不同類型光伏發(fā)電站的運維重點及難點探討

保定嘉盛光電科技股份有限公司 趙國立

1 引言

截至2020年年底，國內(nèi)光伏裝機容量累計達到了253GW，連續(xù)6年位居全球首位，到2030年風電、太陽能發(fā)電總裝機容量預(yù)計達到12億kW以上[1]，光伏行業(yè)在未來發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

光伏發(fā)電項目逐步成為我國電力能源結(jié)構(gòu)的重要組成部分，光伏發(fā)電站的安裝形式也越來越多，包括地面集中式、屋頂分布式項目等。不同類型的光伏發(fā)電站在運行過程當中面臨的運維重點及難點工作也不盡相同。為保證光伏項目正常運行，有必要對不同類型項目的運維重點及難點工作進行分析總結(jié)，制定有針對性的運維方案，才能達到讓光伏發(fā)電站安全、高效運行的目的。

2 地面集中式光伏電站

2.1 沙塵天氣影響

大型地面光伏電站一般建設(shè)在土地廣闊的西北區(qū)域，氣候干燥且降雨量少，沙塵天氣頻繁，為太陽能發(fā)電造成了較大麻煩。

西北區(qū)域的地面集中式光伏發(fā)電項目組件的灰塵、污漬遮擋是影響項目發(fā)電量的重要因素。在季節(jié)交換時段遭遇沙塵暴時，雨水匱乏，加劇灰塵在組件表面附著，發(fā)電效果大幅下降，嚴重影響組件正常發(fā)電運行。針對此類問題可采取以下應(yīng)對措施：

一是制定科學合理的光伏組件清洗計劃，在沙塵季節(jié)增加光伏組件的清洗頻次，及時清除灰塵遮擋。二是根據(jù)項目地的情況，合理采用干洗或水洗的方式，制定經(jīng)濟性最佳的清洗方案，達到快速提升組件發(fā)電能力的目的。三是及時掌握天氣變化情況，制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，嚴密監(jiān)控電力系統(tǒng)運行參數(shù)。同時，配備應(yīng)急搶修物資、備品備件，確保沙塵暴襲擊時搶修人員可以隨時待命。四是沙塵暴過后，組織人員對設(shè)備、線路和廠區(qū)進行巡視，做好設(shè)備除塵工作的同時，全力排查因沙塵影響所帶來的安全隱患。五是為了確認項目的最佳清洗時間，可以在現(xiàn)場設(shè)置灰塵監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，預(yù)警系統(tǒng)可在收集數(shù)據(jù)期間實時監(jiān)測現(xiàn)場灰塵遮擋情況，根據(jù)收集的數(shù)據(jù)進行深入分析，確定最優(yōu)清洗時間節(jié)點。

2.2 鳥糞污染問題

光伏電站地處偏遠地帶，是鳥類聚集生活的區(qū)域，這種區(qū)域的光伏電站容易受鳥糞的影響，尤其對晶硅類組件，鳥糞對其輸出功率有較大影響。另外，當光伏方陣處于正常工作狀態(tài)，且方陣面的輻照度高于600W/m2時，檢測同一組件外表面電池正上方的溫度超過20℃時，應(yīng)視為發(fā)生熱斑[2]，鳥糞導(dǎo)致的熱斑效應(yīng)可導(dǎo)致引發(fā)火災(zāi)的隱患。

當某一（些）光伏組件出現(xiàn)故障時，在其他光伏組件的作用下，這些故障光伏組件將成為系統(tǒng)的負載，以熱量的形式消耗其他太陽能發(fā)電單元發(fā)出的電能，同時長時間熱量的積累也會對光伏組件本身以及其封裝材料帶來損害，甚至造成永久損壞[3]。針對鳥糞污染情況，可以采用安裝驅(qū)鳥裝置的方式，盡可能減少鳥類在光伏組件頂部聚集棲息的時間和頻率，減少鳥糞污染。

