太陽能光伏性能參數和大型并網太陽能光伏電站性能優化建議

摘" 要：太陽能正在成為重要能源來源。截至2021年，中國的太陽能發電總裝機容量為3.06億萬kW。該研究報告涵蓋各種性能參數。例如，性能比（PR）、累積利用系數（CUF）、影響光伏電站性能的因素。例如，輻射、溫度和其他氣候條件、設計參數、PR，在電站工程設計時的初始狀態下應予以注意，以便在25年的時間跨度內獲得更好的性能和光伏電站的發電結果。在任何位置通過太陽能光伏發電的特定時間跨度內，根據發電站的PR或CUF測量太陽能光伏電站的性能。

關鍵詞：太陽能光伏；性能比（PR）；累積利用系數（CUF）；性能；損失

中圖分類號：TK51" " " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）21-0023-05

Abstract： Solar energy is becoming an important source of energy. By 2021， China's total installed capacity of solar power generation is 306 million kilowatts. This research report covers various performance parameters. For example， performance ratio （PR）， cumulative utilization factor （CUF）， and factors affecting the performance of photovoltaic power stations. For example， radiation， temperature and other climatic conditions， design parameters and PR should be paid attention to in the initial state of the power station engineering design， so as to obtain better performance and power generation results of the photovoltaic power station within a 25-year time span. The performance of the solar photovoltaic power station is measured according to the PR or CUF of the power station within a specific time span of solar photovoltaic power generation at any location.

Keywords： solar photovoltaic; performance ratio （PR）; cumulative utilization factor （CUF）; performance; loss

在碳達峰、碳中和的目標下，新能源的發展將會更上一個臺階。由于過去幾年光伏發電的基本技術、設計和工程現在已經得到了充分的開發和驗證，已經證明了太陽能光伏發電的可行性。然而，我們需要克服一些挑戰，以確保電站以最佳方式運行，并在其整個壽命期內保持可行性。但某些其他氣候、環境和基礎設施條件可能會使光伏電站的發電量低于預期。在充分考慮所有這些因素后，有必要對設計進行優化。本文旨在推薦可采取的一些措施，以優化發電站的性能。

1" 方法

對光伏設備性能的詳細研究和分析，包括研究不同類型的性能參數、發電中的各種損失和影響、太陽能組件的生命周期，并網太陽能光伏項目的收入產生和項目案例研究分析，以及在設計方面改善現有電站性能的建議，包括選擇系統的電站平衡，如變壓器、逆變器、組件、組件安裝結構和保護設備，并將設計報告與現有電站設備進行比較。

2" 性能參數

2.1" 性能比

性能比（PR）是衡量光伏電站質量的一個指標，與位置無關。PR以百分比表示，描述了光伏電站實際和理論能量輸出之間的關系。因此，其顯示了在扣除能量損失和運行能耗后，實際可用于輸出到電網的能量的比例。PR越接近100%，相應光伏電站的運行效率就越高。在實際運行中無法達到100%的值，因為光伏電站的運行總是會產生不可避免的損失。然而，高性能光伏電站的PR可達80%以上。PR與輻照、最佳傾角、空氣溫度、設計參數、組件質量和逆變器效率等因素有關。

2.1.1" 性能比函數

從PR數據中會得出光伏電站的能效和可靠性。通過PR可以將光伏電站的能量輸出與其他光伏電站的能量輸出進行比較，或者長時間監控光伏電站的狀態。能夠為運營商提供檢查性能和輸出的選項：如果假設光伏電站在調試時運行最佳，因此PR的初始值為100%，那么隨著時間的推移，進一步獲取PR值可以識別偏差，PR以低于正常范圍的形式出現的偏差表明光伏電站可能存在故障。

2.1.2" 性能比計算

計算光伏電站的PR需要不同的計量和技術變量。一方面，這些是光伏電站現場的太陽輻射值。可以使用測量儀來確定這些值，該傳感器用于測量光伏電站的入射太陽輻射。另一方面，需要考慮光伏電站的光伏組件面積和光伏組件的相對效率。光伏組件效率可在銘牌中獲得。分析期應至少為1年，以獲得準確性能。

