提升光伏地面電站發(fā)電效率的研究
———以天富能源股份有限公司20MW光伏地面電站為例

李景云

（1.新疆天富能源股份有限公司，新疆 石河子 832000；2.石河子大學經(jīng)濟與管理學院）

提升光伏地面電站發(fā)電效率的研究
———以天富能源股份有限公司20MW光伏地面電站為例

李景云1，2

（1.新疆天富能源股份有限公司，新疆 石河子 832000；2.石河子大學經(jīng)濟與管理學院）

本文以新疆天富能源股份有限公司已投產(chǎn)運行的20MW光伏地面電站為例，運用理論分析和實證分析相結合的方法，找出影響光伏電站發(fā)電效率的因素，并與電站的實際發(fā)電數(shù)據(jù)相結合，提出提升光伏地面電站的途徑，對光伏電站的建設和運營有一定的參考價值。

光伏電站；發(fā)電效率；多路MPPT

1 引言

太陽能資源是一種清潔的再生能源，符合國家產(chǎn)業(yè)政策。項目建成運行后，對當?shù)亟?jīng)濟社會發(fā)展具有較大的促進作用，經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益明顯。光伏發(fā)電是將太陽能直接轉化為電能的過程，生產(chǎn)過程不產(chǎn)生任何有害物質及噪聲，工程建設對當?shù)卮髿猸h(huán)境、聲環(huán)境、電磁環(huán)境無影響，對環(huán)境影響很小[1]。光伏發(fā)電是環(huán)境效益最好的電源之一，是我國鼓勵和支持開發(fā)的可持續(xù)發(fā)展的新能源。光伏發(fā)電站的建設代替燃煤電站的建設，將減少對周圍環(huán)境的污染，并起到利用清潔可再生資源、節(jié)約不可再生的化石能源、減少污染及保護生態(tài)環(huán)境的作用，具有明顯的社會效益和環(huán)境效益。

新疆占地面積廣闊，適宜發(fā)展光伏地面電站。石河子日照資源也較為豐富。合理開發(fā)利用光能資源，是能源和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的需要，也是實現(xiàn)地區(qū)國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的需要；是加快能源電力結構調整的需要，也是改善生態(tài)、保護環(huán)境的需要。

2 天富光伏發(fā)電項目簡介

新疆天富能源股份有限公司是集火電、水電、供電、供熱、送變電設備安裝、電力設計、房地產(chǎn)開發(fā)、信息技術開發(fā)、機電設備銷售、水電熱力設備安裝為一體的上市公司，是石河子的能源基礎支柱企業(yè)。

為了解決八師用電矛盾，調整八師能源結構，合理、有序地推動八師太陽能資源利用，實現(xiàn)八師太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)快速、有序地大規(guī)模開發(fā)，新疆天富能源股份有限公司積極投身可再生能源電力項目的開發(fā)建設，已在兵團第八師一四八團投資建設大型并網(wǎng)光伏電站，一期建設容量為20MW，該項目已于2014年11月底并網(wǎng)發(fā)電。太陽能電站光伏陣列單元由太陽能電池板、陣列單元支架組成。陣列單元按平板固定傾角式方案進行布置。

3 影響光伏發(fā)電項目發(fā)電效率的因素分析

影響光伏發(fā)電項目投資效益的因素眾多，主要可以分為自然因素、設備因素及政策因素等。

3.1 自然因素

3.1.1 太陽輻射量的影響

太陽電池組件的光電轉換效率在一定的情況下，太陽的輻射強度決定了光伏系統(tǒng)的發(fā)電量。光伏系統(tǒng)對太陽輻射能量的利用效率僅有10%左右（太陽電池效率、灰塵損失、蓄電池效率、組件組合損失、控制逆變器損失、線路損失等），光伏電站的發(fā)電量取決于太陽輻射強度，太陽的輻射強度及光譜特性是隨著氣象條件的變化而改變的。