2.3 回填區(qū)光伏組件承受不均衡扭力

地面集中式光伏電站的光伏支架安裝于回填土區(qū)域的時候，往往面臨基礎(chǔ)沉降問題，基礎(chǔ)的位移會破壞組件固定位置的受力平衡，造成組件的隱裂、碎片、玻璃破碎、邊框變形等故障。為了解決這一問題，一方面要及時對沉陷部位進行補填、固定，防止沉陷加劇；另一方面，要及時測試壓塊扭力，調(diào)整組件壓塊的位置和松緊度，減少組件所受的不平衡力。

3 屋面分布式光伏電站

3.1 屋頂火災(zāi)風險

對廠房屋頂分布式光伏設(shè)備，夏季高溫、雨季暴雨等惡劣環(huán)境，對光伏系統(tǒng)的安全運行是重大考驗，存在因設(shè)備故障導(dǎo)致屋頂起火事故的發(fā)生。尤其是光伏系統(tǒng)直流側(cè)線纜的MC4接插件、光伏匯流箱等電氣設(shè)備，因材料、施工質(zhì)量或惡劣環(huán)境等原因，極易導(dǎo)致其過熱甚至燒毀，輕則造成電量損失，重則導(dǎo)致廠房火災(zāi)事故。

圖1 某屋頂分布式電站MC4接插件燒毀導(dǎo)致屋頂損壞

為避免火災(zāi)事故的發(fā)生，需要制定周密嚴謹?shù)捻椖垦矙z、維護計劃。對于此類的光伏項目需要增強項目自身運行的穩(wěn)定性，減少故障率，杜絕事故的發(fā)生?？刹扇〉念A(yù)防性維護措施有以下幾點：

一是定期進行紅外熱成像掃描，尤其是屋頂?shù)墓夥M件、MC4接插件、匯流箱等電氣設(shè)備連接點，應(yīng)重點進行紅外熱成像掃描，如發(fā)現(xiàn)過熱現(xiàn)象，立即查找原因并處理，消除安全隱患，避免因此造成事故。

二是室外配電箱要有較好的防火、防潮性能，入線孔位置要進行防火封堵，且箱體的密封位置需要定期檢查維修，以免材料老化、變形，影響整體的防護性能。

圖2 某項目MC4接插件紅外熱成像掃描發(fā)現(xiàn)異常

3.2 光伏組件灰塵遮擋

對于屋面分布式光伏發(fā)電項目，組件的灰塵/污漬遮擋是影響項目發(fā)電量的重要因素。尤其對存在平鋪安裝光伏組件，冬季空氣質(zhì)量較差，秋冬季節(jié)夜晚露水嚴重，加劇灰塵在組件表面附著；另外，雨勢相對較小，導(dǎo)致組件表面形成泥帶遮擋，對組件造成腐蝕，灰塵的成分比較復(fù)雜，可與面板的組成物質(zhì)產(chǎn)生酸性或堿性反應(yīng)，嚴重影響組件正常發(fā)電運行。目前，有效的措施和手段如下：

一是根據(jù)具體情況制定科學的組件清洗計劃，雨季要避免進行光伏組件的清洗工作，在秋冬季節(jié)增加光伏組件的清洗頻次，及時清除灰塵/污漬遮擋因素，另外合理采用干洗、水洗或者局部清洗的方式，制定經(jīng)濟性最佳的清洗方案，清除組件泥帶遮擋，達到快速提升組件發(fā)電能力的目的。二是屋面分布式光伏項目大部分安裝光伏組件的角度較小，而對于平鋪安裝的光伏組件，底部極易堆積大量泥帶，可考慮安裝組件導(dǎo)水排泥裝置，提高電站發(fā)電量，減少組件熱斑效應(yīng)。三是對于屋面分布式光伏發(fā)電項目，尤其對于灰塵累積較快的項目，安裝清掃機器人是較好的應(yīng)對措施，可以自主設(shè)定清掃頻率，解決灰塵遮擋光伏組件的難題。此類項目安裝清掃機器人的投資回收期較快，可以得到較高的投資收益。

