設備衰減率對太陽能光伏發(fā)電利用小時數的影響分析

肖黎明

(南京信息工程大學 電子與信息工程學院，南京 210044)

設備衰減率對太陽能光伏發(fā)電利用小時數的影響分析

肖黎明

(南京信息工程大學 電子與信息工程學院，南京 210044)

發(fā)電利用小時數是判斷太陽能光伏電站運營狀況的核心指標，這個指標受多種因素的影響。除去自然因素和棄光限電影響，設備性能和運維水平對利用小時數的影響，則需太陽能產業(yè)界通過自身努力去逐步解決。通過對某太陽能光伏電站進行跟蹤后評估，測算出其電池衰減率對發(fā)電利用小時數的影響，即衰減率每提高1%，影響利用小時數12 h。這對光伏設備廠家和光伏發(fā)電站上下游協同發(fā)展均提出了新的技術創(chuàng)新要求。

太陽能；光伏發(fā)電；光伏電站；衰減率；利用小時數

0 引言

隨著經濟社會的發(fā)展，能源需求持續(xù)增長，能源環(huán)境問題日益突出，加快開發(fā)利用可再生能源已經成為可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢。隨著太陽能技術的成熟和成本的顯著下降，世界上許多國家已將太陽能作為重要的新興產業(yè)。

當前，我國正以推動低碳循環(huán)發(fā)展，建設清潔低碳、安全高效的現代能源體系為目標?？稍偕茉?，尤其是太陽能光伏發(fā)電因具有資源分布廣、開發(fā)潛力大、環(huán)境影響小、可永續(xù)利用等特點，在許多地區(qū)能源供應體系中占有更加重要的地位。大力發(fā)展光伏發(fā)電是落實“創(chuàng)新、協調、綠色、開放、共享”五大發(fā)展理念和保障能源安全、加強環(huán)境保護、應對氣候變化的重要措施，也是調整優(yōu)化能源結構、轉變能源發(fā)展方式的重要內容。

太陽能光伏發(fā)電在我國有著廣闊的發(fā)展前景。國家能源局下發(fā)的《太陽能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中明確提出：到2020年年底，全國太陽能發(fā)電裝機要達到110 GW，其中，光伏發(fā)電裝機達到105 GW以上，在“十二五”基礎上每年保持穩(wěn)定的發(fā)展規(guī)模；太陽能熱發(fā)電裝機達到5 GW。到2020年，太陽能年利用量達到1.4億t標準煤以上。結合國情，按照因地制宜、形式多樣的思路，引導太陽能光伏發(fā)電產業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。

我國光伏產業(yè)體系不斷完善，技術進步顯著，光伏制造和應用規(guī)模均居世界前列。在政策大力支持下，目前我國光伏發(fā)電已全面進入規(guī)?；l(fā)展階段，技術進步和產業(yè)升級加快，太陽能市場競爭力迅速提高，光伏發(fā)電成本持續(xù)降低，但太陽能發(fā)電的利潤卻苦樂不均。對已投運光伏發(fā)電項目來說，影響其收益的因素很多，造價已經固定，發(fā)電利用小時數就成為其核心衡量指標了。

1 光伏電池發(fā)展狀況

近年來，我國太陽能電池(又稱光伏電池)與組件規(guī)模迅速擴大的同時，產業(yè)化光伏電池與組件效率也大幅提升。2014年，高效多晶太陽能電池產業(yè)化平均效率達17.5%以上，2014年年底最高測試值已達20.8%；單晶太陽能電池產業(yè)效率達19.0%以上，效率已達到或超過國際平均水平。2015年，我國多晶及單晶太陽能電池產業(yè)化平均效率分別達到18.3%和19.5%。

地面光伏電站初始投資占光伏電站成本的80%以上，主要包括光伏組件、并網逆變器、配電設備及電纜、電站建設安裝、土地租賃等成本，其中，光伏組件投資成本占初始投資的近6成。因此，提升光伏電池組件效率、推動制造工藝進步以及降低原材料價格等因素，都會進一步降低光伏發(fā)電成本。

經測算，光伏組件效率每提升1%，相當于光伏發(fā)電系統(tǒng)價格下降10%；但當電池出現超衰減時，又將導致發(fā)電利用小時數下降，從而降低光伏電站的收益。光伏發(fā)電技術的發(fā)展進步，高效電池或其他新型電池的研發(fā)和普及，帶來轉換效率的提升和使用壽命的延長，增加了發(fā)電利用小時數，促使太陽能光伏發(fā)電成本的進一步下降。

