大功率太陽能建筑一體化光伏并網(wǎng)電站發(fā)電數(shù)據(jù)分析研究

■ 裴振 李德駿,2 王曉晶,2

(1. 武漢紡織大學(xué)電子與電氣工程學(xué)院； 2. 湖北省光伏工程技術(shù)研究中心)

一 引言

光伏發(fā)電是最具可持續(xù)發(fā)展理想特征的可再生能源技術(shù)，受到全世界普遍高度關(guān)注。日本大地震引發(fā)的核泄露事故再次引發(fā)全世界對(duì)可再生能源，特別是光伏發(fā)電的重視，光伏并網(wǎng)發(fā)電是光伏應(yīng)用的主流[1]。其中，光伏建筑一體化(BIPV)尤其受到寵愛。光伏系統(tǒng)與建筑相結(jié)合稱為光伏建筑一體化，是近年來利用太陽能發(fā)電的一種新概念，它在建筑結(jié)構(gòu)上鋪設(shè)光伏陣列產(chǎn)生電力。從建筑、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度來看，光伏建筑一體化有以下優(yōu)點(diǎn)：無需額外用地或增建其他設(shè)施；光伏電池板與建筑的結(jié)合可代替部分建筑貼面材料；可原地發(fā)電、原地用電；起到消減峰負(fù)荷的作用；減少墻體得熱和室內(nèi)空調(diào)冷負(fù)荷，節(jié)省能源[2]。

武漢日新科技園光伏工程(圖1)是財(cái)政部、建設(shè)部第二批可再生能源建筑應(yīng)用示范項(xiàng)目之一，由湖北省光伏工程技術(shù)研究中心、武漢紡織大學(xué)電子與電氣工程學(xué)院共同設(shè)計(jì)，武漢日新科技股份有限公司承建。項(xiàng)目太陽電池板全部采用BIPV方式安裝，共安裝太陽能組件9911.21m2，光伏裝機(jī)總?cè)萘?00kWp。項(xiàng)目主要采用單晶硅和非晶硅光伏組件。工業(yè)園內(nèi)還安裝了部分多晶硅光伏組件，總計(jì)約為10kWp，但并未并網(wǎng)發(fā)電。本文分析了電站自2010年11月項(xiàng)目建成投產(chǎn)至2011年10月單晶硅及多晶硅光伏組件在一年時(shí)間內(nèi)的發(fā)電情況。

圖1 武漢日新工業(yè)園各主要樓宇圖

二 并網(wǎng)光伏電站系統(tǒng)

本系統(tǒng)中太陽電池板均由武漢日新科技股份有限公司生產(chǎn)。單晶硅光伏組件總面積2389.87m2，組件功率總計(jì)336.96kWp；非晶硅光伏組件總面積7454.78m2，組件功率總計(jì)453.99kWp。

單晶硅光伏組件規(guī)格為1580mm×808mm，單塊功率1872W，共計(jì)180塊，以18塊為一組串聯(lián)，共10組裝置于工業(yè)園7#樓樓頂。非晶硅光伏組件共計(jì)4758塊，分別裝置于工業(yè)園1#、2#、3#、4#樓上，其具體安裝方式及尺寸規(guī)格見表1。

表1 非晶硅光伏組件安裝位置及規(guī)格(轉(zhuǎn)換效率均為6.3%)

河南省建筑科技院受住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部委托對(duì)項(xiàng)目驗(yàn)收時(shí)，對(duì)單晶硅、非晶硅光伏組件的效率進(jìn)行了效率評(píng)估。測得非晶硅光伏組件的轉(zhuǎn)換效率為6.3%，單晶硅光伏組件的轉(zhuǎn)換效率為13.1%。項(xiàng)目年累計(jì)替代常規(guī)能源量為[3]：

