【金笔征文】并网光伏电站系统效率分析

引言

随着人类社会的发展,对于环境的要求也越来越严格,新能源现在成为世界关注的热点。各国政府都在大力推广新能源,而太阳能光伏发电系统则在新能源行业中占据了重要的位置。在经历了十多年的快速发展建设后,太阳能发电站目前在世界各地都已大面积铺开,目前全球光伏装机容量在200GW-300GW之间,各类光伏电站个数估计超过100万。预计到2030年,新能源在总能源结构中的占比将超过30%,其中太阳能发电量在世界总电力供应中也会达到10%以上,并且还会持续保持增长态势,到21世纪末,新能源占总能源结构达80%,太阳能发电则在总电力供应中占到60%。由此看出21世纪能源结构的重大变革,将光伏发电产业提高到了能源领域的重要战略地位。

我国光伏产业近年来发展迅猛,从2014年开始中国光伏新增装机量就跃居世界首位,在2015年中国太阳能发电量已达全球光伏发电总量的四分之一。对于大批投产运营的光伏电站,电站运行状况和维护则将成为工作重点。

PR(Performance Ratio),光伏电站系统效率是光伏电站质量评估中最重要的指标,它是实际发电量和理论的发电量的比值,不论电站所处位置和太阳光辐照量的多少都不会对此产生较大影响。因此我们可以通过PR数值来比较全世界不同位置的光伏电站发电状况,本文解释了PR的概念和功能,并详细讲述如何计算光伏电站的系统效率及具体哪些因素会直接影响PR数值。

 

1 什么是光伏电站系统效率

由于光伏电站会建设于地球上的任何位置,各地经纬度不同,环境温度不同,太阳光辐照度不同,气象条件不同,安装设备不同,因此同样规模的光伏发电站之发电量也会不同,如果通过发电量来评估则是非常不公正的。如何评判电站质量,那么一个不受外界因素干扰的量化数值就显得尤为重要。光伏电站系统效率(PR)就是一个测量标准,通常作为电站质量因素来评估电站,这是一个百分比数值,体现了光伏电站实际发电量和理论应发电量的关系,也说明了电站在扣除了电能损耗(例如:发热损耗和电缆输电损耗)和运营时电能消耗后,实际有效供电的比例。

每个正在高效运营的光伏电站的PR最高理论数值都是100%,然而在实际运行中,100%这个数值是不可能达到的,因为光伏电站在运行过程中不可避免的会产生各种电能损耗(例如:光伏组件发热而产生热能损耗)。但是一个高品质的光伏电站,其系统效率会超过80%,甚至接近90%

 

2 系统效率的作用

光伏电站系统效率数值能够表明电站发电效率和可靠性有多高。通过系统效率数值可以让一个光伏电站和其他光伏电站比较电力输出能力,此外还可以进行长期监控电站的性能状态。

在一个固定时间段内测定的系统效率值并不能完全代表比较的绝对性,不过数值可以告诉管理人员电站性能和输出是否正常:假设一个光伏电站在试运行时状态最佳,由此得出的电站系统效率PR值设定为固定参考值1,那么经过一段时间的运行后,PR值就会小于1,如果这个数值偏差在一定范围内则是允许的,不过当PR值偏差超过正常范围,则说明光伏电站可能开始出现故障了。

在后面我们会讨论有关导致PR值偏差的因素。

 

3 如何计算系统效率PR

为了计算光伏电站系统效率PR值,就需要各种参数值。首先要获取光伏电站当地太阳光辐照度数值,这个可以在电站使用相关测量仪来测量入射光辐照度。另外,我们还需要知道光伏电站组件总的标称功率容量值,以及测量时间段内光伏电站总的实际关口计量发电量值,这些数据我们都可以根据单个组件标称功率和数量轻易计算出来和在关口计量表处读取到。

当使用测量仪来测量直接入射光辐照度时,测量仪的安装角度及方向必须和组件安装一致,这样才能正确的计算PR值,另外还要确保测量仪安装于光伏阵列中间,以使得测量仪和光伏组件能接收到相同量的光照射和与组件处于相同环境温度中。

电站系统效率PR值的最佳评估期间是一年。当然也可以选择较短的时间段,例如,当需要和其他光伏电站做比较时,最少的评估期也需要一个月,这样一些不适合的环境条件,像短期阴雨天气、低温、某一时间阴影遮盖组件或光辐照测量仪等情况就不会对计算产生较大的影响。

 

实测PR值的计算:

光伏发电站在运行时,根据在一段时间内的实际各项相关测量值进行计算。依据GB/T 20513-2006/ IEC61724:1998 之规范,基本评估方式有日平均发电量(Daily Mean Yield, DMY)、系统性能比(Performance Ratio, PR)和系统效率(System Efficiency, ηtot),公式如(1)~(3)所示:

