光伏并網(wǎng)電站系統(tǒng)效率及改善措施淺析
1 前言
太陽(yáng)能光伏發(fā)電在21世紀(jì)會(huì)占據(jù)世界能源消費(fèi)的重要席位，不但要替代部分常規(guī)能源，而且將成為世界能源供應(yīng)的主體。預(yù)計(jì)到2030年，可再生能源在總能源結(jié)構(gòu)中將占到30%以上，而太陽(yáng)能光伏發(fā)電在世界總電力供應(yīng)中的占比也將達(dá)到10%以上；到2040年，可再生能源將占總能耗的50%以上，太陽(yáng)能光伏發(fā)電將占總電力的20%以上；到21世紀(jì)末，可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中將占到80%以上，太陽(yáng)能發(fā)電將占到60%以上。這些數(shù)字足以顯示出太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景及其在能源領(lǐng)域重要的戰(zhàn)略地位。
近幾年我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，2011年國(guó)內(nèi)光伏發(fā)電新增裝機(jī)容量已超過(guò)2GW，對(duì)于大批進(jìn)入運(yùn)營(yíng)階段的光伏電站，電站運(yùn)行狀況的檢測(cè)和運(yùn)行維護(hù)工作將成為重點(diǎn)。
光伏并網(wǎng)電站的系統(tǒng)效率是表征光伏電站運(yùn)行性能的最終指標(biāo)，在電站容量和光輻照量一致的情況下，系統(tǒng)效率越高代表發(fā)電量越大，因此分析影響光伏并網(wǎng)電站的系統(tǒng)效率的各個(gè)因素及改善系統(tǒng)發(fā)電效率是光伏電站設(shè)計(jì)及運(yùn)維的重點(diǎn)，本文就光伏并網(wǎng)電站系統(tǒng)效率及改善措施進(jìn)行討論。
2 光伏并網(wǎng)電站系統(tǒng)效率分析
影響發(fā)電量的關(guān)鍵因素是系統(tǒng)效率，系統(tǒng)效率主要考慮的因素有：灰塵、雨水遮擋引起的效率降低、溫度引起的效率降低、組件串聯(lián)不匹配產(chǎn)生的效率降低、逆變器的功率損耗、直流交流部分線纜功率損耗、變壓器功率損耗、跟蹤系統(tǒng)的精度等等。
多晶硅發(fā)電系統(tǒng)效率的模擬計(jì)算：
1）灰塵、雨水遮擋引起的效率降低
大型光伏電站一般都是地處戈壁地區(qū)，風(fēng)沙較大，降水很少，考慮有管理人員人工清理方陣組件頻繁度一般的情況下，采用衰減數(shù)值：8%；
2）溫度引起的效率降低
太陽(yáng)能電池組件會(huì)因溫度變化而輸出電壓降低、電流增大，組件實(shí)際效率降低，發(fā)電量減少，因此，溫度引起的效率降低是必須要考慮的一個(gè)重要因素，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮溫度變化引起的電壓變化，并根據(jù)該變化選擇組件串聯(lián)數(shù)量，保證組件能在絕大部分時(shí)間內(nèi)工作在最大跟蹤功率范圍內(nèi)，考慮0.45%/K的功率變化、考慮各月輻照量計(jì)算加權(quán)平均值，可以計(jì)算得到加權(quán)平均值，因不同地域環(huán)境溫度存在一定差異，對(duì)系統(tǒng)效率影響存在一定差異，因此考慮溫度引起系統(tǒng)效率降低取值為3%。
3）組件串聯(lián)不匹配產(chǎn)生的效率降低
由于生產(chǎn)工藝問(wèn)題，導(dǎo)致不同組件之間功率及電流存在一定偏差，單塊電池組件對(duì)系統(tǒng)影響不大，但光伏并網(wǎng)電站是由很多電池組件串并聯(lián)以后組成，因組件之間功率及電流的偏差，對(duì)光伏電站的發(fā)電效率就會(huì)存在一定的影響。
組件串聯(lián)因?yàn)殡娏鞑灰恢庐a(chǎn)生的效率降低，選擇該效率為2%的降低。
4）直流部分線纜功率損耗