式中，W為武漢地區(qū)全年的太陽能輻照量，取為4217.14MJ/m2；Ac為單晶硅和非晶硅光伏組件的面積。

三 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

工業(yè)園中按照電力部門的要求，安裝了一整套發(fā)電及環(huán)境監(jiān)測設(shè)備，其組成包括：電能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(溫濕度、風(fēng)力風(fēng)向、輻照度)[4]。各系統(tǒng)得到模擬量通過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由485總線接入上位機(jī)存儲(chǔ)，并可通過數(shù)據(jù)查詢軟件實(shí)時(shí)查詢各傳感器采回的數(shù)據(jù)。整套系統(tǒng)數(shù)據(jù)自逆變器6:30開機(jī)開始采集，至18:30逆變器關(guān)機(jī)結(jié)束。電能數(shù)據(jù)每30s記錄一次，環(huán)境數(shù)據(jù)每5min記錄一次，每日發(fā)電量通過實(shí)時(shí)值累加得到。

圖2 監(jiān)測設(shè)備

四 一年時(shí)間內(nèi)電站各項(xiàng)數(shù)據(jù)分析

1 發(fā)電數(shù)據(jù)分析

通過一年來發(fā)電數(shù)據(jù)的采集，得到非晶硅光伏組件一年累積發(fā)電量337813kWh，單晶硅光伏組件累積發(fā)電量303895kWh；其中非晶硅光伏組件日均發(fā)電量925.51kWh，單晶硅光伏組件日均發(fā)電量832.58kWh。經(jīng)計(jì)算，非晶硅光伏組件每年發(fā)電量為744.42kWh/kWp，單晶硅光伏組件每年發(fā)電量為901.87kWh/kWp。

圖3為2010年11月～2011年10月每1kWp單晶硅、非晶硅組件的每月發(fā)電量。圖4為2010年11月～2011年10月武漢地區(qū)的溫度和降水量。圖5為2010年11月～2011年10月中國輻射國際交換站日值數(shù)據(jù)集。從圖3～圖5可知，輻照最高值出現(xiàn)在每年的9月，次高值出現(xiàn)在11月，輻照量從每年的12初開始遞減，最低值出現(xiàn)在每年的1～2月份，次低值出現(xiàn)在6月，每年太陽輻照的豐度區(qū)主要集中在4、5月和7、8月。11月與以上4個(gè)月相比，雖然直接輻射量較大，但氣溫較低，因此，發(fā)電量不如4、5、7、8這4個(gè)月。同時(shí)，對(duì)比輻照情況及降水均相近的3月與9月，因9月氣溫較3月有明顯降低(平均氣溫低約5℃)，考慮到文獻(xiàn)[5]中提及的逆變器等設(shè)備低溫啟動(dòng)問題可知，氣溫是影響太光伏電站性能的一個(gè)重要因數(shù)，25℃是一個(gè)重要的分水嶺。

圖3 2010年11月～2011年10月每月單晶硅、

圖4 2010年11月～2011年10月氣溫、降水量變化情況

圖6為每樓棟每月的發(fā)電量統(tǒng)計(jì)。從圖6中可知，采用單晶硅的7#樓發(fā)電量最大，其他樓棟發(fā)電量排名依次為2#、3 #、1#、4#樓。1#、4#樓采用非晶硅光伏組件，其發(fā)電量受到天氣的影響較小，但相應(yīng)的發(fā)電量也不高。

對(duì)比2#、3#樓的非晶硅光伏組件發(fā)電情況(如表2)，3#樓的系統(tǒng)裝機(jī)容量為2#樓的55.5%，3#樓的發(fā)電量為2#樓的50%～65%，平均為56.7%。其原因在于2#樓采用的是弧形屋頂，3#樓采用的是斜坡式屋頂，并且采用正南17?的傾角，因此，3#樓在太陽高度角較低的月份與2#樓相比發(fā)電量較高，而在太陽高度角較高的月份相對(duì)較低。同時(shí)，3#樓的屋頂因傾角較大，灰塵的積累較少，而2#樓屋頂較平緩，會(huì)積累大量灰塵，從而影響陽光透射，并使光伏組件接收到的太陽光譜發(fā)生變化，造成短波光譜減少[5]。