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EAC:测量期间电站输入电网计量发电量值(kWh)

P0电站组件装机的标称容量值(Wp)

AA组件面积(m2)

Day:统计天数

HI测量期间总辐照量值(kWh/m2)

G0标准辐照量值STC(1000W/m2)

这里面的系统性能比(PR),就是我们通常所述的电站系统效率,而上面计算公式所提及的系统效率tot),则指的是系统光电转换效率。

    通过上述公式我们可以开始计算一个时间段内的电站系统效率(PR),但是这还需要获取两个量值,一个是测量期间的总发电量(电站计量表总度数),另外一个是测量期间光伏阵列上的总辐照量。测量辐照量通常可以使用两种方式,最主要最常见的方式是利用安装于光伏阵列中,且与光伏组件相同倾角的总辐射计进行测量,该总辐射计需要符合ISO 9060 Class 2规范的DELTA OHM LP PYRA 03;另外一种就是选用与光伏电站相同材质的符合规范认可的标定太阳能电池板进行测量。

 

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此外,国外某些电网公司还会使用其他计算公式,例如如下的有关电站系统效率(PR)的计算方式:

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EAC:测量期间I电站输入电网计量发电量值(kWh)

P0电站组件装机的标称容量值(Wp)

HI测量期间I总辐照量值(kWh/m2)

G0标准辐照量值STC(1000W/m2)

β  组件功率温度影响系数(%/)

Tmod:组件标称工作温度()

TmeasI:测量期间I通过组件背板温度计测量出的组件平均温度()

 

通过以上公式计算的PR值,将更能体现出组件在系统中的性能状况。

目前在光伏电站的监控系统中均有PR值的自动计算。一个优秀的电站监控系统,能够比较准确的计算出每个设定时期的PR值,并统计列表以供运维人员和业主参考。

 

预期理论PR值的计算:

在每个光伏电站项目建设前,我们都会对该项目编制可研报告并对项目进行各方面评估,报告中经济性评估就有有关电站发电量预期的计算及电站系统效率(PR)的演算。那么一个还未建设的光伏电站,我们如何计算出PR值呢?

我们知道一个光伏电站所使用的设备材料繁多,从光伏组件板到最后并网发电计量设备,每个环节都会有一定的能量损耗。这样对每一主要设备我们测量和评估预测其损耗后,将所有损耗计算统计就可以得出预期理论的PR值。有关影响PR值的因素,也就是说有关各因素造成的大致损耗情况,我们将在后面论述。

下面我们看一组公式,来理解预期理论PR值是如何倒推计算及各因素的关联性:

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PRPerformanceRatio系统效率,PR= Yf / Yr,以发电设备温度为25℃时的损耗计算

其他公式(只适用于并网发电系统)

温度矫正系数:kT = YT / Yr

发电矫正系数:kG = Ya / YT

逆变器效率:  nI  = Yf / Ya

 

根据以上知道的有关PR计算的相关内容,就可以进行预期理论PR值的计算。现在已经有非常好的软件系统来帮助我们进行此种计算,例如:PVsystPV-solSolargisRETScreen (见图2 – 5)等等。这些软件拥有庞大的数据库,包括全球各地天气,光伏组件参数,逆变器,电缆等数据库,其中光辐照量以往年平均数值作为基础,其他主要设备均设定了相关损耗参数,在计算时还可以手动调整某些相关损耗数值。根据各个软件要求填入相应预建设电站的地理位置、电站规模、组件信息、逆变器信息等后,软件就可以自动模拟计算出包括PR值在内的光伏电站各种数据。

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4 影响系统效率PR值的因素

系统效率是一个纯粹的可变基本定义,在一定因素影响下,PR值甚至有可能超过100%,这是因为在PR计算中所用的光伏组件性能特性参数是基于标准测试条件下(辐照度为1000W/m2AM 1.5,组件功率测试温度为25±2)得出的,而在实际运行条件环境中是不一致的,因此会影响系统效率。

以下因素对PR值能够产生影响:

  • 光电转换期因素

       光伏组件的温度损耗

       光辐照测量仪偏差(阴影,灰尘、雪、污物等遮盖,计量不准确等)

       光伏阵列组件被阴影,灰尘、雪、污物遮盖

       低照度弱光损耗

       相对透射率损耗(组件玻璃对光的反射、散射、折射致光接收损耗)

       电池片导线、组件电缆、二极管损耗

       组件中电池片功率失配损耗

       组件实际功率与标称偏差损耗

       组件电池片与光辐照测量仪电池片技术不同

       组件与光辐照测量仪倾角、方向偏差损耗

       光伏组件转换效率因素

  • 系统因素

       统计记录时间段误差

       交直流电力电缆传输及接头损耗

       组串连接失配损耗

       逆变器效率损耗

       其他电气设备效率损耗

       施工不当造成的材料设备额外功率损耗

 

