屋頂光伏太陽(yáng)能運(yùn)行效能分析及解決方案

宋梅

摘 要：介紹了屋頂光伏太陽(yáng)能的實(shí)際運(yùn)行能效，分析了可能影響能效的原因，提出了解決方案。

關(guān)鍵詞：屋頂光伏；環(huán)境因素；組件損傷；控制系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.24.071

依據(jù)我國(guó)光伏平價(jià)上網(wǎng)路線圖，未來(lái)5年內(nèi)光伏發(fā)電成本就將與火電相當(dāng)。至2050年光伏裝機(jī)將占全球發(fā)電裝機(jī)的27%，成為第一大電力來(lái)源。中國(guó)光伏技術(shù)的持續(xù)革新將驅(qū)動(dòng)新一輪產(chǎn)業(yè)高增長(zhǎng)，以進(jìn)一步降低度電成本，并逐步擺脫行業(yè)對(duì)補(bǔ)貼的依賴，進(jìn)入健康的高增長(zhǎng)周期。同時(shí)，在應(yīng)用方面，中國(guó)也將終結(jié)“兩頭在外”的時(shí)代，成為引領(lǐng)全球光伏發(fā)展的絕對(duì)龍頭。我國(guó)已連續(xù)兩年新增裝機(jī)排名第一，在累計(jì)裝機(jī)量上今年將超越德國(guó)，成為新的光伏霸主。放眼未來(lái)，我國(guó)仍將是全球最主要的增量市場(chǎng)，2020年末裝機(jī)100GW的原目標(biāo)將大概率突破[1]。

大唐（上海）電力能源公司投資建設(shè)了大唐上海綜合保稅區(qū)32MWP屋頂光伏項(xiàng)目，該項(xiàng)目被評(píng)為上海市金太陽(yáng)示范項(xiàng)目。該項(xiàng)目采用用戶側(cè)并網(wǎng)發(fā)電，按各企業(yè)分片組成發(fā)電單元的方式設(shè)計(jì)和建設(shè)。電站采取在輕鋼屋面廠房、倉(cāng)庫(kù)屋頂采取沿屋面坡度3度傾角方式安裝太陽(yáng)能板。根據(jù)企業(yè)中每座廠房、倉(cāng)庫(kù)屋頂光伏組件的容量和廠房?jī)?nèi)負(fù)荷大小合理劃分幾個(gè)區(qū)域，然后配備容量適當(dāng)?shù)哪孀兤鳎M成幾個(gè)獨(dú)立的發(fā)電單元，多點(diǎn)并網(wǎng)。采用國(guó)家統(tǒng)一招標(biāo)規(guī)定的230Wp多晶光伏組件，并合理選擇設(shè)備配置，為下一步在上海乃至全國(guó)大面積推廣和發(fā)展建設(shè)做好經(jīng)驗(yàn)積累。自2012年投產(chǎn)來(lái)，光伏電站已成功運(yùn)營(yíng)了三年的時(shí)間。

1 光伏電站運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

電站自2013年投產(chǎn)運(yùn)行以來(lái)，光能產(chǎn)出數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

光伏電站裝機(jī)容量為32MWp， 共170臺(tái)光伏發(fā)電機(jī)組，至2013年5月全部投產(chǎn)，由于設(shè)備維修等其他因素并未實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷發(fā)電。根據(jù)每月統(tǒng)計(jì)的產(chǎn)出數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)出三年來(lái)發(fā)電量對(duì)比如圖2和圖3。

2013年因施工原因，投產(chǎn)機(jī)組逐漸增多。發(fā)電量在6月全部投產(chǎn)后呈指數(shù)上升趨勢(shì)，對(duì)比可見(jiàn)每年7-9月是發(fā)電量高峰期，而11月至1月則發(fā)電量較低。2014年和2015年發(fā)電量變化曲線變化基本一致，圖線變化與上海市氣象局統(tǒng)計(jì)的上海市平均光照曲線變化趨勢(shì)基本一致。因此光伏機(jī)組對(duì)太陽(yáng)能的利用率與太陽(yáng)輻射變化較為一致。

根據(jù)圖3中三年平均每臺(tái)產(chǎn)出數(shù)據(jù)，可看出其中2013年9月平均產(chǎn)出量最多，每臺(tái)機(jī)組的平均產(chǎn)出變化較大，機(jī)組工作狀態(tài)不穩(wěn)定。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，只有2013年9月的產(chǎn)出比例超出設(shè)計(jì)值，其他月份均與設(shè)計(jì)值相差較大。其中年度總發(fā)電量，2013年為設(shè)計(jì)值的46.3%，2014年為63.2%， 2015年為70%。均未達(dá)到設(shè)計(jì)值參考產(chǎn)能的75%及以上。

