武漢地區(qū)光伏電站系統(tǒng)效率評(píng)估

湖北省蘄春縣氣象局 ■ 劉軍

湖北省氣象服務(wù)中心 ■ 陳正洪 孫朋杰

0 引言

太陽能是一種清潔、取之不盡的可再生能源，光伏發(fā)電是太陽能直接應(yīng)用的一種形式，作為一種發(fā)展迅速的新型發(fā)電方式，光伏發(fā)電正在全球范圍內(nèi)逐步得到應(yīng)用。光伏電站建設(shè)和運(yùn)行過程中，其全年發(fā)電量和系統(tǒng)效率是評(píng)估其經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益最重要的指標(biāo)，也是后期運(yùn)行維護(hù)的參考標(biāo)準(zhǔn)。國際能源署(IEA)光伏發(fā)電項(xiàng)目(PVPS)任務(wù)組(Task)對(duì)并網(wǎng)光伏系統(tǒng)做了大量調(diào)查和分析，得出的結(jié)論是全球典型的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的平均系統(tǒng)效率呈上升趨勢(shì)，對(duì)于按最佳傾角安裝在屋頂和地面的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，IEA分別推薦年均系統(tǒng)效率為75%和80%[1]。國內(nèi)研究人員也進(jìn)行了較多的探討，發(fā)電量估算多采用IEA的效率[2]。在進(jìn)行性能評(píng)估時(shí)，武漢市以40°傾角安裝的并網(wǎng)光伏電站年綜合效率為56%，月最大效率為75%，出現(xiàn)在3月[3]。在以往的研究中，由于缺乏準(zhǔn)確的氣象和發(fā)電量數(shù)據(jù)，往往以理論發(fā)電量、系統(tǒng)效率計(jì)算為主，缺乏理論與實(shí)際對(duì)比驗(yàn)證，難以找出差異的影響因子。

本文對(duì)湖北省氣象局太陽能光伏發(fā)電示范電站2012年發(fā)電量和系統(tǒng)效率進(jìn)行理論估算，與實(shí)際進(jìn)行對(duì)比分析，尋找差異的影響因子，為提高發(fā)電量提出切實(shí)可行的解決方法。

1 資料與方法

1.1 資料

光伏發(fā)電量資料取自湖北省氣象局太陽能光伏發(fā)電示范電站(以下簡稱“光伏電站”)，電池陣列參數(shù)見表1。武漢地區(qū)2012年輻射資料、氣溫和天氣情況等實(shí)況資料來自武漢站(114°08′E，30°37′N)。所有數(shù)據(jù)均經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量控制和檢測(cè)。

1.2 斜面輻照量的計(jì)算[4-5]

斜面與水平面直接輻照量比值Rb的計(jì)算公式為：

表1 光伏電站電池陣列參數(shù)

式中：φ為當(dāng)?shù)鼐暥?；δ為?dāng)?shù)爻嗑?；β為斜面傾角(與水平面的夾角，0°～90°)；γt為斜面方位角(與正南的夾角，向東為負(fù)，向西為正，-180°～180°)；ω為當(dāng)時(shí)時(shí)角。

為了簡化問題，近似假定散射和反射特性都是完美的，即各向同性[6]。

斜面散射輻照量：

斜面反射輻照量：

將斜面的直接輻照量、散射輻照量、反射輻照量相加，即可得到斜面總輻照量的計(jì)算公式為：

式中：H、Hb、Hd分別為水平面上的太陽總輻照量、直接輻照量和散射輻照量，kWh/m2；ρ為地面反照率。

1.3 系統(tǒng)效率PR的實(shí)際計(jì)算與理論估算

1.3.1PR的定義

PR表示一段時(shí)間內(nèi)并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的滿發(fā)時(shí)數(shù)與理論發(fā)電時(shí)數(shù)之比，與光伏陣列所在地理位置、陣列傾角、朝向及裝機(jī)容量無關(guān)。它反映了整個(gè)光伏系統(tǒng)的損失，包括：低輻射度、高溫、灰塵、積雪、老化、陰影、失配及逆變器、線路連接、系統(tǒng)停機(jī)、設(shè)備故障等產(chǎn)生的損失[7]。

