太陽能光伏發電系統故障分析與解決探析

重慶勁科電力設計有限公司 黃 馨 李喜龍 趙 彬 李 燕

城市化建設過程中，人們對能源的需求不斷增加，但能源問題日益突出，開發新能源勢在必行，在此基礎上，本公司積極投入到光伏發電技術的開發應用中。作為一種清潔型能源，太陽能在諸多領域中得到廣泛應用，但在實際應用過程中，還需要結合實際情況，展開綜合性分析，從而打造出高質量、高效率、穩定性的發電系統。本文針對本公司技術選型與需求分析等的技術手段展開細節性分析，對太陽能光伏發電系統的故障進行分析與解決。此外，在本公司落實太陽能光伏發電技術過程中還存在諸多問題，需要結合實際問題展開進一步分析，以求從側面助力國家能源轉型發展。

1 本公司太陽能光伏發電系統

1.1 技術選型與需求分析

本公司位于北緯30°、東經120°，年平均日照時間為2000h，太陽能資源豐富，年平均日照時間長，具備安裝太陽能光伏發電系統的良好條件。本公司的用電需求主要集中在白天，尤其是高峰時段。考慮到這些因素，根據本公司的歷史用電數據預測未來的用電需求，如表1所示，并結合地理位置和氣候條件，確定系統的裝機容量。根據本公司近三年的用電數據，日均峰值負荷約為500萬kWh，年總用電量約為120萬kWh。最終選擇600kW 的光伏發電系統，以滿足本公司在高峰時段的用電需求，并配備120kWh 的儲能設備，以確保在連續陰雨天氣下也能滿足至少3天的用電需求[1]。

表1 太陽輻射統計

1.2 技術選型

基于上述數據，本公司選擇轉換效率達到20%的多晶硅光伏電池板，其開路電壓為40V，短路電流為10A，該電池板具有優異的抗衰減性能，預計25年后的功率衰減不超過20%。此外還引入100kW的集中式逆變器，其最高效率可達98%，并具有智能最大功率點跟蹤（MPPT）功能，能夠根據光照條件實時調整工作點，提高發電效率。使用的鋰電池儲能系統單體電池容量為10kWh，能量密度為250Wh/kg，具有快速充放電能力，可在30min 內充滿80%的電量，放電深度可達80%。

1.3 系統設計

在光伏電池板的排列方式和角度設計上，本公司采用專業的光伏設計軟件進行優化。通過模擬不同排列方式和角度下的光照情況，確定最佳的排列方式和角度，以最大化接收太陽光。這不僅提高系統的發電效率，還降低光伏電池板的占地面積。公式（1）為光伏方陣陣列間距，式中：φ為維度；H為電池板固定后的投影高度。

電纜布局和連接方式的設計對于電能的高效傳輸至關重要。本公司根據系統的規模和用電需求，選擇合適的電纜規格和布局方式，同時還采用防水、防塵、防雷擊等措施，確保電纜的安全運行[2]。

為確保安全性，本公司設計全面的監控系統，可以實時監測系統的運行狀態、發電量、儲能電量等數據。同時還配置安全防護設備，如防雷器、過流過壓保護器等，以確保系統在惡劣天氣或故障情況下能夠安全運行。

光伏電池板排列采用30°傾斜角安裝，以最大化接收太陽光。根據本公司模擬結果，此安裝角度下年平均日照量可提高5%左右。電纜選型與布局選用120mm2的銅芯電纜，其載流量為300A，能夠滿足系統滿負荷運行時的傳輸需求。電纜采用地下直埋方式，減少占地面積，并增強防盜性能。數據采集單元負責實時采集光伏電池板電壓、電流、發電量等數據，并通過通信模塊上傳至上位機軟件進行分析和展示。上位機軟件具有數據存儲、圖表展示、故障報警等功能，方便運維人員實時解系統運行狀態。本公司配置的防雷器最大通流容量可達100kA，能夠有效防止雷擊對系統造成損害。同時還配置過流過壓保護器，當系統出現過流或過壓時能夠自動切斷電源，保護設備安全。

1.4 安裝與調試

在安裝與調試階段，本公司將技術數據與實際操作相結合，以確保太陽能光伏發電系統的性能達到最優。支架選用鋁合金材料，其抗腐蝕性能強、強度高，能夠承受各種惡劣天氣條件。支架的安裝精度要求極高，垂直度和水平度偏差不超過±0.5°。為確保支架的穩定性，本公司還進行負載測試，確保其承重能力滿足要求。電池板的安裝角度和間距對發電效率有著直接影響。經過詳細的模擬計算，本公司確定30°的最佳安裝角度，并保持1m 的合理間距。這不僅提高發電效率，還避免電池板之間的陰影遮擋。

此外，電池板與支架之間的接口采用專用的防水密封膠進行密封處理，確保系統具有良好的防水性能。逆變器和儲能系統的安裝位置需考慮到通風散熱和安全性。本公司選擇室內通風良好的位置，并使用專業的抗震支架進行固定。在安裝過程中嚴格遵守設備制造商的安裝規范，確保每個連接部位緊固可靠。逆變器的轉換效率經過測試達到98%，儲能系統的充放電效率也達到90%以上[3]。