3.3 作業(yè)安全問題

屋頂分布式光伏電站在巡檢作業(yè)過程當中存在普遍的安全問題，由于光伏項目建設(shè)于屋頂，為保證屋頂作業(yè)安全性，提高項目現(xiàn)場運維安全系數(shù)，可對項目現(xiàn)場進行安全防護加固措施：一是大部分彩鋼廠房屋頂都設(shè)置屋頂采光帶，但是采光帶是不能承受人員踩踏受力的，因此對采光帶要設(shè)置醒目的標志，避免人員誤踩造成人員墜落安全事故。二是無女兒墻（距離屋頂邊緣較危險區(qū)域）項目加裝防護欄。三是較高屋頂?shù)氖彝馀捞莞脑欤黾邮彝馀捞菥彌_平臺，避免因爬梯過高，人員在攀登過程中因體力不支發(fā)生意外。四是屋頂設(shè)置人員檢修通道，方便人員巡視，增加巡檢安全系數(shù)，且避免因人員踩踏損壞屋頂，造成屋頂漏雨等現(xiàn)象。五是電站項目巡檢作業(yè)人員應(yīng)具備完善的特種作業(yè)操作證，除具備電工作業(yè)證之外，還應(yīng)該根據(jù)項目具體情況考取高處作業(yè)證。

3.4 電力線纜絕緣損壞

屋頂光伏發(fā)電項目線纜在未進行有效防護的情況下，絕緣層因材料質(zhì)量或在風吹日曬等惡劣環(huán)境的影響下，極易造成絕緣層損壞，導(dǎo)致電纜短路起火、漏電傷人等事故發(fā)生。尤其在逆變器直流側(cè)的光伏線纜，線纜較集中密集，如果絕緣層損壞，容易導(dǎo)致正負極短路故障，嚴重威脅電站安全運行，因此對電力線纜的絕緣完好性檢查防護工作須加強。

針對此類問題，首先要對線纜進行有效維護，已明顯絕緣損壞的光伏線纜，進行防曬、防水絕緣層加固處理，確保正負極線纜之間的安全絕緣標準，然后采用隔板等方式對外漏線纜進行防曬遮擋處理。另外，為保證線纜長期有效安全狀態(tài)，可在將絕緣層損壞線纜進行絕緣加固防護處理后，對原光伏線纜防護管進行升級改造。

3.5 分散型屋面項目響應(yīng)速度問題

部分戶用光伏系統(tǒng)總體容量較大，但單體容量較小，區(qū)域分布較為分散，巡檢過程耗時長、故障處理響應(yīng)時間長、故障節(jié)點多、維護工作量大，且由于單體項目安裝于每個家戶內(nèi)部，進出過程受住戶限制。所以，對于此類的光伏項目需要增強項目自身運行的穩(wěn)定性，減少故障率，杜絕事故的發(fā)生，建議采用全方位預(yù)防性運維方式，重點放在以下兩點：

一是年度檢測和年度維護，每年進行全方位檢測和評估，提前發(fā)現(xiàn)隱患點，并進行處理，防止故障擴大；同時，做好本項目年度維護，提高項目穩(wěn)定運行的能力。二是故障搶修機制，借助遠程監(jiān)控平臺，進行24h×365d全天候監(jiān)控和應(yīng)急響應(yīng)，設(shè)置監(jiān)控運維中心，每天定期收設(shè)備運行所有相關(guān)數(shù)據(jù)，上傳到監(jiān)控中心。監(jiān)控運維中心存儲了運維工的相關(guān)信息，當檢測出屋頂光伏電站故障或異常時，監(jiān)控運維中心自動推送居民屋頂位置、故障異常類型等信息給運維工作人員，以方便運維工作人員開展具體的運維工作，為現(xiàn)場巡檢人員提供強有力的技術(shù)支持。

在以上兩點基礎(chǔ)上，結(jié)合定期巡檢和特殊巡檢，可以有效地避免光伏系統(tǒng)出現(xiàn)故障，減少故障損失。

4 山體光伏電站

4.1 雷擊風險

山體上建設(shè)的光伏電站項目，依山體走勢而建，因此存在受雷擊的風險，對接地系統(tǒng)的要求也更高，組件的接地性能直接關(guān)系到系統(tǒng)受雷電影響時的安全性，需要在雷雨季節(jié)前對光伏系統(tǒng)進行一次接地系統(tǒng)的專項維護，防止雷雨天氣對系統(tǒng)設(shè)備造成損壞，且每年需要定期對系統(tǒng)進行接地性能的測試，根據(jù)測試結(jié)果對系統(tǒng)隱患進行排除。