3.1.2 太陽的方向角因素影響

從傾斜面上的太陽輻射總量和太陽輻射的直散分離原理可推斷出：傾斜面上的太陽輻射總量是由天空散射量、直接太陽輻射量和地面反射輻射量三部分組成。每天，太陽光照與太陽能光伏電池板之間的角度隨時間的變化在不斷變化，這也將直接影響組件的功率輸出。在黎明時，“組件”的輸出功率為零值，隨時間推移逐漸上升，并隨著太陽入射角的變化，相同維度的條件下，陣列朝向東方的組件產(chǎn)生的功率將會是朝正南方向的84%。

3.1.3 溫度因素影響

光伏組件的輸出功率隨著組件溫度的升高而相應減小。溫度每上升1℃，晶體硅太陽電池的最大輸出功率將下降0.04%，開路電壓也隨之下降0.04%。而短路電流將上升。當太陽光直射屋頂上的光伏組件時，組件內部溫度將會達到50～70℃。對單晶硅組件而言，溫度的升高將導致組件功率下降至實際功率的90%。

3.1.4 堆積灰塵因素影響

據(jù)統(tǒng)計，電站的灰塵損失可能達到6%，因此組件需要經(jīng)常擦拭，以保證正常發(fā)電量的產(chǎn)出。堆積在太陽能電池板表面的灰塵將影響太陽光的透射，并因此而減少輸出功率。按照經(jīng)驗計算，一般情況下每年由于塵埃因素造成的系統(tǒng)功率下降大約為原額定值的93%。

3.1.5 冬季及降雪的影響

北疆冬季漫長且降雪較多，堆積在電池組件上的厚雪無法自行融化，將使項目發(fā)電量大幅降低，甚至直接降為0。因此，降雪成為影響冬季光伏電站收益的重要因素。

3.2 設備因素

3.2.1 電池組件原料硅的轉化率直接影響發(fā)電量

目前太陽能光伏電池主流的原材料是硅，因此硅材料的轉化率一直是制約太陽能光伏產(chǎn)業(yè)進一步發(fā)展的重要因素。而今硅材料轉化率的經(jīng)典理論極限為40%。但在實驗室創(chuàng)造的記錄為29%，目前商業(yè)運行的光伏電站的轉化率一般為14%～16%。根據(jù)工業(yè)和信息化部和國家能源局、國家認監(jiān)委聯(lián)合發(fā)布的《關于促進先進光伏技術產(chǎn)品應用和產(chǎn)業(yè)升級的意見》，規(guī)定光伏發(fā)電項目新采購的光伏組件應滿足工業(yè)和信息化部 《光伏制造行業(yè)規(guī)范條件》（2015年）相關產(chǎn)品技術指標要求。“其中，多晶硅電池組件和單晶硅電池組件的光電轉換效率分別不低于15.5%和16.0%；高倍聚光光伏組件光電轉換效率不低于28.0%；硅基、銅銦鎵硒（CIGS）、碲化鎘（CdTe）及其他薄膜電池組件的光電轉換效率分別不低于8.0%、11.0%、11.0%和10.0%；多晶硅、單晶硅和薄膜電池組件自項目投產(chǎn)運行之日起，一年內衰減率分別不高于2.5%、3.0%和5.0%，之后每年衰減率不高于0.7%，項目全生命周期內衰減率不高于20.0%。 高倍聚光光伏組件自項目投產(chǎn)運行之日起，一年內衰減率不高于2%，之后每年衰減率不高于0.5%，項目全生命周期內衰減率不高于10%?！?/p>

3.2.2 組件匹配及線路因素影響

光伏系統(tǒng)的直流、交流回路的線損要控制在5%以內。為此，設計上要求采用導電性能好的導線，且導線需要有足夠的直徑。施工絕不允許有偷工減料。并且系統(tǒng)維護時要特別注意接插件以及接線端子是否牢固。凡是并連就會由于組件的電壓差異造成電壓損失；凡是串連就會由于組件的電流差異造成電流損失。