根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，常規(guī)20MWp光伏并網(wǎng)發(fā)電項(xiàng)目使用光伏專用電纜用量約為350km，匯流箱至直流配電柜的電力電纜（一般使用規(guī)格型號(hào)為ZR-YJV22-1kV-2*70mm2）用量約為35km，經(jīng)計(jì)算得直流部分的線纜損耗3%。
5）逆變器的功率損耗
目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的大功率逆變器（500kW）效率基本均達(dá)到97.5%的系統(tǒng)效率，并網(wǎng)逆變器采用無(wú)變壓器型，通過(guò)雙分裂變壓器隔離2個(gè)并聯(lián)的逆變器，逆變器內(nèi)部不考慮變壓器效率，即逆變器功率損耗可為97.5%，取97.5%。
6）交流線纜的功率損耗
由于光伏并網(wǎng)電站一般采用就地升壓方式進(jìn)行并網(wǎng)，交流線纜通常為高壓電纜，該部分損耗較小，計(jì)算交流部分的線纜損耗約為1%。
7）變壓器功率損耗
變壓器為成熟產(chǎn)品，選用高效率變壓器，變壓器效率為98%，即功率損耗計(jì)約為2%。
綜合以上各部分功率損耗，測(cè)算系統(tǒng)各項(xiàng)效率：組件灰塵損失、組件溫度效率損失、組件不匹配損失、線路壓降損失、逆變器效率、升壓變壓器效率、交流線路損失等，可以計(jì)算得出光伏電站系統(tǒng)效率：
系統(tǒng)效率：η=（1-8%）*（1-3%）*（1-2%）*（1-3%）*（1-2.5%）*（1-1%）*（1-2%）=80.24%。
經(jīng)過(guò)以上分析，可以得出光伏并網(wǎng)電站系統(tǒng)效率通常為80%。
3 系統(tǒng)效率改善措施
3.1 加強(qiáng)太陽(yáng)能電池組件清洗
受沙塵、陰雨等影響太陽(yáng)能電池組件的發(fā)電效率衰減約8%，對(duì)光伏電站的發(fā)電量影響很大，可采用聘請(qǐng)專業(yè)人員經(jīng)常清洗電池組件，對(duì)光伏電站的系統(tǒng)效率的提高有明顯的作用，經(jīng)對(duì)寧夏某20MWp光伏電站進(jìn)行實(shí)地考察，清洗太陽(yáng)能電池組件后，光伏電站發(fā)電量增加約100萬(wàn)度，光伏電站系統(tǒng)效率提高約3%。
3.2 采用組件最優(yōu)分選
采用組件分選設(shè)計(jì)，對(duì)組件按實(shí)測(cè)參數(shù)進(jìn)行電流、電壓的按檔分選，由組件廠家按分選方案進(jìn)行箱、托、車的包裝，并按此分選設(shè)計(jì)進(jìn)行組件組串設(shè)計(jì)、安裝，可降低組串功率損失1～2%，對(duì)于系統(tǒng)整體發(fā)電量來(lái)說(shuō)每年可多發(fā)電3.2～6.4萬(wàn)度，經(jīng)濟(jì)效益明顯。
3.3 組件接線最優(yōu)化設(shè)計(jì)
太陽(yáng)能電池組件自帶電纜長(zhǎng)度一般為1m，在常規(guī)情況下相鄰組件進(jìn)行串聯(lián)后匯至匯流箱，電池組件自帶電纜余量較大，若將太陽(yáng)能電池組件改為跨接形式，不僅可以充分利用電池組件自帶電纜，每組方陣還可以節(jié)省近四分之一的光伏專用電纜。
對(duì)于20MWp光伏并網(wǎng)發(fā)電項(xiàng)目，太陽(yáng)能電池板匯線使用的光伏專用電纜用量一般為350km左右，改用上述連接方式，可提高了組件自帶連接線的利用率，從而減少光伏電纜的使用量，目前該連接方式已在光伏電站進(jìn)行推廣，光伏電纜使用量減少到320km，減少光伏電站用量約40km，進(jìn)而提高了光伏電站的發(fā)電效率。
3.4 采用傾角可調(diào)支架
單軸及雙軸跟蹤系統(tǒng)已經(jīng)在很多光伏電站進(jìn)行試運(yùn)行，但由于存在跟蹤精度、設(shè)備穩(wěn)定性、設(shè)備造價(jià)等問(wèn)題，一直影響光伏跟蹤系統(tǒng)大批量投入運(yùn)行。