4.2 植被遮擋和雜草的清除

山體型光伏電站光伏區(qū)域占地面大，植被情況也比較復(fù)雜，給工作人員巡檢和植被清除工作帶來較大的工作困難。雜草遮擋是影響光伏發(fā)電效率的重大因素，不僅減少發(fā)電量還可能導(dǎo)致光伏組件熱斑效應(yīng)，溫度過高進而引發(fā)火災(zāi)事故。

后期運維過程中，一方面需要積極協(xié)調(diào)解決遮擋源；另一方面，對于無法協(xié)調(diào)解決的部分可以采用組串優(yōu)化器等產(chǎn)品。在北方雜草枯萎的季節(jié)，山上可能存在人員活動（抽煙、玩火、祭祀等）導(dǎo)致雜草起火，給光伏區(qū)帶來較大的火災(zāi)事故，因此必須及早清除雜草，建立防火隔離帶，同時建立火災(zāi)事故應(yīng)急小組和應(yīng)急預(yù)案。

圖3 雜草遮擋光伏組件導(dǎo)致溫度過高

4.3 快速抵達故障處理現(xiàn)場的問題

對于山體類光伏電站來說，光伏區(qū)地勢復(fù)雜，且由于其安裝環(huán)境占地面積較大，組件故障維修或巡檢過程更加依賴于高效率的設(shè)備定位。可以通過定位地圖進行高清視圖定位，對每個組串進行編號，運維人員可以通過軟件定位，快速到達目標設(shè)備位置。由于部分山體光伏電站項目網(wǎng)絡(luò)信號偏差，建議使用在斷網(wǎng)狀態(tài)下仍可通過GPS實現(xiàn)準確定位的軟件，可以讓光伏電站運維效率明顯提高，方便發(fā)生故障時的消缺工作。

4.4 水土流失問題

根據(jù)以往的經(jīng)驗，部分山體電站項目地面植被不夠豐富，易發(fā)生水土流失情況，還有可能因為水土流失導(dǎo)致滑坡現(xiàn)象，進而造成不必要的資產(chǎn)損失。在控制方面，可以對受破壞的地面進行及時恢復(fù)和養(yǎng)護，減少水流無序匯集。對有必要的區(qū)域還要采取重新建設(shè)護坡、設(shè)置泄洪渠等措施進行防護，從而減少水土流失，避免山體滑坡或泥石流危害。

5 “漁光互補”光伏電站

5.1 光伏區(qū)現(xiàn)場可達性較差

“漁光互補”項目是將光伏組件安裝于水面上，以船為交通工具，電站的通行性和靈活性較差，嚴重影響運維效率。豐水期水位較深，增添了船在水面上的不穩(wěn)定性；枯水期水面較淺，河水里的淤泥雜草又給運維工作增加了難度。鑒于此類項目特點，可以充分利用智能無人機進行巡檢，大大節(jié)省人力，提高工作效率。

5.2 電站安全性要求高

“漁光互補”電站的安全性要求較高，主要為設(shè)備安全和人員安全。電站設(shè)備絕緣需要定期進行維護和檢測，接地扁鐵等電站設(shè)施處在水中容易生銹，且絕緣故障容易威脅清洗人員安全。電與水交互的環(huán)境，極易引起安全事故，并且運維人員乘船進行人工清洗運維，安全性差，在運維過程中，溺水安全事故需要重點關(guān)注，在電站上應(yīng)配置電力絕緣工器具、船只、救生衣等物資。

5.3 鳥糞污染嚴重，人工清掃成本高

“漁光互補”電站相對而言灰塵較少，但鳥類較多，容易產(chǎn)生鳥糞遮擋組件，清理不及時，影響發(fā)電量的同時會造成熱斑效應(yīng)，燒壞組件。另外，鳥糞清洗難度大，組件清洗時不僅人工清掃成本高，時間成本也高，電站損益難以均衡。對于“漁光互補”電站清洗問題，可以充分應(yīng)用智能光伏運維機器人解決“漁光互補”電站清洗難題，實現(xiàn)電站的自動化清洗、智能運維，切實有效提升電站發(fā)電量。

