提升光伏地面電站發電效率的研究
———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.石河子大學經濟與管理學院）

提升光伏地面電站發電效率的研究
———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.石河子大學經濟與管理學院）

本文以新疆天富能源股份有限公司已投產運行的20MW光伏地面電站為例，運用理論分析和實證分析相結合的方法，找出影響光伏電站發電效率的因素，并與電站的實際發電數據相結合，提出提升光伏地面電站的途徑，對光伏電站的建設和運營有一定的參考價值。

光伏電站；發電效率；多路MPPT

1 引言

太陽能資源是一種清潔的再生能源，符合國家產業政策。項目建成運行后，對當地經濟社會發展具有較大的促進作用，經濟效益、社會效益和環境效益明顯。光伏發電是將太陽能直接轉化為電能的過程，生產過程不產生任何有害物質及噪聲，工程建設對當地大氣環境、聲環境、電磁環境無影響，對環境影響很小[1]。光伏發電是環境效益最好的電源之一，是我國鼓勵和支持開發的可持續發展的新能源。光伏發電站的建設代替燃煤電站的建設，將減少對周圍環境的污染，并起到利用清潔可再生資源、節約不可再生的化石能源、減少污染及保護生態環境的作用，具有明顯的社會效益和環境效益。

新疆占地面積廣闊，適宜發展光伏地面電站。石河子日照資源也較為豐富。合理開發利用光能資源，是能源和環境可持續發展的需要，也是實現地區國民經濟可持續發展的需要；是加快能源電力結構調整的需要，也是改善生態、保護環境的需要。

2 天富光伏發電項目簡介

新疆天富能源股份有限公司是集火電、水電、供電、供熱、送變電設備安裝、電力設計、房地產開發、信息技術開發、機電設備銷售、水電熱力設備安裝為一體的上市公司，是石河子的能源基礎支柱企業。

為了解決八師用電矛盾，調整八師能源結構，合理、有序地推動八師太陽能資源利用，實現八師太陽能發電產業快速、有序地大規模開發，新疆天富能源股份有限公司積極投身可再生能源電力項目的開發建設，已在兵團第八師一四八團投資建設大型并網光伏電站，一期建設容量為20MW，該項目已于2014年11月底并網發電。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行布置。

3 影響光伏發電項目發電效率的因素分析

影響光伏發電項目投資效益的因素眾多，主要可以分為自然因素、設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換效率在一定的情況下，太陽的輻射強度決定了光伏系統的發電量。光伏系統對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），光伏電站的發電量取決于太陽輻射強度，太陽的輻射強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，“組件”的輸出功率為零值，隨時間推移逐漸上升，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生的功率將會是朝正南方向的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。當太陽光直射屋頂上的光伏組件時，組件內部溫度將會達到50～70℃。對單晶硅組件而言，溫度的升高將導致組件功率下降至實際功率的90%。

3.1.4 堆積灰塵因素影響

據統計，電站的灰塵損失可能達到6%，因此組件需要經常擦拭，以保證正常發電量的產出。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。按照經驗計算，一般情況下每年由于塵埃因素造成的系統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，將使項目發電量大幅降低，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 設備因素

3.2.1 電池組件原料硅的轉化率直接影響發電量

目前太陽能光伏電池主流的原材料是硅，因此硅材料的轉化率一直是制約太陽能光伏產業進一步發展的重要因素。而今硅材料轉化率的經典理論極限為40%。但在實驗室創造的記錄為29%，目前商業運行的光伏電站的轉化率一般為14%～16%。根據工業和信息化部和國家能源局、國家認監委聯合發布的《關于促進先進光伏技術產品應用和產業升級的意見》，規定光伏發電項目新采購的光伏組件應滿足工業和信息化部 《光伏制造行業規范條件》（2015年）相關產品技術指標要求。“其中，多晶硅電池組件和單晶硅電池組件的光電轉換效率分別不低于15.5%和16.0%；高倍聚光光伏組件光電轉換效率不低于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目投產運行之日起，一年內衰減率分別不高于2.5%、3.0%和5.0%，之后每年衰減率不高于0.7%，項目全生命周期內衰減率不高于20.0%。 高倍聚光光伏組件自項目投產運行之日起，一年內衰減率不高于2%，之后每年衰減率不高于0.5%，項目全生命周期內衰減率不高于10%。”

3.2.2 組件匹配及線路因素影響

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

3.2.3 直流轉換為交流因素的影響

太陽能光伏電池組件產生的直流電必須經過光伏逆變器才能轉換成一定標準的交流電輸入電網。在這個轉換過程當中也將損失部分能量，同時直流電從屋頂組件傳到逆變器及用戶配電柜的線路時，也將損失部分能量。目前，家用太陽能光伏發電系統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廠商給出的峰值效率，一般是在工廠相當良好的環境控制條件下測得的。然而控制器的充電回路、放電回路壓降均不得超過系統電壓。目前主流逆變器標稱效率在80%～95%之間[2-3]。