計算PR時，使用以下公式

式中：E為給定時間內產生的電能，kWh；G為組件平面上的輻照能量，kWh/m2；A為所有已安裝組件的面積，m2；η為組件效率；P為光伏組件的熱損耗系數；NOCT為條件下的電池片結溫；γ為組件功率溫度系數。

2.1.3" 影響性能比的因素

PR是一個純粹基于定義的變量，在某些因素的影響下，其甚至可能超過100%的值。這是在標準試驗條件下（1 000 W/m2太陽輻射和25 ℃組件溫度）。因此，

實際操作條件中的偏差條件會影響PR。

以下因素可能會影響PR。

1）環境因素。光伏組件的溫度、太陽輻射和功耗、測量儀表處于陰暗處或被弄臟、光伏組件在陰涼處或被弄臟。

2）技術因素。傳導損耗、光伏組件的效率系數、逆變器的效率系數、測量儀表和光伏組件的太陽能電池技術差異。

2.2" 產能利用率

累積利用系數（CUF）定義為光伏電站總發電量與運行期間最大總發電量之間的比率。固定傾斜光伏電站的容量系數通常在18%～19%。這意味著1 MW光伏電站將產生與連續運行的0.18 MW發電站相當的能量。CUF沒有考慮任何環境因素，比如每年的輻射變化，也沒有考慮組件的功率衰減。表1顯示了不同因素如何影響終端發電。

3" 影響性能參數的因素

光伏電站的性能最好由CUF來定義，CUF是發電站的實際發電量與一年內最大可能發電量的比率。光伏電站的輸出取決于設計參數，可以使用標準軟件進行計算。但是，由于有幾個變量影響電站的最終電量，因此CUF在很大范圍內變化。這可能是由于組件的選擇、質量差、組件在更高溫度下的降額、其他設計參數和大氣因素造成的。然而，光伏電站的性能取決于幾個參數，包括現場位置、太陽輻射水平、氣候條件、線纜損耗、組件失配、臟污損耗、MPPT損耗、變壓器損耗和逆變器損耗。由于電網不可用和組件老化而退化，也可能造成損失。

3.1" 位置輻射

任何光伏項目設計的首要要求是準確的太陽輻射數據。了解測量數據的方法對于精確設計至關重要。數據可以在一段時間內瞬時測量或累計。

3.2" 與光伏電站相關的損失

估計的系統損失是系統中的所有損失，這些損失導致實際輸送到電網的功率低于光伏組件產生的功率。光伏電站的損失有以下原因：未在標準測試（STC）條件下運行的組件； 直流電纜損耗；污垢和灰塵、陰影；光伏組件間的參數分散；超出最大功率點的工作電壓；光譜和入射角。

3.3" 由線纜引起的損耗

當電壓較低時，這些損耗在直流中占比很大。關鍵是要合理確定導體截面的尺寸，使壓降小于1.5%。同樣重要的是，縮短到逆變器的距離，在面板和逆變器能夠承受的最大直流電壓下工作，提高轉換性能，并減少損耗。

3.4" 組件臟污引起的損耗

灰塵和污垢積聚可能會導致太陽能電池板被遮擋。在大多數情況下，灰塵會被雨水從面板表面沖走；然而，像鳥糞這樣的泥土即使在大雨后也可能存在。組件關鍵的部分是下邊緣。尤其是在傾角較低的情況下，框架邊緣會出現污垢。通過在邊框和玻璃之間的淺水坑中反復集水，并連續蒸發，污垢積聚。這些污垢就會降低組件的可用功率。損失一般為1%；但是，如果清潔組件，組件性能將恢復。