可調(diào)支架由于采用人工調(diào)節(jié)，造價(jià)較跟蹤系統(tǒng)有很大的降低，可調(diào)支架是根據(jù)各季度輻射情況，通過(guò)人工調(diào)節(jié)支架傾角，進(jìn)而達(dá)到提高系統(tǒng)效率的作用。
傾角可調(diào)支架可根據(jù)各季度輻射情況，對(duì)支架傾角進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到該季度的最佳傾角，以增加發(fā)電量，可調(diào)支架的傾角調(diào)節(jié)次數(shù)可以按照季度進(jìn)行調(diào)節(jié)，也可以按照月份進(jìn)行調(diào)節(jié)，經(jīng)計(jì)算使用傾角可調(diào)支架可以增加5%左右的發(fā)電量。
3.5 變壓器選型
對(duì)于變壓器選擇，提高光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率還可以選用非晶合金變壓器，常規(guī)變壓器的效率普遍都在98%左右，而且空載損耗很大。
非晶合金變壓器的空載損耗及空載電流都很小，一般只有常規(guī)變壓器的三分之一，而非晶合金變壓器的效率為99%，
若采用非晶合金變壓器，光伏電站的發(fā)電效率至少可以提高1%，但由于非晶合金變壓器造價(jià)較高，在光伏發(fā)電項(xiàng)目上還未得到應(yīng)用。
4 小結(jié)
我國(guó)太陽(yáng)能資源非常豐富，大多數(shù)地區(qū)平均日輻射量在每平方米4千瓦時(shí)以上，太陽(yáng)能資源開(kāi)發(fā)利用的潛力非常廣闊，近幾年大型光伏電站實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展，全國(guó)各地兆瓦級(jí)以上電站出現(xiàn)很多，尤以青海、新疆居多。
本文主要闡述了光伏并網(wǎng)電站的發(fā)電效率及改善措施，對(duì)光伏并網(wǎng)電站的設(shè)計(jì)及運(yùn)行存在一定的技術(shù)指導(dǎo)作用。
太陽(yáng)能光伏發(fā)電在21世紀(jì)會(huì)占據(jù)世界能源消費(fèi)的重要席位，不但要替代部分常規(guī)能源，而且將成為世界能源供應(yīng)的主體。預(yù)計(jì)到2030年，可再生能源在總能源結(jié)構(gòu)中將占到30%以上，而太陽(yáng)能光伏發(fā)電在世界總電力供應(yīng)中的占比也將達(dá)到10%以上；到2040年，可再生能源將占總能耗的50%以上，太陽(yáng)能光伏發(fā)電將占總電力的20%以上；到21世紀(jì)末，可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中將占到80%以上，太陽(yáng)能發(fā)電將占到60%以上。這些數(shù)字足以顯示出太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景及其在能源領(lǐng)域重要的戰(zhàn)略地位。
近幾年我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，2011年國(guó)內(nèi)光伏發(fā)電新增裝機(jī)容量已超過(guò)2GW，對(duì)于大批進(jìn)入運(yùn)營(yíng)階段的光伏電站，電站運(yùn)行狀況的檢測(cè)和運(yùn)行維護(hù)工作將成為重點(diǎn)。
光伏并網(wǎng)電站的系統(tǒng)效率是表征光伏電站運(yùn)行性能的最終指標(biāo)，在電站容量和光輻照量一致的情況下，系統(tǒng)效率越高代表發(fā)電量越大，因此分析影響光伏并網(wǎng)電站的系統(tǒng)效率的各個(gè)因素及改善系統(tǒng)發(fā)電效率是光伏電站設(shè)計(jì)及運(yùn)維的重點(diǎn)，本文就光伏并網(wǎng)電站系統(tǒng)效率及改善措施進(jìn)行討論。
2 光伏并網(wǎng)電站系統(tǒng)效率分析
