提升光伏地面電站發(fā)電效率的研究
———以天富能源股份有限公司20MW光伏地面電站為例

李景云

（1.新疆天富能源股份有限公司，新疆 石河子 832000；2.石河子大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院）

提升光伏地面電站發(fā)電效率的研究
———以天富能源股份有限公司20MW光伏地面電站為例

李景云1，2

（1.新疆天富能源股份有限公司，新疆 石河子 832000；2.石河子大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院）

本文以新疆天富能源股份有限公司已投產(chǎn)運(yùn)行的20MW光伏地面電站為例，運(yùn)用理論分析和實(shí)證分析相結(jié)合的方法，找出影響光伏電站發(fā)電效率的因素，并與電站的實(shí)際發(fā)電數(shù)據(jù)相結(jié)合，提出提升光伏地面電站的途徑，對(duì)光伏電站的建設(shè)和運(yùn)營有一定的參考價(jià)值。

光伏電站；發(fā)電效率；多路MPPT

1 引言

太陽能資源是一種清潔的再生能源，符合國家產(chǎn)業(yè)政策。項(xiàng)目建成運(yùn)行后，對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有較大的促進(jìn)作用，經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益明顯。光伏發(fā)電是將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能的過程，生產(chǎn)過程不產(chǎn)生任何有害物質(zhì)及噪聲，工程建設(shè)對(duì)當(dāng)?shù)卮髿猸h(huán)境、聲環(huán)境、電磁環(huán)境無影響，對(duì)環(huán)境影響很小[1]。光伏發(fā)電是環(huán)境效益最好的電源之一，是我國鼓勵(lì)和支持開發(fā)的可持續(xù)發(fā)展的新能源。光伏發(fā)電站的建設(shè)代替燃煤電站的建設(shè)，將減少對(duì)周圍環(huán)境的污染，并起到利用清潔可再生資源、節(jié)約不可再生的化石能源、減少污染及保護(hù)生態(tài)環(huán)境的作用，具有明顯的社會(huì)效益和環(huán)境效益。

新疆占地面積廣闊，適宜發(fā)展光伏地面電站。石河子日照資源也較為豐富。合理開發(fā)利用光能資源，是能源和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的需要，也是實(shí)現(xiàn)地區(qū)國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的需要；是加快能源電力結(jié)構(gòu)調(diào)整的需要，也是改善生態(tài)、保護(hù)環(huán)境的需要。

2 天富光伏發(fā)電項(xiàng)目簡介

新疆天富能源股份有限公司是集火電、水電、供電、供熱、送變電設(shè)備安裝、電力設(shè)計(jì)、房地產(chǎn)開發(fā)、信息技術(shù)開發(fā)、機(jī)電設(shè)備銷售、水電熱力設(shè)備安裝為一體的上市公司，是石河子的能源基礎(chǔ)支柱企業(yè)。

為了解決八師用電矛盾，調(diào)整八師能源結(jié)構(gòu)，合理、有序地推動(dòng)八師太陽能資源利用，實(shí)現(xiàn)八師太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)快速、有序地大規(guī)模開發(fā)，新疆天富能源股份有限公司積極投身可再生能源電力項(xiàng)目的開發(fā)建設(shè)，已在兵團(tuán)第八師一四八團(tuán)投資建設(shè)大型并網(wǎng)光伏電站，一期建設(shè)容量為20MW，該項(xiàng)目已于2014年11月底并網(wǎng)發(fā)電。太陽能電站光伏陣列單元由太陽能電池板、陣列單元支架組成。陣列單元按平板固定傾角式方案進(jìn)行布置。

3 影響光伏發(fā)電項(xiàng)目發(fā)電效率的因素分析

影響光伏發(fā)電項(xiàng)目投資效益的因素眾多，主要可以分為自然因素、設(shè)備因素及政策因素等。

3.1 自然因素

3.1.1 太陽輻射量的影響

太陽電池組件的光電轉(zhuǎn)換效率在一定的情況下，太陽的輻射強(qiáng)度決定了光伏系統(tǒng)的發(fā)電量。光伏系統(tǒng)對(duì)太陽輻射能量的利用效率僅有10%左右（太陽電池效率、灰塵損失、蓄電池效率、組件組合損失、控制逆變器損失、線路損失等），光伏電站的發(fā)電量取決于太陽輻射強(qiáng)度，太陽的輻射強(qiáng)度及光譜特性是隨著氣象條件的變化而改變的。