3.3 政策因素

國家對光伏發電項目按照發電量進行補貼，主要政策為電價補貼政策。根據國家發展改革委《關于發揮價格杠桿作用促進光伏產業健康發展的通知》發改價格[2013]1638號，石河子屬于二類地區，電價為0.95元/度。光伏電站標桿上網電價高出當地燃煤機組標桿上網電價（含脫硫等環保電價，下同）的部分，通過可再生能源發展基金予以補貼。對分布式光伏發電實行按照全電量補貼的政策，電價補貼標準為0.42元/kW·h（含稅，下同），通過可再生能源發展基金予以支付，由電網企業轉付。其中，分布式光伏發電系統自用有余上網的電量，由電網企業按照當地燃煤機組標桿上網電價收購。

4 天富光伏發電效率及投資效益分析

天富光伏發電項目投資概算包括光伏電站、集電電纜、場區道路、接入系統以及配套建設的生產管理用房等。工程設計總投資為19908.71萬元，靜態投資為19403.19萬元，單位千瓦靜態投資9701.60元，單位千瓦動態投資9954.44元。

項目運營期年平均上網電量25550MW/h，根據 《國家發展改革委關于完善太陽能光伏發電上網電價政策的通知》（發改價格[2011]1549號）文件規定，工程上網電價為0.812元/kW·h（不含增值稅，含增值稅為0.95元/kW·h）計算，銷售收入總額（不含增值稅）53935.77萬元。貸款償還期為15年，全部投資財務內部收益率（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%，通過設計可以看出，項目具有一定的盈利能力。

實際運行過程中，為提升發電效率，將20MW裝機分成東、西兩區，采用不同規格的組件及不同類型的逆變器。即西區10MW采用255W組件，使用500kW集中式逆變器，東區10MW采用260MW組件，使用28kW組串式逆變器。經過近100d的運行對比，東區平均每日多利用光照13.5min，平均每日多發電1658度。運行將近一年來，整個電站平均日發電量為11.03萬度，略高于設計值。

5 提升光伏電站發電效率的途徑

根據理論計算及實際運行經驗，通過以下途徑可提升光伏電站發電效率。

5.1 設計標準化

設計標準化對光伏電站的主要損耗進行了針對性的優化設計，提高了系統效率，比如將各個月份的太陽輻射量與系統效率分布的匹配優化，或者組件與逆變器容量和工作電壓的匹配優化等，如此標準化設計也便于運維制度的統一運行，同時，運維經驗可以進行復制推廣，有利于運維方案的改善和提高。

5.2 做好關鍵設備選型

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

相對集中式逆變器，智能光伏電站解決方案每臺逆變器（28kW）有3路MPPT跟蹤，1MW方陣36臺逆變器共108路MPPT，管理更加精細，能有效應對組串失配，而傳統集中式方案1MW方陣2臺逆變器共2路MPPT，組串失配對發電量影響非常大。通過大量項目案例分析總結，多路MPPT減少組串失配損失4%以上。減少系統自耗電，也是提升系統發電量的一個方面。智能光伏電站系統構成簡單，自耗電少，相比復雜的傳統方案，能減少逆變系統損失1%以上（風扇、機房等輔助供電）。

5.3 規范化的施工和運維管理

項目建設過程施行三位一體的管理制度，由業主、施工單位與監理單位協同合作，保證項目的進度和質量。

通過遠程監控中心檢測光伏電站的太陽輻射量、發電量、系統效率、關鍵設備的性能指標等，可以總結系統效率的規律和影響因子。有必要建立區域性維護中心，由一支獨立、專業的檢修隊伍直接對口各項目公司電站，并專一負責電站的搶修及春、秋檢。

5.4 及時清掃灰塵及降雪

灰塵及降雪是影響發電效率較大且運營維護中可控的自然因素。電站運行中及時組織運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，不可種植區域灑水碾壓使地表結皮，防止揚塵。及時清掃組件表面灰塵，組件表面灰塵可見時即組織人工清掃。購置掃雪除塵車輛1臺，可灑水及掃雪。冬季雪停立即組織清掃，提升發電利用小時數以提高運行效率。

6 小結

通過分析影響光伏電站發電效率的自然及設備因素，并結合電價補助政策等影響效益的因素，對照天富光伏電站運行實際，提出設計標準化、施工規范化、做好關鍵設備選型和運維管理以及時清掃灰塵等提升發電效率的對策和措施，為新疆光伏電站建設和運營提供借鑒和參考。

[1]李偉，李世超，王丹.太陽能光伏發電風險評價[J].農業工程學報，2011（5）：176-178.

[2]王慶一.可再生能源的現狀和前景（下）[J].電力技術經濟，2007，19（3）：23-25.

[3]李碧君，方勇杰，楊衛東，等.光伏發電并網大電網面臨的問題與對策[J].電網與清潔能源，2010，26（4）：52-58.

[4]簡德三.項目評估與可行性研究[M].上海：上海財經大學出版社，2009.

[5]穆獻中，劉炳義.新能源和可再生能源發展與產業化研究[M].北京：石油工業出版社，2009.

2016—03—07