4.1 光电转换器因素

光伏组件的温度损耗

    温度对光伏组件的作用主要是对太阳能电池片效率性能的影响,组件特性参数中功率温度系数是一个负值,说明当光伏组件处于低温状态时的发电效率就会提高,这是因为温度低输出电压升高,电流减少,发电量增加,因此在低温环境中组件发电初始PR值会较高,而当其工作一段时间后,随着温度的提高,其效率也就逐渐下降。

光辐照测量仪偏差(阴影,灰尘、雪、污物等遮盖,计量不准确等)

    由于光伏电站建设的位置不同,附近建筑物、高大设备和植物均会产生阴影,从而部分或全部遮盖住光辐照测量仪,尤其在太阳位置较低时,物体产生的阴影更长,覆盖面积更大。此时因为临时或长期处于阴影中的测量仪读取的数值会使得PR值计算超过100%,另外灰尘、雪或污物附着在测量仪上也会发生相同的结果。

光伏阵列组件被阴影,灰尘、雪、污物遮盖

    与辐照测量仪一样,如果光伏阵列中较多组件被阴影、灰尘、雪或污物长期附着,则会让光伏组件的转换效率下降,此时计算的PR值会比正常值偏低。

低照度弱光损耗

    这与光伏组件自身特性有关,薄膜组件的弱光发电性能较强,而晶硅组件则在低照度弱光状态下产生的发电量损失较大。另外不同厂家生产的相同类型组件也会有不同的弱光发电损耗,这个差距甚至可以达到2%

相对透射率损耗(组件玻璃对光的反射、散射、折射致光接收损耗)

    地球的自转使得阳光照射的角度一直在变化,而光伏组件表面的玻璃会对入射光产生反射、散射和折射,因此安装时使用不同类型的支架和不同的支架角度造成的损耗也会不同。从类型来讲,固定式损耗最大,双轴跟踪式损耗最小。针对固定倾角的安装模式,最佳倾角朝南向(处于北半球)时损耗最小。

电池片导线、组件电缆、二极管损耗

    光伏组件中有集电银栅线,二极管和输出直流电缆,这些材料在电力传输过程中是有损耗的,不同公司的产品因选材不同,损耗也会有一些区别,但数值不大。

组件中电池片功率失配损耗

    组件中的电池片都是按照电流分档的,但是由于每一片电池片的输出电流和电压是不同的,分档间隔有公差,其中电压偏差会引起平均值变化,而电流偏差则引起短板效应以致功率损耗。

组件实际功率与标称偏差损耗

    组件标称功率是有正负偏差标识的,但是计算时只以标称数值为计算量,因此当有正偏差时,会提升PR数值,当组件有负偏差时则会降低PR值。

组件电池片与光辐照测量仪电池片技术不同

    目前市面常用的电池片有3种:多晶硅、单晶硅和薄膜类型,如果光伏电站中组件阵列和光辐照测量仪所使用的电池片不一致,则会造成系统效率PR的计算结果产生偏差。

组件与光辐照测量仪倾角、方向偏差损耗

    光伏电站中所使用的光辐照计量仪,如果其安装的方向及倾角与光伏阵列组件安装不一致,那么因为在同一时刻所接收的太阳光辐射量不同,则也会造成PR值的计算结果产生偏差。

光伏组件转换效率因素

    光伏组件的转换效率对电站系统效率PR值的影响也是一个因素,在相同环境条件下使用较高转换效率的组件会得到较高的PR值,这是因为高转换效率的高功率组件输出发电量与标称功率比值会比低功率组件发电量与标称功率的比值要高。

 

4.2 系统因素

统计记录时间段误差

    在做PR值测算时,数据测算统计记录的时间段需要有足够的长度。如果测算期间太短(例如少于1个月),则计算系统效率PR值的测量数据是非常不可靠的,在这个期间出现的短暂极端天气状况,低温或高温及临时阴影遮盖等因素都会严重影响计算结果。

交直流电力电缆传输及接头损耗

    光伏组件产生的电能在传输到电网公司的电力计量表的过程中,首先会经过直流电缆到逆变器,再经逆变器转化后通过交流电缆最终汇集到关口计量表后上到电网中。电能在直流电缆和交流电缆中传输就会发生损耗,而损耗的多少则取决于电缆的材料类型、粗细及长度,通常来讲铜缆损耗少于铝缆,电缆越粗越短则损耗越少。还有系统中电缆接头的类型、数量和大小也会影响整个线路的损耗。有关电缆配线总损耗在光伏电站设计规范中是有要求的,国内一般在2%-3%以内,国外要求在1%-2%以内。电缆损耗的多少会直接造成PR值相应降低。