3.1.2 太陽的方向角因素影響

從傾斜面上的太陽輻射總量和太陽輻射的直散分離原理可推斷出：傾斜面上的太陽輻射總量是由天空散射量、直接太陽輻射量和地面反射輻射量三部分組成。每天，太陽光照與太陽能光伏電池板之間的角度隨時(shí)間的變化在不斷變化，這也將直接影響組件的功率輸出。在黎明時(shí)，“組件”的輸出功率為零值，隨時(shí)間推移逐漸上升，并隨著太陽入射角的變化，相同維度的條件下，陣列朝向東方的組件產(chǎn)生的功率將會(huì)是朝正南方向的84%。

3.1.3 溫度因素影響

光伏組件的輸出功率隨著組件溫度的升高而相應(yīng)減小。溫度每上升1℃，晶體硅太陽電池的最大輸出功率將下降0.04%，開路電壓也隨之下降0.04%。而短路電流將上升。當(dāng)太陽光直射屋頂上的光伏組件時(shí)，組件內(nèi)部溫度將會(huì)達(dá)到50～70℃。對(duì)單晶硅組件而言，溫度的升高將導(dǎo)致組件功率下降至實(shí)際功率的90%。

3.1.4 堆積灰塵因素影響

據(jù)統(tǒng)計(jì)，電站的灰塵損失可能達(dá)到6%，因此組件需要經(jīng)常擦拭，以保證正常發(fā)電量的產(chǎn)出。堆積在太陽能電池板表面的灰塵將影響太陽光的透射，并因此而減少輸出功率。按照經(jīng)驗(yàn)計(jì)算，一般情況下每年由于塵埃因素造成的系統(tǒng)功率下降大約為原額定值的93%。

3.1.5 冬季及降雪的影響

北疆冬季漫長且降雪較多，堆積在電池組件上的厚雪無法自行融化，將使項(xiàng)目發(fā)電量大幅降低，甚至直接降為0。因此，降雪成為影響冬季光伏電站收益的重要因素。

3.2 設(shè)備因素

3.2.1 電池組件原料硅的轉(zhuǎn)化率直接影響發(fā)電量

目前太陽能光伏電池主流的原材料是硅，因此硅材料的轉(zhuǎn)化率一直是制約太陽能光伏產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的重要因素。而今硅材料轉(zhuǎn)化率的經(jīng)典理論極限為40%。但在實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造的記錄為29%，目前商業(yè)運(yùn)行的光伏電站的轉(zhuǎn)化率一般為14%～16%。根據(jù)工業(yè)和信息化部和國家能源局、國家認(rèn)監(jiān)委聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于促進(jìn)先進(jìn)光伏技術(shù)產(chǎn)品應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的意見》，規(guī)定光伏發(fā)電項(xiàng)目新采購的光伏組件應(yīng)滿足工業(yè)和信息化部 《光伏制造行業(yè)規(guī)范條件》（2015年）相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)要求?！捌渲?，多晶硅電池組件和單晶硅電池組件的光電轉(zhuǎn)換效率分別不低于15.5%和16.0%；高倍聚光光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率不低于28.0%；硅基、銅銦鎵硒（CIGS）、碲化鎘（CdTe）及其他薄膜電池組件的光電轉(zhuǎn)換效率分別不低于8.0%、11.0%、11.0%和10.0%；多晶硅、單晶硅和薄膜電池組件自項(xiàng)目投產(chǎn)運(yùn)行之日起，一年內(nèi)衰減率分別不高于2.5%、3.0%和5.0%，之后每年衰減率不高于0.7%，項(xiàng)目全生命周期內(nèi)衰減率不高于20.0%。 高倍聚光光伏組件自項(xiàng)目投產(chǎn)運(yùn)行之日起，一年內(nèi)衰減率不高于2%，之后每年衰減率不高于0.5%，項(xiàng)目全生命周期內(nèi)衰減率不高于10%?！?/p>

3.2.2 組件匹配及線路因素影響

光伏系統(tǒng)的直流、交流回路的線損要控制在5%以內(nèi)。為此，設(shè)計(jì)上要求采用導(dǎo)電性能好的導(dǎo)線，且導(dǎo)線需要有足夠的直徑。施工絕不允許有偷工減料。并且系統(tǒng)維護(hù)時(shí)要特別注意接插件以及接線端子是否牢固。凡是并連就會(huì)由于組件的電壓差異造成電壓損失；凡是串連就會(huì)由于組件的電流差異造成電流損失。