3.5" 失配效應

不匹配損耗是由串聯和并聯的太陽能組件互連引起的。不具有相同屬性或存在不同條件的組件。失配損失是光伏組件和陣列中的一個嚴重問題，因為在最壞情況下，整個光伏陣列的輸出由輸出最低的太陽能組件決定。因此，組件的選擇對電站的整體性能非常重要。

3.6" MPPT損失

光伏組件的功率輸出隨太陽方向、太陽輻射水平及溫度的變化而變化。組件的功率與電壓曲線存在單一的最大功率，其存在一個對應于特定電壓和電流的峰值功率。由于組件效率較低，因此需要在峰值功率點運行，以便在不同溫度和日照條件下向負載輸送最大功率。因此，功率的最大化提高了太陽能光伏組件的利用率。最大功率點跟蹤器（MPPT）用于從太陽能光伏組件中提取最大功率，并將該功率傳輸至負載。最大功率點跟蹤用于確保始終在最大功率點實現組件輸出。

3.7nbsp; 輻照度損失

在PVsyst等模擬軟件中，評估光伏陣列的“損耗”（表2），以系統始終在STC條件下工作（1 000 W/m2，25℃，AM1.5）時產生的能量為標準。

3.8" 逆變器效率

轉換效率是對從直流到交流轉換過程中所經歷的損耗的能量。這些損耗是由多個因素造成的：變壓器的存在相關的鐵損耗和銅損耗、逆變器自身消耗以及電力電子設備中的損耗。轉換效率定義為逆變器輸出的交流功率的基本分量除以直流功率輸入的比率。

轉換效率不是恒定的，但取決于直流電源輸入、工作電壓和天氣條件，包括環境溫度和輻照度。一天中的輻照度變化會導致光伏陣列的功率輸出和最大功率點波動。

3.9" 入射角的影響

影響組件直流能量的最重要因素是光損耗的影響，光損耗隨陽光照射組件的入射角而變化。該效應主要與太陽輻照度的直射光束部分有關，因為組件對漫反射太陽輻照度的響應在很大程度上與組件安裝方向無關。對于平板組件，光學損耗與玻璃前表面的反射損耗有關。當入射角大于約60°時，玻璃表面的反射率顯著增加。最終的結果是，到達組件內電池的陽光減少，大面積入射角的能量產生減少。與太陽光譜變化的影響一樣，這種光損耗對能量生產的影響相對較小，但可能會產生季節性影響，這取決于組件的角度。

4" 優化的一般建議

本文旨在推薦一些可采取的措施，以優化發電站的性能。這些措施看似微不足道，但如果忽視，可能會導致不可避免的損失。并網光伏電站的關鍵組件包括光伏組件、基礎和安裝結構、電纜和接線盒、并網逆變器、監控系統、低壓開關設備和組件、中壓設備和用于并網的變壓器場。以下是光伏電站安裝和調試期間必須牢記的幾個重要注意事項。

4.1" 傾斜角度、結構間距和避免陰影

陰影不僅是由電線桿、樹木和建筑物造成的，而且是由組件安裝結構本身在其他結構上造成的，如果行間距不夠，并且沒有考慮季節性的陰影延長。建議使用陰影模擬軟件，該軟件可以顯示陰影在一年中任何月份的任何時間的移動。這有助于優化行之間的距離，從而優化陣列結構占用的面積。樹葉、鳥類和鳥類糞便可能直接落在組件上，也可能導致組件中的一個或多個單元出現陰影，并減少該組件的電流輸出。為避免此類損失，必須定期清潔。如果支架使用固定結構，組件的傾斜角度應保持為所在地的緯度，見表3。

4.2" 傾斜陣列的陰影

地面安裝的光伏電站上的傾斜陣列意味著對同一平原上的其他組件構成障礙。在任何時候都不希望任何組件上有任何陰影。因此，陣列的行之間應該有足夠的間距。陰影損失應限制在1.5%以內，圖1顯示了在模擬過程中，各地最佳傾斜角度情況。