1.5 調試與優化

在系統調試階段，本公司對光伏電池板的輸出電壓和電流進行精確測量，確保其處于正常范圍內。同時，本公司還對逆變器的各項參數進行詳細調整，以獲得最佳的發電效率。儲能系統的充放電性能也經過嚴格的測試，確保其能夠穩定可靠地工作。在調試過程中，根據系統的實際運行情況進行優化調整。例如，在光照不足的情況下，通過調整逆變器控制策略提高其輸出電壓和電流，從而增加發電量。

此外，本公司還根據環境溫度和散熱情況，優化散熱設備的運行策略，確保系統溫度始終處于合理范圍內。嚴格的安裝與調試過程使本公司的太陽能光伏發電系性能統色，實際運行中，系統的發電效率穩定且高效，為用電需求提供可靠的保障。

2 太陽能光伏發電系統故障分析與解決方案

然而，本公司太陽能光伏發電系統在實際應用中也面臨一些挑戰和問題。例如，設備故障、系統效率低下、運維成本高等問題仍然存在。此外，太陽能光伏發電的間歇性和不穩定性也是制約其發展的因素之一。

2.1 問題描述

在本公司太陽能光伏發電項目中，系統出現發電量下降的問題。原本該系統在標準測試條件下，即光照強度1000W/m2、溫度25℃時每天可發電約300kWh，但在某日的午后開始發電量急劇下滑，實際日發電量僅能達到約90kW 時，為原來的三分之一。這一異常現象持續數天，嚴重影響該系統的正常供電和經濟效益。

2.2 故障排查

為找出問題的根源，本公司首先對系統進行全面的故障排查。在STC 條件下對電池板進行效率測試，發現平均效率由原先的18%下降至13%，發現部分電池板存在污漬和灰塵覆蓋，厚度約為0.5mm。通過IV（電流－電壓）曲線分析，確定電池板內部可能存在隱裂或老化現象。后續檢查中，發現逆變器在運行過程中溫度持續超過85℃，遠超推薦的最大工作溫度。逆變器日志顯示，過熱報警觸發的時間與發電量下降的時間高度一致。在標準條件下測試，逆變器功率損失由原先的3%增加到8%。后續檢查中，儲能電池的充放電效率由原先的90%下降至80%，且部分電池內阻明顯上升，表明可能存在電池老化現象[4]。

2.3 解決方案

針對上述排查結果，本公司使用專業清洗設備對電池板進行清洗，去除污漬和灰塵，對于存在隱裂或老化的電池板進行更換，并立即更換故障風扇，確保逆變器散熱良好，同時調整逆變器的散熱策略，如增加散熱時間、降低最大工作負荷等。清洗后，電池板效率恢復至17%，更換老化電池板后，整體效率進一步提升至18%，逆變器運行溫度穩定在70℃以下，功率損失降低至4%。

3 太陽能光伏發電技術在電力企業的實踐與分析

在全球能源結構轉型和環保呼聲日益高漲的背景下，太陽能光伏發電技術以其清潔、可再生、無污染的特性，逐漸成為電力企業實現綠色、可持續發展的重要選擇。作為一名在電力企業工作多年的工程師，筆者有幸參與本公司的一個太陽能光伏發電項目，以下是我對該項目的深入分析和實踐體會。

3.1 電氣一次側設計

電氣一次側是光伏發電系統的核心部分，負責將太陽能轉換成電能并輸送至電網。在本公司的項目中，電氣一次側設計主要包括光伏組件的串并聯組合、逆變器的選型與配置以及直流匯流箱的選擇。本公司選用轉換效率高達22%的光伏組件，通過串并聯組合形成多個光伏陣列。每個光伏陣列配備一臺100kW 的逆變器，將直流電轉換為交流電并輸送至電網。

3.2 主要設備布置

在項目現場，本公司合理規劃設備的布置位置。光伏組件按照最佳傾角和方位角安裝在地面上，確保能夠充分接收太陽能輻射。逆變器、直流匯流箱等設備則安裝在附近的設備間內，方便運維人員進行日常維護和檢修。

3.3 電氣二次側設計

電氣二次側設計主要包括交流配電系統、保護與控制系統等。本公司配置多臺交流配電柜，用于將逆變器輸出的交流電進行分配和輸送。同時，本公司還配置多種保護設備，如過流保護器、防雷器等，確保系統的安全運行。在控制系統方面，本公司采用智能化的監控系統，可以實時監測光伏陣列的發電情況、逆變器的運行狀態等關鍵參數。通過數據分析，本公司可以及時發現并處理潛在的安全隱患，確保系統的穩定運行[5]。

3.4 發電效益分析

自光伏發電站投運以來，本公司對其發電效益進行持續的監測和分析。數據顯示，該光伏發電站年平均發電量達到1200萬kWh 以上，滿足企業約30%的用電需求。與傳統的火力發電相比，光伏發電不僅減少大量的二氧化碳排放，還為企業節省大量的電費支出。據初步估算，企業每年可節約電費約200萬元以上。此外，隨著國家對可再生能源的支持力度不斷加大，光伏發電的上網電價也在逐年提高。這將進一步增加企業的發電收益，推動企業實現綠色發展[6]。

4 結語

太陽能光伏發電技術作為全球能源轉型的關鍵一環，正逐漸嶄露頭角并展現出其巨大的潛力。通過對太陽能光伏發電技術的深入分析，優化光伏電池的結構和設計，提高光伏材料的轉換效率。未來還需要進一步改進逆變器和儲能系統的技術，提高系統的穩定性和可靠性。在此基礎上，根據本公司經驗來看，還需進一步強化智能化運維和數據分析，以求降低運維成本并提高系統的運行效率。