3.2.3 直流轉(zhuǎn)換為交流因素的影響

太陽能光伏電池組件產(chǎn)生的直流電必須經(jīng)過光伏逆變器才能轉(zhuǎn)換成一定標(biāo)準(zhǔn)的交流電輸入電網(wǎng)。在這個(gè)轉(zhuǎn)換過程當(dāng)中也將損失部分能量，同時(shí)直流電從屋頂組件傳到逆變器及用戶配電柜的線路時(shí)，也將損失部分能量。目前，家用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中使用的逆變器的峰值效率一般都在98%左右，這是光伏逆變器生產(chǎn)廠商給出的峰值效率，一般是在工廠相當(dāng)良好的環(huán)境控制條件下測(cè)得的。然而控制器的充電回路、放電回路壓降均不得超過系統(tǒng)電壓。目前主流逆變器標(biāo)稱效率在80%～95%之間[2-3]。

3.3 政策因素

國家對(duì)光伏發(fā)電項(xiàng)目按照發(fā)電量進(jìn)行補(bǔ)貼，主要政策為電價(jià)補(bǔ)貼政策。根據(jù)國家發(fā)展改革委《關(guān)于發(fā)揮價(jià)格杠桿作用促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的通知》發(fā)改價(jià)格[2013]1638號(hào)，石河子屬于二類地區(qū)，電價(jià)為0.95元/度。光伏電站標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)高出當(dāng)?shù)厝济簷C(jī)組標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)（含脫硫等環(huán)保電價(jià)，下同）的部分，通過可再生能源發(fā)展基金予以補(bǔ)貼。對(duì)分布式光伏發(fā)電實(shí)行按照全電量補(bǔ)貼的政策，電價(jià)補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)為0.42元/kW·h（含稅，下同），通過可再生能源發(fā)展基金予以支付，由電網(wǎng)企業(yè)轉(zhuǎn)付。其中，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)自用有余上網(wǎng)的電量，由電網(wǎng)企業(yè)按照當(dāng)?shù)厝济簷C(jī)組標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)收購。

4 天富光伏發(fā)電效率及投資效益分析

天富光伏發(fā)電項(xiàng)目投資概算包括光伏電站、集電電纜、場(chǎng)區(qū)道路、接入系統(tǒng)以及配套建設(shè)的生產(chǎn)管理用房等。工程設(shè)計(jì)總投資為19908.71萬元，靜態(tài)投資為19403.19萬元，單位千瓦靜態(tài)投資9701.60元，單位千瓦動(dòng)態(tài)投資9954.44元。

項(xiàng)目運(yùn)營期年平均上網(wǎng)電量25550MW/h，根據(jù) 《國家發(fā)展改革委關(guān)于完善太陽能光伏發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)政策的通知》（發(fā)改價(jià)格[2011]1549號(hào)）文件規(guī)定，工程上網(wǎng)電價(jià)為0.812元/kW·h（不含增值稅，含增值稅為0.95元/kW·h）計(jì)算，銷售收入總額（不含增值稅）53935.77萬元。貸款償還期為15年，全部投資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率（稅后）為8.14%，投資回收期（稅后）為10.97年，自有資金內(nèi)部收益率為13.94%，投資利稅率為4.38%，總投資收益率6.16%，通過設(shè)計(jì)可以看出，項(xiàng)目具有一定的盈利能力。

實(shí)際運(yùn)行過程中，為提升發(fā)電效率，將20MW裝機(jī)分成東、西兩區(qū)，采用不同規(guī)格的組件及不同類型的逆變器。即西區(qū)10MW采用255W組件，使用500kW集中式逆變器，東區(qū)10MW采用260MW組件，使用28kW組串式逆變器。經(jīng)過近100d的運(yùn)行對(duì)比，東區(qū)平均每日多利用光照13.5min，平均每日多發(fā)電1658度。運(yùn)行將近一年來，整個(gè)電站平均日發(fā)電量為11.03萬度，略高于設(shè)計(jì)值。

5 提升光伏電站發(fā)電效率的途徑

根據(jù)理論計(jì)算及實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，通過以下途徑可提升光伏電站發(fā)電效率。