2 晶體硅太陽能電池組件功率衰減

硅是一種良好的半導體材料，儲量豐富，性能穩(wěn)定，是太陽能電池研究開發(fā)、生產和應用中的主體原料。

晶體硅光伏組件由鋼化玻璃、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)膠膜、電池片、背板、鋁邊框、接線盒、硅膠等組成，是按照一定的生產工藝進行封裝，在一定的光照條件下達到一定輸出功率和輸出電壓的光伏器件。光伏電站投運后，隨著光照時間的增長，組件輸出功率呈逐漸下降趨勢。

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是由光伏電池、充放電控制器、監(jiān)控設備和蓄電池以及一些輔助設備部件組成。光伏發(fā)電的原理：陽光照射太陽能電池表面，光子被太陽能電池的硅材料吸收，使太陽能電池內的電子發(fā)生變化；太陽能電池與外部電路連接時，產生輸出功率，即光能轉化為電能；太陽能電池連接的蓄電池組將光能轉化為電能儲存起來，進而輸送到電網中，再經過變壓輸送到用戶。

3 計算太陽能電池功率

當前，影響太陽能發(fā)電利用小時數的因素主要有3個方面：(1)受氣候、地形、光照、環(huán)境等影響的自然因素；(2)受調度、負荷、季節(jié)等影響的棄光限電因素；(3)受設備性能和運行維護管理水平影響的技術因素。自然因素不可逆，只能在今后選址時總結經驗，吸取教訓；棄光限電現象需要政策引導和保護才能解決消納問題，非電站個體能夠解決。而設備性能和運行維護水平，則需太陽能產業(yè)上游制造以加強技術創(chuàng)新、提升產品性能質量、降低成本為核心任務，為下游市場大規(guī)模發(fā)展創(chuàng)造條件；下游市場應用的核心任務則是提升運行維護管理水平，以此來共同提高設備發(fā)電利用小時數。

太陽總輻射的大小直接影響光伏電池出力的大小。要進行光伏發(fā)電功率預測，首先要對太陽輻照與光伏發(fā)電功率的相關性進行研究并建立光伏電站出力模型，進而得到光伏電站的輸出功率。根據各地氣候、自然環(huán)境的較大差異，開展光伏電站發(fā)電功率影響研究，將有效提高光伏發(fā)電功率的預報、預測能力，對提高光伏發(fā)電利用小時數、指導光伏發(fā)電發(fā)展和布局有積極作用。

每日有效日照按6.5 h，逆變器轉換效率按90%計，輸出功率為100 W時，實際需要輸出功率應為100 W/90%=111 W。若每天使用5 h,則每天耗電量為555 W·h。考慮充電效率和充電過程中的損耗，太陽能電池板的輸出功率應為555 W·h/6.5 h/70%=122 W，式中：70%為充電過程中太陽能電池的實際功率的百分數。

當輸出功率為100 W時，每年輸出的電能為6.5 h/d×122 W×365 d=289.4 kW·h。這為接下來計算電池衰減率奠定了基礎。

4 光伏組件功率衰減

對已投運光伏電站運營效益進行后評估分析，年發(fā)電利用小時數是其最重要的量化指標。通常通過實際年發(fā)電利用小時數與可研年發(fā)電利用小時數進行對比，判斷分析出差異成因。

電量是電廠的生命線。對在運機組來說，年發(fā)電利用小時數直接影響著光伏電站的投入產出比。對于光伏電站而言，如果天氣、氣溫及光照度年偏差不大，設備運行情況正常，而實際年發(fā)電利用小時數與可研年發(fā)電利用小時數偏差大，拋開人為管理因素，就應重點檢測是否是因電池板衰減率大，影響機組性能，導致發(fā)電利用小時數下降，從而降低投資回報。

近年來，統(tǒng)計匯總分析發(fā)現，太陽能光伏組件衰減率的大小，已經成為影響光伏發(fā)電量的重要因素之一。

4.1 光伏組件衰減率的測試方法

光伏組件衰減率是指光伏組件運行一段時間后，在標準測試條件下最大輸出功率與投產運行初始最大輸出功率的比值。標準測試條件：大氣質量(AM)，1.5；組件溫度，25 ℃；輻照度，1 000 W/m2。

光伏組件衰減率的確定可采用加速老化測試方法、實地比對驗證方法或其他有效方法，其中，實地比對驗證方法更適用于在運機組的性能檢測。

實地比對方法是自組件投產運行之日起，根據項目裝機容量抽取足夠數量的組件樣品，按照GB/T 6495.1—1996《光伏器件 第1部分：光伏電流-電壓特性的測量》規(guī)定的方法，測試其初始最大輸出功率后，與同批次生產的其他組件安裝在同一環(huán)境下正常運行發(fā)電，運行之日起1年后再次測量其最大輸出功率，將前后兩次最大輸出功率進行對比，依據衰減率計算公式計算出光伏組件發(fā)電性能的衰減率。計算公式為