影響發(fā)電量的關(guān)鍵因素是系統(tǒng)效率，系統(tǒng)效率主要考慮的因素有：灰塵、雨水遮擋引起的效率降低、溫度引起的效率降低、組件串聯(lián)不匹配產(chǎn)生的效率降低、逆變器的功率損耗、直流交流部分線纜功率損耗、變壓器功率損耗、跟蹤系統(tǒng)的精度等等。
多晶硅發(fā)電系統(tǒng)效率的模擬計(jì)算：
1）灰塵、雨水遮擋引起的效率降低
大型光伏電站一般都是地處戈壁地區(qū)，風(fēng)沙較大，降水很少，考慮有管理人員人工清理方陣組件頻繁度一般的情況下，采用衰減數(shù)值：8%；
2）溫度引起的效率降低
太陽(yáng)能電池組件會(huì)因溫度變化而輸出電壓降低、電流增大，組件實(shí)際效率降低，發(fā)電量減少，因此，溫度引起的效率降低是必須要考慮的一個(gè)重要因素，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮溫度變化引起的電壓變化，并根據(jù)該變化選擇組件串聯(lián)數(shù)量，保證組件能在絕大部分時(shí)間內(nèi)工作在最大跟蹤功率范圍內(nèi)，考慮0.45%/K的功率變化、考慮各月輻照量計(jì)算加權(quán)平均值，可以計(jì)算得到加權(quán)平均值，因不同地域環(huán)境溫度存在一定差異，對(duì)系統(tǒng)效率影響存在一定差異，因此考慮溫度引起系統(tǒng)效率降低取值為3%。
3）組件串聯(lián)不匹配產(chǎn)生的效率降低
由于生產(chǎn)工藝問(wèn)題，導(dǎo)致不同組件之間功率及電流存在一定偏差，單塊電池組件對(duì)系統(tǒng)影響不大，但光伏并網(wǎng)電站是由很多電池組件串并聯(lián)以后組成，因組件之間功率及電流的偏差，對(duì)光伏電站的發(fā)電效率就會(huì)存在一定的影響。
組件串聯(lián)因?yàn)殡娏鞑灰恢庐a(chǎn)生的效率降低，選擇該效率為2%的降低。
4）直流部分線纜功率損耗
根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，常規(guī)20MWp光伏并網(wǎng)發(fā)電項(xiàng)目使用光伏專用電纜用量約為350km，匯流箱至直流配電柜的電力電纜（一般使用規(guī)格型號(hào)為ZR-YJV22-1kV-2*70mm2）用量約為35km，經(jīng)計(jì)算得直流部分的線纜損耗3%。
5）逆變器的功率損耗
目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的大功率逆變器（500kW）效率基本均達(dá)到97.5%的系統(tǒng)效率，并網(wǎng)逆變器采用無(wú)變壓器型，通過(guò)雙分裂變壓器隔離2個(gè)并聯(lián)的逆變器，逆變器內(nèi)部不考慮變壓器效率，即逆變器功率損耗可為97.5%，取97.5%。
6）交流線纜的功率損耗
由于光伏并網(wǎng)電站一般采用就地升壓方式進(jìn)行并網(wǎng)，交流線纜通常為高壓電纜，該部分損耗較小，計(jì)算交流部分的線纜損耗約為1%。
7）變壓器功率損耗
變壓器為成熟產(chǎn)品，選用高效率變壓器，變壓器效率為98%，即功率損耗計(jì)約為2%。
綜合以上各部分功率損耗，測(cè)算系統(tǒng)各項(xiàng)效率：組件灰塵損失、組件溫度效率損失、組件不匹配損失、線路壓降損失、逆變器效率、升壓變壓器效率、交流線路損失等，可以計(jì)算得出光伏電站系統(tǒng)效率：
系統(tǒng)效率：η=（1-8%）*（1-3%）*（1-2%）*（1-3%）*（1-2.5%）*（1-1%）*（1-2%）=80.24%。
經(jīng)過(guò)以上分析，可以得出光伏并網(wǎng)電站系統(tǒng)效率通常為80%。
3 系統(tǒng)效率改善措施
3.1 加強(qiáng)太陽(yáng)能電池組件清洗
受沙塵、陰雨等影響太陽(yáng)能電池組件的發(fā)電效率衰減約8%，對(duì)光伏電站的發(fā)電量影響很大，可采用聘請(qǐng)專業(yè)人員經(jīng)常清洗電池組件，對(duì)光伏電站的系統(tǒng)效率的提高有明顯的作用，經(jīng)對(duì)寧夏某20MWp光伏電站進(jìn)行實(shí)地考察，清洗太陽(yáng)能電池組件后，光伏電站發(fā)電量增加約100萬(wàn)度，光伏電站系統(tǒng)效率提高約3%。