5.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化

設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)光伏電站的主要損耗進(jìn)行了針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)效率，比如將各個(gè)月份的太陽輻射量與系統(tǒng)效率分布的匹配優(yōu)化，或者組件與逆變器容量和工作電壓的匹配優(yōu)化等，如此標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)也便于運(yùn)維制度的統(tǒng)一運(yùn)行，同時(shí)，運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)可以進(jìn)行復(fù)制推廣，有利于運(yùn)維方案的改善和提高。

5.2 做好關(guān)鍵設(shè)備選型

關(guān)鍵設(shè)備奉行質(zhì)量第一的原則，同時(shí)兼顧成本控制。特別要注意光伏組件的性能與安全，建議使用一流品牌；支架關(guān)注其可靠性，需要耐得住環(huán)境的腐蝕；匯流箱則關(guān)注斷路器選型和過載能力；而逆變器則重點(diǎn)看它的逆變效率和電能質(zhì)量，一般來說，一個(gè)電站盡量不要超過2種品牌[4-5]。組串式逆變器是多路MPPT的技術(shù)方案，不僅可以提高發(fā)電量，而且不需要建設(shè)逆變器房，對(duì)于設(shè)計(jì)、施工都是比較大的簡化。

相對(duì)集中式逆變器，智能光伏電站解決方案每臺(tái)逆變器（28kW）有3路MPPT跟蹤，1MW方陣36臺(tái)逆變器共108路MPPT，管理更加精細(xì)，能有效應(yīng)對(duì)組串失配，而傳統(tǒng)集中式方案1MW方陣2臺(tái)逆變器共2路MPPT，組串失配對(duì)發(fā)電量影響非常大。通過大量項(xiàng)目案例分析總結(jié)，多路MPPT減少組串失配損失4%以上。減少系統(tǒng)自耗電，也是提升系統(tǒng)發(fā)電量的一個(gè)方面。智能光伏電站系統(tǒng)構(gòu)成簡單，自耗電少，相比復(fù)雜的傳統(tǒng)方案，能減少逆變系統(tǒng)損失1%以上（風(fēng)扇、機(jī)房等輔助供電）。

5.3 規(guī)范化的施工和運(yùn)維管理

項(xiàng)目建設(shè)過程施行三位一體的管理制度，由業(yè)主、施工單位與監(jiān)理單位協(xié)同合作，保證項(xiàng)目的進(jìn)度和質(zhì)量。

通過遠(yuǎn)程監(jiān)控中心檢測(cè)光伏電站的太陽輻射量、發(fā)電量、系統(tǒng)效率、關(guān)鍵設(shè)備的性能指標(biāo)等，可以總結(jié)系統(tǒng)效率的規(guī)律和影響因子。有必要建立區(qū)域性維護(hù)中心，由一支獨(dú)立、專業(yè)的檢修隊(duì)伍直接對(duì)口各項(xiàng)目公司電站，并專一負(fù)責(zé)電站的搶修及春、秋檢。

5.4 及時(shí)清掃灰塵及降雪

灰塵及降雪是影響發(fā)電效率較大且運(yùn)營維護(hù)中可控的自然因素。電站運(yùn)行中及時(shí)組織運(yùn)行人員清掃灰塵和積雪。在光伏電站裸露地面種植苜蓿等植被，不可種植區(qū)域?yàn)⑺雺菏沟乇斫Y(jié)皮，防止揚(yáng)塵。及時(shí)清掃組件表面灰塵，組件表面灰塵可見時(shí)即組織人工清掃。購置掃雪除塵車輛1臺(tái)，可灑水及掃雪。冬季雪停立即組織清掃，提升發(fā)電利用小時(shí)數(shù)以提高運(yùn)行效率。

6 小結(jié)

通過分析影響光伏電站發(fā)電效率的自然及設(shè)備因素，并結(jié)合電價(jià)補(bǔ)助政策等影響效益的因素，對(duì)照天富光伏電站運(yùn)行實(shí)際，提出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、施工規(guī)范化、做好關(guān)鍵設(shè)備選型和運(yùn)維管理以及時(shí)清掃灰塵等提升發(fā)電效率的對(duì)策和措施，為新疆光伏電站建設(shè)和運(yùn)營提供借鑒和參考。

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2016—03—07