100% ，

式中：Pmax為最大輸出功率。

4.2 光伏組件衰減率檢測實例

對南方某地在運光伏電站運行指標進行跟蹤測試，發(fā)現其呈典型的衰減率偏大狀況，這為今后機組選型和運行維護提供了參考。

表1為該光伏電站投運以來，連續(xù)5年實際利用小時數完成與可研情況的比較。

表1 2011—2015年發(fā)電利用小時數比較

注：表中差異值=實際值-可研值。

實際利用小時數較可研利用小時數存在一定差異是正?，F象，但當差異值較大時，就應通過實地比對方法檢測其光伏電池衰減變化情況。在檢測時，通過測定送檢電池的最大功率、電壓、電流等指標，計算出最大功率和填充因子，從而判斷出衰減率情況。

4.3 檢測指標

已知該光伏電站可研最大功率是275 Wp，可研填充因子為80%，年衰減率為1%，在標準試驗條件下測得相關指標見表2。

表2 衰減率測算主要指標

最大功率Pmax=UmpImp=33.09×6.993=231.4(Wp)。功率曲線如圖1所示。

圖1 功率曲線

4.4 檢測結果

通過對送檢的部分多晶硅光伏電池組件進行檢測和計算，實際測得該塊電池輸出最大功率為231.4 Wp，較可研(275 Wp)低了43.6 Wp。

填充因子是電池品質的量度，實際上是最大輸出率除以理想目標的輸出功率。多晶硅填充因子一般在60%～85%，其值越高，表明電池性能越好。

對該光伏電站填充因子進行測算：

100%=64% 。

平均填充因子(FF)為64%，由4.1中公式計算，該光伏電站光伏組件衰減率=(275-231.4)/275×100%=16%。

由此可推定出，在設定的技術規(guī)范標準下，對照光伏組件技術參數要求值，以5年作為產品運行使用時間，多晶硅光伏電池組件在標準試驗條件下，其平均最大輸出功率較可研低43.6 Wp，5年運行使用期限內輸出功率衰減不超過峰值功率的5%，實際平均衰減率卻高出了11%。其平均衰減率已接近25年設計運行使用生命周期的20%，直接影響了發(fā)電效率。

4.5 經濟性影響

對于本文中示例的該10 MW光伏電站，在平均衰減率高出可研設定值11%的情況下，年影響發(fā)電量1.32 GW·h。也即衰減率每提高1%，影響利用小時數12 h，減少發(fā)電量120 MW·h。

按照1元/(kW·h)的太陽能上網電價測算，影響該光伏電站年銷售收入132萬元，對一般起步階段的光伏發(fā)電企業(yè)仍是個不小的數字。

5 結論

結合以上測算結果，設備衰減率對太陽能光伏發(fā)電利用小時數的影響，可以從技術和應用兩個方面來加以改進。

(1)在技術方面，光伏廠家應更加重視對單晶硅電池片在封裝之前進行光致衰減，做好每個質量控制點的管控，是增加太陽能電池組件功率衰減的最佳途徑，可使用的手段包括利用紫外功能較強的背板、EVA膠膜等。通過提高光伏組件的輸出功率，增加太陽能光伏組件在實際工程應用中的性價比，從而提升轉換效率，增加發(fā)電利用小時數。

(2)在應用方面，光伏建設單位應注意組件搬運、安裝的正確操作，減少安裝過程中的損耗；在投運后，光伏電站應注意極端天氣的防范，以及注重灰塵、雨水的遮擋等。將光伏衰減率控制在標準范圍內，做好日常運行維護，加強精益管理，提升機組發(fā)電利用小時數，從而提升光伏電站的綜合效益。

綜上所述，解決好設備衰減率問題，需要廠家和電站雙方共同努力，實現上游制造與下游發(fā)電市場協同立體化創(chuàng)新發(fā)展，是當前提升太陽能發(fā)電綜合競爭力的有效途徑。

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TM 912

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1674-1951(2017)12-0067-03

2017-11-14；

2017-11-29

(本文責編：白銀雷)

肖黎明(1975—)，男，江蘇蘇州人，高級工程師，博士研究生，從事電力系統(tǒng)分析、運行與控制、氣象環(huán)境與新能源開發(fā)方面的研究工作(E-mail:new200404@126.com)。