表2 2#樓與3#樓各月發(fā)電量對(duì)比

2 光伏組件性能分析

選取3月28日數(shù)據(jù)，分析單晶硅與非晶硅光伏組件受氣候影響的程度。由圖7可知，在無云的情況下，單晶硅與非晶硅光伏組件的功率因數(shù)均趨近于1，但在午后，云層逐漸增多，單晶硅系統(tǒng)的效率下降較為嚴(yán)重，而非晶硅系統(tǒng)對(duì)于云層的影響效果不明顯。這主要是由于非晶硅太陽電池的散射光吸收性較強(qiáng)[6]。

3 逆變器性能分析

選取2011年3月28日2#樓的發(fā)電情況分析非晶硅光伏組件的逆變器效率。當(dāng)日該樓的非晶硅光伏組件共發(fā)電686kWh。逆變器功率因數(shù)與發(fā)電功率之間關(guān)系如圖8所示。

在上午7:30時(shí)左右，功率因數(shù)已經(jīng)達(dá)到0.95以上，此時(shí)光伏組件的瞬時(shí)發(fā)電功率約為102W。下午17:20時(shí)發(fā)電系統(tǒng)的功率因數(shù)下降至0.95以下，此時(shí)對(duì)應(yīng)的光伏組件瞬時(shí)發(fā)電功率約為124W。從逆變器的廠商說明書中可知，逆變器的正常工作功率因數(shù)在0.95以上。因此，對(duì)于2#樓，當(dāng)光伏組件的瞬時(shí)發(fā)電功率達(dá)到102～124W時(shí)，便能正常發(fā)電。目前，日新為了防止逆變器空轉(zhuǎn)，采取人工關(guān)閉逆變器的管理方式，但逆變器的開關(guān)是按照工作人員作息時(shí)間決定，如遇到雨雪天，光伏組件因光照不足，不能達(dá)到逆變器要求的額定輸入功率，逆變器便會(huì)產(chǎn)生空轉(zhuǎn)現(xiàn)象。目前，部分逆變器廠商已經(jīng)意識(shí)到了這一情況，在系統(tǒng)中加裝功率因數(shù)檢測裝置。但由于該設(shè)備還沒有一個(gè)相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因此造成部分電站的發(fā)電設(shè)備變成了用電設(shè)備。

五 結(jié)論

從該項(xiàng)目運(yùn)行一年的數(shù)據(jù)分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)在光伏組件標(biāo)稱功率相同的情況下，不同類型的光伏組件發(fā)電量存在一定差距，這是由電池板性能決定的；(2)在目前非晶硅光伏組件的效率還較低的情況下，單晶硅仍將是光伏并網(wǎng)發(fā)電的主流材料；(3)武漢地區(qū)5、7、8月因天氣晴好天數(shù)較多且氣溫較適合于發(fā)電，因此發(fā)電量較多，是太陽能發(fā)電的較好時(shí)機(jī)；(4)不同的建筑發(fā)電性能由建筑的結(jié)構(gòu)決定，因此已建成建筑的發(fā)電性能與理論值存在較大差距；(5)逆變器設(shè)備應(yīng)盡快制定出一套國家標(biāo)準(zhǔn)，以規(guī)范其性能指標(biāo)。

[1]趙玉文. 我國光伏產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀、趨勢及思考[R]. 武漢: 2011年光伏產(chǎn)業(yè)與建筑節(jié)能論壇, 2011.

[2]楊洪興, 韓俊, 孫亮亮. 香港太陽能光伏建筑一體化的研究與進(jìn)展[J]. 新材料產(chǎn)業(yè), 2008, (9): 25－31.

[3]河南省建筑科學(xué)研究院. 國家可再生能源建筑應(yīng)用示范項(xiàng)目測評(píng)報(bào)告[R]. 武漢, 2010.

[4]Q/GDW617－2011, 光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定[S].

[5]張紅超, 馬春英, 李全喜, 等. 環(huán)境對(duì)太陽能光伏逆變器性能影響的試驗(yàn)方法研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2011, 39(16): 135－138.

[6]許盛之, 趙庚申, 王慶章, 等. 南開大學(xué)校園光伏并網(wǎng)示范電站運(yùn)行報(bào)告[A]. 第八屆全國光伏會(huì)議暨中日光伏論壇論文集[C],2004: 545－547.