2 未達(dá)設(shè)計(jì)值影響因素

太陽(yáng)能電站產(chǎn)除了受環(huán)境因素影響，還與自身構(gòu)造、電池板材料有關(guān)。下面根據(jù)研究，可能會(huì)產(chǎn)生主要影響的要素分析如下：

2.1 環(huán)境因素對(duì)太陽(yáng)能電池板能效的影響

溫度和太陽(yáng)能輻射照度是影響太陽(yáng)能設(shè)備輸出效率的兩個(gè)主要因素。其他環(huán)境因素，如風(fēng)、雨、云層和太能輻射分布會(huì)通過(guò)對(duì)溫度和太陽(yáng)能輻射度的間接影響從而影響設(shè)備效率[3]。

2.1.1 溫度

當(dāng)光伏組件在環(huán)境溫度為25℃時(shí)工作時(shí)，其實(shí)際操作溫度將高于環(huán)境溫度，并導(dǎo)致最高14%的能源轉(zhuǎn)化損失[4]。一般來(lái)說(shuō)，單晶硅額定電池工作溫度（NOCT）為40℃。NOCT是指當(dāng)太陽(yáng)能組件或電池處于開(kāi)路狀態(tài)，并在以下具有代表性情況時(shí)所達(dá)到的溫度[5]。

（1）電池表面光強(qiáng)： 800 W/m2

（2） 環(huán)境溫度： 20℃

（3）風(fēng)速：1m/s

（4）電負(fù)荷： 無(wú)（開(kāi)路）

（5）傾角：與水平面成45°

（6） 支架結(jié)構(gòu)：后背面打開(kāi)

通過(guò)對(duì)光伏組件電能生產(chǎn)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)[2]，高溫會(huì)導(dǎo)致組件產(chǎn)能下降。高風(fēng)速會(huì)使環(huán)境溫度下降，從而降低了光伏組件工作溫度，提高產(chǎn)能。低溫是光伏組件的理想工作環(huán)境。當(dāng)環(huán)境溫度高于25℃時(shí)，電能損失為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件（STC）功率的10%，光譜、組件衰減和其他因素會(huì)導(dǎo)致約7.7%的電能損失。

2.1.2 太陽(yáng)輻射照度

太陽(yáng)輻射照度通過(guò)影響光伏組件的多個(gè)輸出因數(shù)從而影響輸出效率。太陽(yáng)能電池性能強(qiáng)烈依賴于光譜分布，不同的太陽(yáng)能電池材料有不同的光譜輸出。因此光伏組件的不同材料在不同的光譜分布下將產(chǎn)生不同的電能輸出，光譜分布根據(jù)地點(diǎn)和每天時(shí)間段的不同而有所不同。

2.2 組件損傷

電池板不匹配導(dǎo)致的損毀的電池板會(huì)使太陽(yáng)能電池板電流減小，在額定電壓范圍內(nèi)工作時(shí)[6]，將電能以發(fā)熱形式散發(fā)，使得光伏組件溫度升高。當(dāng)光伏組件在室外超時(shí)工作時(shí)溫度將進(jìn)一步升高，將有可能導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的組件損傷。不被旁路二極管保護(hù)的不匹配電池組件將引起電能耗散并產(chǎn)生過(guò)熱點(diǎn)，從而引起組件損傷。

太陽(yáng)能電站組件的室外工作功率往往低于額定功率。研究表明氣象條件會(huì)引起光伏組件效能損失達(dá)18%。盡管光伏電站設(shè)計(jì)使用時(shí)間為20-30年，但光伏組件的衰減和過(guò)早失效都應(yīng)考慮在內(nèi)。對(duì)組件潛在衰減的監(jiān)控是十分必要的。

3 解決方案

3.1 加裝跟蹤式太陽(yáng)能板

通過(guò)長(zhǎng)達(dá)13個(gè)月的集線器模塊監(jiān)控[3]，對(duì)跟蹤式太陽(yáng)能板（TFP）和固定式太陽(yáng)能板（FFP）得出如下結(jié)論。夏季固定式太陽(yáng)能板接收的入射能遠(yuǎn)大于直接照射時(shí)所接收能量，冬天則有相反的結(jié)果。跟蹤式太陽(yáng)能板的電能轉(zhuǎn)化效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于固定式太能板。研究表明跟蹤系統(tǒng)可以在清晨和傍晚的時(shí)間顯著段增大電能輸出。