實(shí)際系統(tǒng)效率PR的計(jì)算式為：

式中：Yf為實(shí)際滿發(fā)時(shí)數(shù)，h；Yr為理論發(fā)電時(shí)數(shù)，h；Epv為光伏電站逐日、月或年的發(fā)電量，kWh；P0為光伏電站的額定功率，W；Ht為斜面逐日、月或年輻照量，kWh/m2；G為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，地面太陽輻射強(qiáng)度，G=1000 W/m2。

1.3.2PR的影響因素分析與理論估算

光伏電站PR由交直流線損、逆變器效率、塵土或冰雪覆蓋率、工作溫度、組件衰減、最大功率點(diǎn)跟蹤精度影響折減、交流并網(wǎng)效率等組成。

1) 大樓用電、線損等能量折減。

湖北省氣象局大樓利用該電站的發(fā)電量較少，初步估算大樓用電和輸電線路損失占總發(fā)電量的2%，即修正系數(shù)取η1=98%。

2) 逆變器效率折減。

依據(jù)采購時(shí)所給逆變器性能參數(shù)，本項(xiàng)目逆變器效率修正系數(shù)取η2=95%。

3) 塵土或冰雪覆蓋折減。

塵土或冰雪覆蓋折減是由于環(huán)境氣候原因，使光伏發(fā)電組件表面覆蓋了灰塵或冰雪造成的發(fā)電量損失。本階段塵土覆蓋修正系數(shù)取η3=94%。

4) 工作溫度損耗折減。

光伏電池的效率會(huì)隨其工作時(shí)的溫度變化而變化。當(dāng)溫度升高到一定值時(shí)，光伏組件發(fā)電效率會(huì)呈降低趨勢(shì)[5,8]。計(jì)算式為：

式中：α為溫度系數(shù)，/℃，與太陽電池材料有關(guān)，α取值為0.004 /℃；Tc為陣列板溫，℃；Ta為武漢2012年各月或年平均氣溫，℃；NOCT為額定光伏電池工作溫度，與電池組件包裝密度有關(guān)，取47 ℃；Ha為斜面逐小時(shí)輻射強(qiáng)度，W/m2；Q為斜面逐小時(shí)太陽總輻射，kWh/m2。

5) 其他因素折減。

除上述各因素外，影響光伏電站發(fā)電量的因素還包括不可利用的太陽輻射損失、最大功率點(diǎn)跟蹤精度影響折減和交流并網(wǎng)效率等不確定因素，取6%，即修正系數(shù)取η5=94%。

理論系統(tǒng)效率PR0的計(jì)算式為：

1.4 理論發(fā)電量的估算

并網(wǎng)光伏電站月或年估算發(fā)電量E0可采用式 (12)估算[2]：

此處Ht'=Ht/(1000 W/m2)，即斜面峰值發(fā)電小時(shí)數(shù)。

2 結(jié)果分析

2.1 系統(tǒng)效率PR的估算與分析

根據(jù)武漢地區(qū)2012年各月或年平均溫度及公式，計(jì)算出各月及全年P(guān)R0(表2)，全年P(guān)R0=75.4%。結(jié)合現(xiàn)代工藝水平和光伏電池板組裝、安裝技術(shù)的成熟，該值符合估算所需。

通過各月實(shí)際發(fā)電量和式(5)～(7)計(jì)算，求得光伏電站2012年的各月PR及全年P(guān)R，全年P(guān)R只有69.5%，低于理論所得的75.4%，理論值與實(shí)際值相差5.9%(表2)。PR值最大為75.7%，出現(xiàn)在4月；PR值最小值為45.5%，出現(xiàn)在1月；1、2、3、12月誤差較大，其他月份誤差較小(圖1)。最主要原因是估算時(shí)塵土或冰雪覆蓋折減取值偏小，實(shí)際上武漢這4個(gè)月霧霾天氣較多，光伏電池板表面灰塵太多，局部有鳥糞；其中，1、2、12月氣溫偏低，結(jié)冰和雨雪天氣較多。當(dāng)光伏電池板表面被細(xì)小而均勻的灰塵顆粒和冰雪附著時(shí)，降低了光線的透射率；而如果表面污濁物為鳥糞等局部遮擋物時(shí)，會(huì)使局部產(chǎn)生熱斑效應(yīng)，進(jìn)而降低組件的發(fā)電效率。