3.2 采用組件最優(yōu)分選
采用組件分選設(shè)計(jì)，對(duì)組件按實(shí)測(cè)參數(shù)進(jìn)行電流、電壓的按檔分選，由組件廠家按分選方案進(jìn)行箱、托、車的包裝，并按此分選設(shè)計(jì)進(jìn)行組件組串設(shè)計(jì)、安裝，可降低組串功率損失1～2%，對(duì)于系統(tǒng)整體發(fā)電量來(lái)說(shuō)每年可多發(fā)電3.2～6.4萬(wàn)度，經(jīng)濟(jì)效益明顯。
3.3 組件接線最優(yōu)化設(shè)計(jì)
太陽(yáng)能電池組件自帶電纜長(zhǎng)度一般為1m，在常規(guī)情況下相鄰組件進(jìn)行串聯(lián)后匯至匯流箱，電池組件自帶電纜余量較大，若將太陽(yáng)能電池組件改為跨接形式，不僅可以充分利用電池組件自帶電纜，每組方陣還可以節(jié)省近四分之一的光伏專用電纜。
對(duì)于20MWp光伏并網(wǎng)發(fā)電項(xiàng)目，太陽(yáng)能電池板匯線使用的光伏專用電纜用量一般為350km左右，改用上述連接方式，可提高了組件自帶連接線的利用率，從而減少光伏電纜的使用量，目前該連接方式已在光伏電站進(jìn)行推廣，光伏電纜使用量減少到320km，減少光伏電站用量約40km，進(jìn)而提高了光伏電站的發(fā)電效率。
3.4 采用傾角可調(diào)支架
單軸及雙軸跟蹤系統(tǒng)已經(jīng)在很多光伏電站進(jìn)行試運(yùn)行，但由于存在跟蹤精度、設(shè)備穩(wěn)定性、設(shè)備造價(jià)等問(wèn)題，一直影響光伏跟蹤系統(tǒng)大批量投入運(yùn)行。
可調(diào)支架由于采用人工調(diào)節(jié)，造價(jià)較跟蹤系統(tǒng)有很大的降低，可調(diào)支架是根據(jù)各季度輻射情況，通過(guò)人工調(diào)節(jié)支架傾角，進(jìn)而達(dá)到提高系統(tǒng)效率的作用。
傾角可調(diào)支架可根據(jù)各季度輻射情況，對(duì)支架傾角進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到該季度的最佳傾角，以增加發(fā)電量，可調(diào)支架的傾角調(diào)節(jié)次數(shù)可以按照季度進(jìn)行調(diào)節(jié)，也可以按照月份進(jìn)行調(diào)節(jié)，經(jīng)計(jì)算使用傾角可調(diào)支架可以增加5%左右的發(fā)電量。
3.5 變壓器選型
對(duì)于變壓器選擇，提高光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率還可以選用非晶合金變壓器，常規(guī)變壓器的效率普遍都在98%左右，而且空載損耗很大。
非晶合金變壓器的空載損耗及空載電流都很小，一般只有常規(guī)變壓器的三分之一，而非晶合金變壓器的效率為99%，
若采用非晶合金變壓器，光伏電站的發(fā)電效率至少可以提高1%，但由于非晶合金變壓器造價(jià)較高，在光伏發(fā)電項(xiàng)目上還未得到應(yīng)用。
4 小結(jié)
我國(guó)太陽(yáng)能資源非常豐富，大多數(shù)地區(qū)平均日輻射量在每平方米4千瓦時(shí)以上，太陽(yáng)能資源開(kāi)發(fā)利用的潛力非常廣闊，近幾年大型光伏電站實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展，全國(guó)各地兆瓦級(jí)以上電站出現(xiàn)很多，尤以青海、新疆居多。
本文主要闡述了光伏并網(wǎng)電站的發(fā)電效率及改善措施，對(duì)光伏并網(wǎng)電站的設(shè)計(jì)及運(yùn)行存在一定的技術(shù)指導(dǎo)作用。
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