3.2 引入控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控

在太陽(yáng)能系統(tǒng)中，太陽(yáng)能輻射具有不可操作性，并且太陽(yáng)能輻射隨著季節(jié)和時(shí)間變化而變化，在控制理論中這種變化成為一項(xiàng)干擾。太陽(yáng)能電站的動(dòng)態(tài)參數(shù)（非線性和不確定性）十分適合先進(jìn)控制理論。endprint

控制系統(tǒng)可以分為兩部分。第一部分是本地控制，通過(guò)設(shè)置好的日光反射裝置，將時(shí)間和太陽(yáng)輻射角度反饋給上層控制系統(tǒng)。第二部分邏輯層面是數(shù)字控制系統(tǒng)（DCS），通過(guò)接收到的數(shù)據(jù)控制進(jìn)行計(jì)算，給出下一步指令。

現(xiàn)階段的太陽(yáng)能板追蹤系統(tǒng)控制趨勢(shì)是利用開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，根據(jù)太陽(yáng)能輻射的地點(diǎn)和時(shí)間，給出太陽(yáng)輻射方向。當(dāng)接收器接到溫度和流量分布的模擬信號(hào)后，計(jì)算機(jī)根據(jù)輸入算法中的模擬公式給出每塊板支架的偏移量?？刂茀?shù)的準(zhǔn)確性會(huì)因時(shí)間、經(jīng)度和緯度、支架位置、處理器精確度和環(huán)境干擾等因素而產(chǎn)生誤差。

很多太陽(yáng)輻射位置算法的研究均利用了小型計(jì)算機(jī)。很多算法利用微型計(jì)算機(jī)增加了追蹤精確度。但研究表明此種算法只在有效時(shí)間段內(nèi)有效[7]。大型計(jì)算機(jī)在長(zhǎng)期數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)下可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)太陽(yáng)輻射位置并將誤差縮小至0.003度，但經(jīng)濟(jì)成本太高。

3.3 降低環(huán)境溫度

通過(guò)加空調(diào)等散熱裝置對(duì)屋頂光伏進(jìn)行技術(shù)改造，從而消除環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的影響。將散熱裝置的溫度控制數(shù)據(jù)作為控制參數(shù)，設(shè)定為光伏組件的理想環(huán)境工作溫度，將溫度對(duì)光能產(chǎn)出的影響降至最小。也可靈活采用物理降溫，機(jī)器清掃等方式，根據(jù)季節(jié)及氣候變化進(jìn)行應(yīng)對(duì)。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)大唐上海綜合保稅區(qū)32MWP屋頂光伏太陽(yáng)能2013年至2015年的產(chǎn)出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)比發(fā)現(xiàn)產(chǎn)出值僅達(dá)設(shè)計(jì)值的70%。發(fā)電量曲線變化同光照曲線變化一致，但單機(jī)產(chǎn)出率低。

溫度是影響光伏組件產(chǎn)出的重要因素。當(dāng)環(huán)境溫度高于25oC時(shí)，電能損失為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件（STC）功率的10%，光譜、組件衰減和其他因素會(huì)導(dǎo)致約7.7%的電能損失。光伏組件的不同材料在不同的光譜分布下將產(chǎn)生不同的電能輸出。電路原因造成的組件不可逆損傷也是原因之一。

可以通過(guò)加裝跟蹤式太陽(yáng)能板，引入監(jiān)控控制系統(tǒng)和機(jī)械降溫等方式提高光能產(chǎn)出率。

參考文獻(xiàn)：

[1]http：//solar.ofweek.com/2015-10/ART-260009-8610-29018000.html專訪李仙德：中英能源合作將如何發(fā)展？

[2]大唐上海綜合保稅區(qū)光伏項(xiàng)目，大唐（上海）電力能源有限公司

[3]Long-term monitoring of photovoltaic devices， E.E. van Dyk， E.L. Meyer， F.J. Vorster， A.W.R. Leitch ，Renewable Energy 25（2002）183-197，

[4]Van Dyk EE， Scott BJ， Meyer EL， Leithch AWR.Temperature dependence of output parameters of crystalline silicon photovoltaic modules. South African Jsci 2000； 96：198-200. （下轉(zhuǎn)第125頁(yè)）

（上接第78頁(yè)）

[5]IEC 1215. Crystalline silicon terrestrial photovoltaic modules- design qualification and type approval， 1993.

[6]Hermann W， Wiesner W， Vaa?en W. Hot spot investigations on PV modules — new concepts for test standard and consequences for module design with respect to bypass diodes. In： 26th IEEE Photovoltaic Specialists Conference， 1997：1129-32.

[7]Eduardo F. Camacho， Manuel Berenguel， Ignacio Alvarado， Daniel Limon. Control of Solar Power Systems： a survey. Proceeding of the 9th International Symposium on Dynamics and Control of Process Systems， page 809-814.endprint