4.3" 固定結構或跟蹤系統

如果太陽光垂直入射到帶有晶體硅電池的光伏組件上，其能量輸出是最大的。因此，如果使組件的表面跟蹤太陽，能量輸出就會增加。然而，選擇固定結構或跟蹤系統的決策必須在項目生命周期內進行仔細的成本效益分析之后進行。跟蹤系統可以是單軸，從黎明到黃昏跟蹤太陽，也可以是雙軸，也可以跟蹤太陽的年度路徑，并對傾斜角度進行季節性調整，以便始終與太陽保持最佳對齊。

4.4" 盡量減少陣列失配造成的損失

陣列是通過串并聯配置的組件形成的，以匹配逆變器的輸入直流電壓。在每種情況下，一個組件與另一個組件的電氣特性差異可能至少達到4%。確保組件按工作電流和工作電壓（STC最大功率下的電流、電壓）排序非常重要。同一串中的組件應保持較小的差異，通常在直流側進行5%～10%的超配，以減少失配損耗并增加交流側的發電量。

4.5" 溫度引起的功率損失

在許多豐富太陽輻射地區，組件溫度將更高。電池溫度每升高一度，組件的功率輸出就會降低約0.42%～0.48%。因此，在組件溫度為60℃時，230wp組件可能只能產生約185W的功率。選擇溫度系數較低的光伏組件發電是非常重要的。這一點在高溫的地區更重要。

4.6" 優化變頻器損耗

逆變器可選擇集中式或組串式逆變器。2種設備都有優點和缺點。由于成本的原因，大多數大型光伏電站都采用集中式逆變器。選擇輸入直流電壓范圍大、接入限值低的逆變器，使其能夠在較低的功率限值下啟動。在大型光伏電站使用集中式逆變器時，最好使用主從功率單元。一個功率單元是主設備，在低輻照度水平下開始工作。當輻照度增加時，主功率單元的功率極限達到，下一個功率單元也連接起來。這與整個系統僅使用一個中央逆變器的情況相比，即使在低光條件下，效率也很高。

4.7" 選擇高效的電纜并盡量減少電纜損耗

值得注意的是，一個典型的1 MW太陽能項目使用約10 km的電纜，因此優化電纜尺寸和電纜布線對系統設計來說非常重要。即使減少1%的電纜損耗。在選擇電纜時，重要的是要正確選擇導線尺寸。在光伏項目中，銅導線和鋁導線都使用，然而，使用鋁導線有其自身的缺點，例如彎曲強度低、線徑更大和損耗更大。電纜的工作溫度會影響其載流量，因此，在選擇合適的電纜尺寸起著非常重要的作用。通常，電纜設計應考慮在現場觀察到的最高溫度。據觀察，電纜尺寸是在STC為25°C的條件下確定的。然而，筆者在不同的現場看到，電纜的工作溫度高于25°C。系統電壓也是決定電纜尺寸的一個重要因素。如果系統電壓為600 V、電流為8 A，電纜損耗為2%；如果電壓和電流值相同，電纜尺寸為6 mm2，損耗僅為1%；如果系統電壓增加至1 000 V，則直流電纜尺寸可減少至2.5 mm2，以承載相同的功率。逆變器應盡可能靠近陣列，以盡量減少直流電纜的長度。在這方面，基于組串逆變器的設計更好。選擇錯誤的電纜橫截面、距離，可能會發生相當大的功率損失（約2%）。

4.8" 操作和維護

我國部分地區的沙塵風和懸浮顆粒物含量相當高。灰塵會大大降低組件的性能。建議確保定期清潔面板。對所有部件進行的預防性維護必須按照計劃進行，以保持設備處于最佳狀態。如果考慮到上述因素，一個設計良好的并網光伏電站肯定會產生更高的PR。

5" 結論

太陽能光伏發電是世界上發展最快的領域，因此需要每年跟蹤發電站的性能，以獲得開發商、金融機構和研究人員的信心，使其成為大型、商業可行的技術。在電站設計時，為了獲得更好的發電效果，需要考慮很多因素，從而減少運行時的財務不確定性。

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