组串连接失配损耗

    由于生产工艺的原因,组件内电池片都是按照电流精度分档装配,各个组件之间的电压偏差在3%左右,而电流偏差约在1%左右。单个电池组件对系统的影响非常小,但是并网光伏电站则是由很多电池组件串联后再并联进行发电量汇集,因此多个偏差叠加会造成较大的损耗。

逆变器效率损耗

    逆变器本身就是电气设备,在运行时是需要耗能的,这包括直流转交流损耗,待机损耗,夜间损耗等。通过逆变器效率特性曲线可以看出,逆变器的最大效率目前可以达到98%以上,然而由于逆变器并不是长期处于最大效率时所需的功率负荷状态,因此实际转换效率会比理论值要低,此外不同厂家的逆变器的效率特性曲线不同,对汇集来的电能中电压和电流响应也不同(不同厂家的组件、不同的串联数量、不同的并联数量均会产生不同的效率),以致转换效率有差异。另外在输入超出逆变器最大功率或超过工作电压范围的情况下,同样会产生较大的能量损耗。

其他电气设备效率损耗,如变压器、断路器、计量传感、保护设备等

    在整个光伏电站系统中,还有其他很多电气设备自身会消耗能量,例如:直流侧的汇流箱(铜排、断路器);交流侧的汇流柜/配电柜/并网柜/计量柜等,这些柜体内均布置了多种会产生能量损耗的电气设备、电缆或铜排;此外还有单元升压变压器和主变压器,效率在95%-98%之间,这是因为其运行时有能量损耗,还有夜间空载损耗。

施工不当造成的材料设备额外功率损耗

    该因素也可以归纳为系统可利用率,主要受设备的可靠性、系统设计、施工质量及运营维护的影响。一个高品质且运维优良的光伏电站其寿命可以很长,各项设备材料都会比正常衰减要慢,这样就会使得PR值会比预期要高。

 

5 结语

    本文详细阐述了有关光伏电站系统效率Performance Ratio(PR)的计算方式及对PR值有影响的各个因素,这对光伏电站建设和运维维护有重要的技术指导作用,当了解了PR的详细定义和影响因素,就能针对各个因素采取相应的措施来提高PR值,并避免或减少发电系统和发电过程中的损耗,增加发电收益。有关如何提高PR值的具体措施这里就不再详细叙述,归纳起来最重要的四点就是:主要发电设备材料的选取,电站系统的优化设计,建设施工质量的把控和细致有序的运营维护。前面三点是高品质电站建成的基础,最后一点则是保持电站长期稳定高效产生收益的关键,这其中如果拥有优秀的监控系统则能对运维工作起到重要的辅助功效。

    另外,系统效率PR在一定程度上反应了设备和系统的性能,但是高性能通常也代表了高成本,作为一个投资光伏电站的业主来说,高性价比才是其最关心的,所以如果一味的追求高PR值,所获得的投资收益却不一定能达到预期,因此我们在电站建设初期要根据自有资金规模,以及电站建设占地面积等因素,提前做好PR的前期分析及初步确定投资收益比,再综合考虑选材、设计及施工,并按照预期完成电站的建设。同样,运维工作也需要考虑高性价比,例如组件清洗虽然可以大大提高发电量,但清洗的次数过多则会提高运维成本及对光伏组件的寿命产生影响。

    随着光伏系统的不断发展,技术水平越来越高,设备材料成本也在一直在下降,选取合适的设备,进行优化设计,加上高质高量的施工,相信未来建设一个高PR值的光伏发电站也将不会花费更多的成本。

 

参考文献:

[1] GB/T / IEC, “光伏系统性能检测、测量、数据交换和分析导则, GB/T 20513-2006 / IEC 617241998”, 2006. 中国国家标准化管理委员会.

[2] ISO9060, “Pyranometer: Primary standard, Secondary standard,Class 1, Class 2.”, 1990. WMO – World Meteorological Organization, ISO9847calibration

[3] PVSYST, “PHOTOVOLTAIC SOFTWARE, 光伏系统设计辅助软件”, www.pvsyst.com/en/, 最新版本PVsyst 6.43 2016-3-18,瑞士.

[4] PV-sol, “PV software, 光伏系统设计软件”, www.valentin-software.com/en , 最新版本 PV*SOL premium 2016 R4, 2016-4-18, Valentin Software GmbH, 德国.

[5] RETScreen, “ Clean Energy Management Software, 清洁能源管理软件“, www.nrcan.gc.ca/home , 最新版本 RETScreen 4/plus, 2016-4-18, Government of Canada,加拿大.

[6] SolarGIS, “Online data and tools for solar energy projects, 太阳能项目前期在线数据工具软件”, http://solargis.info , © 2016 GeoModel Solar s.r.o., 斯洛伐克.

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