6 農(nóng)光互補光伏電站

6.1 防汛問題

“農(nóng)光互補”光伏項目所在地雨水較為豐盛，地勢相對較低，占地面積較廣，電站每年在雨季對防汛要求較高，因洪水問題存在以下問題。

一是因項目土質(zhì)松軟，四周沙土堆積，雨水淤積，導(dǎo)致地基下沉，可能導(dǎo)致支架及組件變形現(xiàn)象，光伏支架受力向上或向下彎曲，影響了光伏板整體的美觀，也導(dǎo)致光伏板受力不均，造成損失。二是雨水太過豐盛，雨水不能及時泄洪，可能對種植農(nóng)作物造成一定影響，造成農(nóng)作物損失。三是“農(nóng)光互補”電站電纜溝、電氣設(shè)備基礎(chǔ)等設(shè)備所在區(qū)域，在洪水較大、積水較多時，存在電纜、電氣設(shè)備等被水浸泡風險。四是項目地如遇特大洪水，可能存在人員被困、車輛不能通行等風險。針對以上情況可采取以下措施：

一是增加季節(jié)性巡視等專項巡檢，著重關(guān)注長期存在雨水浸泡區(qū)域，及時發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，防止損失擴大。二是設(shè)置泄洪措施，對電纜溝、設(shè)備基礎(chǔ)內(nèi)設(shè)置排水孔，防止雨水漫灌；對地勢較低區(qū)域，適當增加泄洪溝，關(guān)鍵區(qū)域構(gòu)筑防洪墻，保證電站整體安全。三是防洪物資準備，保證防洪沙袋、鐵鍬、雨衣、雨鞋/靴、排污泵、排污水管、救生衣、救生圈、應(yīng)急藥品等準備充足良好，定期檢查是否缺失和損壞，確保隨時可用。

6.2 電站組件清洗和農(nóng)作物灌溉問題

“農(nóng)光互補”光伏電站由于組件較高，存在清洗作業(yè)不便問題，另外組件清洗和農(nóng)作物灌溉均需水資源，部分項目組件清洗用水可能會和農(nóng)作物灌溉出現(xiàn)沖突。針對此問題，建議合理選擇農(nóng)作物種類，綜合考慮農(nóng)作物生長環(huán)境、生長高度對組件影響等因素，選擇種植適宜農(nóng)光互補項目的農(nóng)作物。

合理把控清洗組件和灌溉農(nóng)作物最佳時機，在安排光伏組件清洗時間時，與農(nóng)作物的灌溉時間相結(jié)合，在農(nóng)作物有灌溉需求時，觀察組件表面污染情況，充分利用水資源，避免水資源的浪費；同時，避免在農(nóng)作物水分充沛期，因清洗用水導(dǎo)致農(nóng)作物的損失。

6.3 “農(nóng)光互補”項目光伏區(qū)巡檢通道問題

“農(nóng)光互補”項目可能會存在巡檢不便問題，一方面地面可能會存在水塘、泥濘地段，人員很難到達各區(qū)域現(xiàn)場；另一方面，由于農(nóng)作物種植，人員巡檢可能會對農(nóng)作物踐踏造成損失。針對以上問題建議充分利用無人機巡檢，節(jié)省人力，提高工作效率。在光伏區(qū)域，合理設(shè)置巡檢通道，保證人員正常巡檢路線的暢通，在必要區(qū)域預(yù)留充足空間，可以正常開展組件清洗、更換以及設(shè)備維修維護工作。

壯大清潔能源產(chǎn)業(yè)是我國“十四五”規(guī)劃的重要目標和任務(wù)，而光伏發(fā)電也將成為我國重要的電力來源，并占據(jù)重要地位，光伏發(fā)電也將迎來更大范圍、更多場景、更多模式、更高水平的利用。對我國多種形式的光伏電站項目，必須考慮其特殊性，對重點及難點工作充分分析，制定相應(yīng)的維護方案，保證其安全、高效運行，源源不斷地輸出清潔電力，服務(wù)廣大民眾，助力我國“雙碳”目標的實現(xiàn)。