3.2.3 直流轉換為交流因素的影響

太陽能光伏電池組件產(chǎn)生的直流電必須經(jīng)過光伏逆變器才能轉換成一定標準的交流電輸入電網(wǎng)。在這個轉換過程當中也將損失部分能量，同時直流電從屋頂組件傳到逆變器及用戶配電柜的線路時，也將損失部分能量。目前，家用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中使用的逆變器的峰值效率一般都在98%左右，這是光伏逆變器生產(chǎn)廠商給出的峰值效率，一般是在工廠相當良好的環(huán)境控制條件下測得的。然而控制器的充電回路、放電回路壓降均不得超過系統(tǒng)電壓。目前主流逆變器標稱效率在80%～95%之間[2-3]。

3.3 政策因素

國家對光伏發(fā)電項目按照發(fā)電量進行補貼，主要政策為電價補貼政策。根據(jù)國家發(fā)展改革委《關于發(fā)揮價格杠桿作用促進光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的通知》發(fā)改價格[2013]1638號，石河子屬于二類地區(qū)，電價為0.95元/度。光伏電站標桿上網(wǎng)電價高出當?shù)厝济簷C組標桿上網(wǎng)電價（含脫硫等環(huán)保電價，下同）的部分，通過可再生能源發(fā)展基金予以補貼。對分布式光伏發(fā)電實行按照全電量補貼的政策，電價補貼標準為0.42元/kW·h（含稅，下同），通過可再生能源發(fā)展基金予以支付，由電網(wǎng)企業(yè)轉付。其中，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)自用有余上網(wǎng)的電量，由電網(wǎng)企業(yè)按照當?shù)厝济簷C組標桿上網(wǎng)電價收購。

4 天富光伏發(fā)電效率及投資效益分析

天富光伏發(fā)電項目投資概算包括光伏電站、集電電纜、場區(qū)道路、接入系統(tǒng)以及配套建設的生產(chǎn)管理用房等。工程設計總投資為19908.71萬元，靜態(tài)投資為19403.19萬元，單位千瓦靜態(tài)投資9701.60元，單位千瓦動態(tài)投資9954.44元。

項目運營期年平均上網(wǎng)電量25550MW/h，根據(jù) 《國家發(fā)展改革委關于完善太陽能光伏發(fā)電上網(wǎng)電價政策的通知》（發(fā)改價格[2011]1549號）文件規(guī)定，工程上網(wǎng)電價為0.812元/kW·h（不含增值稅，含增值稅為0.95元/kW·h）計算，銷售收入總額（不含增值稅）53935.77萬元。貸款償還期為15年，全部投資財務內部收益率（稅后）為8.14%，投資回收期（稅后）為10.97年，自有資金內部收益率為13.94%，投資利稅率為4.38%，總投資收益率6.16%，通過設計可以看出，項目具有一定的盈利能力。

實際運行過程中，為提升發(fā)電效率，將20MW裝機分成東、西兩區(qū)，采用不同規(guī)格的組件及不同類型的逆變器。即西區(qū)10MW采用255W組件，使用500kW集中式逆變器，東區(qū)10MW采用260MW組件，使用28kW組串式逆變器。經(jīng)過近100d的運行對比，東區(qū)平均每日多利用光照13.5min，平均每日多發(fā)電1658度。運行將近一年來，整個電站平均日發(fā)電量為11.03萬度，略高于設計值。

5 提升光伏電站發(fā)電效率的途徑

根據(jù)理論計算及實際運行經(jīng)驗，通過以下途徑可提升光伏電站發(fā)電效率。

5.1 設計標準化

設計標準化對光伏電站的主要損耗進行了針對性的優(yōu)化設計，提高了系統(tǒng)效率，比如將各個月份的太陽輻射量與系統(tǒng)效率分布的匹配優(yōu)化，或者組件與逆變器容量和工作電壓的匹配優(yōu)化等，如此標準化設計也便于運維制度的統(tǒng)一運行，同時，運維經(jīng)驗可以進行復制推廣，有利于運維方案的改善和提高。