表2 各月平均溫度及對(duì)應(yīng)PR值

圖1 系統(tǒng)效率理論值與實(shí)際值對(duì)比分析

4、7、9月PR大于當(dāng)月理論值，分別為75.7%、74.5%和74.2%。圖2為4、7、9月系統(tǒng)效率日變化及降雨量的變化規(guī)律，PR晴天時(shí)波動(dòng)性較小，陰雨天波動(dòng)性較大；極小值點(diǎn)在陰雨天，極大值點(diǎn)在下雨過后的晴天。間隔性的雨天對(duì)光伏電池板有清洗效果，使發(fā)電量增加，PR增大。

圖2 4、7、9月系統(tǒng)效率日變化及降雨量

2.2 PR日變化研究

圖3為2012年光伏電站PR日變化規(guī)律，春季(3～5月)、夏季(6～8月)、秋季(9～11月)波動(dòng)較小，多集中在0.60～0.85之間；冬季(12月～第二年2月)波動(dòng)較大，個(gè)別極端天氣情況下低于0.40。

圖3 2012年電站系統(tǒng)效率日變化

2.3 系統(tǒng)發(fā)電量的估算與分析

發(fā)電量的估算選取2012全年12個(gè)月的輻照量，P0取13.68 kW，PR0取各月對(duì)應(yīng)值。計(jì)算得出各月估算發(fā)電量，并與水平面輻照量、斜面輻照量和實(shí)際發(fā)電量進(jìn)行對(duì)比分析，如圖4所示。

圖4 月輻照量與發(fā)電量的統(tǒng)計(jì)

武漢2012年總輻照量為1177.78 kWh/m2，斜面輻照量為1204.28 kWh/m2，光伏電站年估算發(fā)電量為12421.81 kWh，實(shí)際發(fā)電量為11457.00 kWh，為估算發(fā)電量的92.2%，表明估算誤差為7.8%，但估算發(fā)電量與實(shí)際發(fā)電量、輻照量呈較明顯的同步性變化特征。

實(shí)際發(fā)電量與總輻照量最大值均出現(xiàn)在7月，發(fā)電量為1754.00 kWh，總輻照量為176.36 kWh/m2；其次為8月，發(fā)電量為1357.00 kWh，總輻照量為147.85 kWh/m2。實(shí)際發(fā)電量與總輻照量最小值均為1月，發(fā)電量為285.00 kWh，僅約為最高值(7月)的16%，總輻照量為42.37 kWh/m2，約為最高值(7月)的24%。

從光伏電站發(fā)電量與太陽總輻射全年變化看，夏季(6～8月)發(fā)電量和總輻射均處于全年最高水平；春季(3～5月)、秋季(9～11月)次之，且呈春季逐漸上升、秋季逐漸下降趨勢(shì)；冬季(12月～第二年2月)發(fā)電量和總輻射最低，由于太陽相對(duì)位置的變化造成了總輻射的季節(jié)性變化，進(jìn)而引起發(fā)電量的變化。

3 結(jié)語

武漢2012年霧霾天氣和冬季結(jié)冰、雨雪天氣較多，光伏電池板表面灰塵太多，局部有鳥糞，使光伏電站理論發(fā)電量和系統(tǒng)效率與實(shí)際值存在誤差。今后在進(jìn)行估算時(shí)，還需根據(jù)天氣環(huán)境進(jìn)行系數(shù)的選取或建立具體的參數(shù)模型，使估算結(jié)果更加精確、可靠。

雖然文中所使用的僅為2012年的輻射和發(fā)電量資料，但研究結(jié)果在一定程度上揭示了武漢地區(qū)估算發(fā)電量、實(shí)際發(fā)電量及太陽輻射間的關(guān)系，以及光伏電站普遍存在的情況，系統(tǒng)效率偏低。以后應(yīng)加強(qiáng)對(duì)光伏電站的日常管理維護(hù)，尤其是清潔工作，同時(shí)加大對(duì)光伏電池板表面污濁物和各氣象因子對(duì)發(fā)電量影響的研究工作。

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