照度

太陽輻射照度通過影響光伏組件的多個輸出因數(shù)從而影響輸出效率。太陽能電池性能強烈依賴于光譜分布，不同的太陽能電池材料有不同的光譜輸出。因此光伏組件的不同材料在不同的光譜分布下將產(chǎn)生不同的電能輸出，光譜分布根據(jù)地點和每天時間段的不同而有所不同。

2.2 組件損傷

電池板不匹配導(dǎo)致的損毀的電池板會使太陽能電池板電流減小，在額定電壓范圍內(nèi)工作時[6]，將電能以發(fā)熱形式散發(fā)，使得光伏組件溫度升高。當(dāng)光伏組件在室外超時工作時溫度將進一步升高，將有可能導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的組件損傷。不被旁路二極管保護的不匹配電池組件將引起電能耗散并產(chǎn)生過熱點，從而引起組件損傷。

太陽能電站組件的室外工作功率往往低于額定功率。研究表明氣象條件會引起光伏組件效能損失達(dá)18%。盡管光伏電站設(shè)計使用時間為20-30年，但光伏組件的衰減和過早失效都應(yīng)考慮在內(nèi)。對組件潛在衰減的監(jiān)控是十分必要的。

3 解決方案

3.1 加裝跟蹤式太陽能板

通過長達(dá)13個月的集線器模塊監(jiān)控[3]，對跟蹤式太陽能板（TFP）和固定式太陽能板（FFP）得出如下結(jié)論。夏季固定式太陽能板接收的入射能遠(yuǎn)大于直接照射時所接收能量，冬天則有相反的結(jié)果。跟蹤式太陽能板的電能轉(zhuǎn)化效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于固定式太能板。研究表明跟蹤系統(tǒng)可以在清晨和傍晚的時間顯著段增大電能輸出。

3.2 引入控制系統(tǒng)進行監(jiān)控

在太陽能系統(tǒng)中，太陽能輻射具有不可操作性，并且太陽能輻射隨著季節(jié)和時間變化而變化，在控制理論中這種變化成為一項干擾。太陽能電站的動態(tài)參數(shù)（非線性和不確定性）十分適合先進控制理論。endprint

控制系統(tǒng)可以分為兩部分。第一部分是本地控制，通過設(shè)置好的日光反射裝置，將時間和太陽輻射角度反饋給上層控制系統(tǒng)。第二部分邏輯層面是數(shù)字控制系統(tǒng)（DCS），通過接收到的數(shù)據(jù)控制進行計算，給出下一步指令。

現(xiàn)階段的太陽能板追蹤系統(tǒng)控制趨勢是利用開環(huán)控制系統(tǒng)，根據(jù)太陽能輻射的地點和時間，給出太陽輻射方向。當(dāng)接收器接到溫度和流量分布的模擬信號后，計算機根據(jù)輸入算法中的模擬公式給出每塊板支架的偏移量?？刂茀?shù)的準(zhǔn)確性會因時間、經(jīng)度和緯度、支架位置、處理器精確度和環(huán)境干擾等因素而產(chǎn)生誤差。

很多太陽輻射位置算法的研究均利用了小型計算機。很多算法利用微型計算機增加了追蹤精確度。但研究表明此種算法只在有效時間段內(nèi)有效[7]。大型計算機在長期數(shù)據(jù)監(jiān)測下可以準(zhǔn)確預(yù)測太陽輻射位置并將誤差縮小至0.003度，但經(jīng)濟成本太高。

3.3 降低環(huán)境溫度

通過加空調(diào)等散熱裝置對屋頂光伏進行技術(shù)改造，從而消除環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的影響。將散熱裝置的溫度控制數(shù)據(jù)作為控制參數(shù)，設(shè)定為光伏組件的理想環(huán)境工作溫度，將溫度對光能產(chǎn)出的影響降至最小。也可靈活采用物理降溫，機器清掃等方式，根據(jù)季節(jié)及氣候變化進行應(yīng)對。

4 結(jié)論

本文通過對大唐上海綜合保稅區(qū)32MWP屋頂光伏太陽能2013年至2015年的產(chǎn)出數(shù)據(jù)進行分析，對比發(fā)現(xiàn)產(chǎn)出值僅達(dá)設(shè)計值的70%。發(fā)電量曲線變化同光照曲線變化一致，但單機產(chǎn)出率低。

溫度是影響光伏組件產(chǎn)出的重要因素。當(dāng)環(huán)境溫度高于25oC時，電能損失為標(biāo)準(zhǔn)測試條件（STC）功率的10%，光譜、組件衰減和其他因素會導(dǎo)致約7.7%的電能損失。光伏組件的不同材料在不同的光譜分布下將產(chǎn)生不同的電能輸出。電路原因造成的組件不可逆損傷也是原因之一。

可以通過加裝跟蹤式太陽能板，引入監(jiān)控控制系統(tǒng)和機械降溫等方式提高光能產(chǎn)出率。

參考文獻：

[1]http：//solar.ofweek.com/2015-10/ART-260009-8610-29018000.html專訪李仙德：中英能源合作將如何發(fā)展？

[2]大唐上海綜合保稅區(qū)光伏項目，大唐（上海）電力能源有限公司

[3]Long-term monitoring of photovoltaic devices， E.E. van Dyk， E.L. Meyer， F.J. Vorster， A.W.R. Leitch ，Renewable Energy 25（2002）183-197，

[4]Van Dyk EE， Scott BJ， Meyer EL， Leithch AWR.Temperature dependence of output parameters of crystalline silicon photovoltaic modules. South African Jsci 2000； 96：198-200. （下轉(zhuǎn)第125頁）

（上接第78頁）

[5]IEC 1215. Crystalline silicon terrestrial photovoltaic modules- design qualification and type approval， 1993.

[6]Hermann W， Wiesner W， Vaa?en W. Hot spot investigations on PV modules — new concepts for test standard and consequences for module design with respect to bypass diodes. In： 26th IEEE Photovoltaic Specialists Conference， 1997：1129-32.

[7]Eduardo F. Camacho， Manuel Berenguel， Ignacio Alvarado， Daniel Limon. Control of Solar Power Systems： a survey. Proceeding of the 9th International Symposium on Dynamics and Control of Process Systems， page 809-814.endprint