5.2 做好關鍵設備選型

關鍵設備奉行質量第一的原則，同時兼顧成本控制。特別要注意光伏組件的性能與安全，建議使用一流品牌；支架關注其可靠性，需要耐得住環(huán)境的腐蝕；匯流箱則關注斷路器選型和過載能力；而逆變器則重點看它的逆變效率和電能質量，一般來說，一個電站盡量不要超過2種品牌[4-5]。組串式逆變器是多路MPPT的技術方案，不僅可以提高發(fā)電量，而且不需要建設逆變器房，對于設計、施工都是比較大的簡化。

相對集中式逆變器，智能光伏電站解決方案每臺逆變器（28kW）有3路MPPT跟蹤，1MW方陣36臺逆變器共108路MPPT，管理更加精細，能有效應對組串失配，而傳統(tǒng)集中式方案1MW方陣2臺逆變器共2路MPPT，組串失配對發(fā)電量影響非常大。通過大量項目案例分析總結，多路MPPT減少組串失配損失4%以上。減少系統(tǒng)自耗電，也是提升系統(tǒng)發(fā)電量的一個方面。智能光伏電站系統(tǒng)構成簡單，自耗電少，相比復雜的傳統(tǒng)方案，能減少逆變系統(tǒng)損失1%以上（風扇、機房等輔助供電）。

5.3 規(guī)范化的施工和運維管理

項目建設過程施行三位一體的管理制度，由業(yè)主、施工單位與監(jiān)理單位協(xié)同合作，保證項目的進度和質量。

通過遠程監(jiān)控中心檢測光伏電站的太陽輻射量、發(fā)電量、系統(tǒng)效率、關鍵設備的性能指標等，可以總結系統(tǒng)效率的規(guī)律和影響因子。有必要建立區(qū)域性維護中心，由一支獨立、專業(yè)的檢修隊伍直接對口各項目公司電站，并專一負責電站的搶修及春、秋檢。

5.4 及時清掃灰塵及降雪

灰塵及降雪是影響發(fā)電效率較大且運營維護中可控的自然因素。電站運行中及時組織運行人員清掃灰塵和積雪。在光伏電站裸露地面種植苜蓿等植被，不可種植區(qū)域灑水碾壓使地表結皮，防止揚塵。及時清掃組件表面灰塵，組件表面灰塵可見時即組織人工清掃。購置掃雪除塵車輛1臺，可灑水及掃雪。冬季雪停立即組織清掃，提升發(fā)電利用小時數(shù)以提高運行效率。

6 小結

通過分析影響光伏電站發(fā)電效率的自然及設備因素，并結合電價補助政策等影響效益的因素，對照天富光伏電站運行實際，提出設計標準化、施工規(guī)范化、做好關鍵設備選型和運維管理以及時清掃灰塵等提升發(fā)電效率的對策和措施，為新疆光伏電站建設和運營提供借鑒和參考。

[1]李偉，李世超，王丹.太陽能光伏發(fā)電風險評價[J].農業(yè)工程學報，2011（5）：176-178.

[2]王慶一.可再生能源的現(xiàn)狀和前景（下）[J].電力技術經(jīng)濟，2007，19（3）：23-25.

[3]李碧君，方勇杰，楊衛(wèi)東，等.光伏發(fā)電并網(wǎng)大電網(wǎng)面臨的問題與對策[J].電網(wǎng)與清潔能源，2010，26（4）：52-58.

[4]簡德三.項目評估與可行性研究[M].上海：上海財經(jīng)大學出版社，2009.

[5]穆獻中，劉炳義.新能源和可再生能源發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化研究[M].北京：石油工業(yè)出版社，2009.

2016—03—07