光伏電站影響因素及發(fā)電量分析驗證方法的探討

廣州市寧大新能源科技有限公司 柯學(xué)進(jìn)

大力開發(fā)太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮芎秃Ｑ竽艿榷喾N新能源及可再生能源利用技術(shù)將成為減少環(huán)境污染的重要措施之一。特別是隨著光伏“5.31”新政策的出現(xiàn)而造成的影響，在國家取消光伏發(fā)電的“度電補貼”前提下，如何準(zhǔn)確測算一個光伏電站投資內(nèi)部收益率、評估一個項目是否具有投資的可行性，最重要的方法是準(zhǔn)確、快速、高效去預(yù)測光伏項目投產(chǎn)后1～25年的最終發(fā)電量。

1 影響光伏發(fā)電的各種因素

1.1 光伏電站地理位置及輻射度

對于光伏發(fā)電而言，目前最新的定義是根據(jù)太陽年曝輻射量的大小，可將中國劃分為4個太陽能資源帶：Ⅰ類資源豐富帶＞1700kWh/m2、Ⅱ類資源較富帶1500～1700kWh/m2、Ⅲ類資源一般帶1200～1500kWh/m2、Ⅳ類資源貧乏帶＜1200kWh/m2。通過圖1可看出，在相同情況下選址在總輻射量較優(yōu)的Ⅰ、Ⅱ類資源豐富帶，光伏電站整體發(fā)電量更高。

1.2 光伏設(shè)備的選型

光伏設(shè)備主要包括光伏組件和逆變器：光伏組件又分為多晶硅組件和較為高效的單晶硅組件，而逆變器又分為組串式逆變器和集中式逆變器，像中國西北部地區(qū)由于可利用的荒漠地面較多，土地租金便宜，同時安裝光伏陣列較為集中，更優(yōu)先采用單瓦價格便宜的多晶硅組件和集中式逆變器；與之相反的是沿海經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的珠三角、長三角地區(qū)，由于屋頂租金成本高、安裝區(qū)域較為分散，更傾向于采用高效的單晶硅組件和組串式逆變器。

1.3 系統(tǒng)整體效率

影響光伏系統(tǒng)效率相對前面的影響因素而言較為綜合、復(fù)雜，其貫穿到電站從設(shè)計、施工、維護(hù)全過程，綜合歸納這以下幾點[1]：

組件溫度特性。隨著組件電池片內(nèi)部溫度的增加，開路電壓下降，在20～100℃范圍內(nèi)大約每升高1℃每塊電池的電壓片減少2mV，而電流隨溫度的增加略有上升。總的來說，典型功率溫度系數(shù)一般為－0.35%/℃，即電池溫度每升高1℃則輸出功率下降0.35%；功率衰減。指隨著運行時間的增加組件輸出功率逐年下降。組件衰減與組件自身特性有關(guān)，其衰減現(xiàn)象可大致分為三類：破壞性因素導(dǎo)致的組件功率驟然衰減、組件初始的光致衰減、組件的老化衰減；組件安裝方式。同一地區(qū)組件不同安裝傾角和朝向的輻射量也不一樣，傾角面輻射量可通過調(diào)整組件傾角（采用固定可調(diào)式支架）或加裝跟蹤設(shè)備（架采用跟蹤式系統(tǒng)支架）來增加；組串并聯(lián)匹配。組串串聯(lián)失配是由于組件的電流差異造成電流損失，組串并聯(lián)失配是由于組串的電壓差異造成電壓損失。根據(jù)要求組件串聯(lián)失配損失最高不應(yīng)超過2%。

圖1 國內(nèi)太陽太陽年均輻射量區(qū)域圖

組件表面遮擋程度。組件表面遮擋包括灰塵、積雪、雜草、樹木及其他建筑物陰影等的遮擋，遮擋會降低組件接收到的輻射量，組件電池片形成電阻吸收功率，從而引起輸出功率下降，嚴(yán)重時會導(dǎo)致熱斑；逆變器容量配比。指逆變器的輸出額定功率與組件的裝機容量的比例。由于光伏組件的發(fā)電量輸送到逆變器會有很多損耗，且逆變器、變壓器等設(shè)備大部分時間是不能達(dá)到滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)的，因此光伏組件容量應(yīng)略大于逆變器額定容量；設(shè)備系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。光伏電站的設(shè)備故障停機會直接影響電站的發(fā)電量，如組件、逆變器、變壓器等設(shè)備若發(fā)生長期故障停機，將造成的損失電量是巨大的。另外設(shè)備不在最佳性能狀態(tài)運行也會造成電量損失的出現(xiàn)；電網(wǎng)消納率。設(shè)計上應(yīng)考慮電網(wǎng)消納率的制約因素，避免因電網(wǎng)限發(fā)而導(dǎo)致調(diào)度要求光伏電站限功率運行；定期維護(hù)。定期維護(hù)檢修是電站必須運維的主要工作，電站的良好運行可減少不必要的電量損失。結(jié)合自身情況合理制定定檢計劃、合理提升巡檢的工作效率，可減少電站因正常維護(hù)檢修而損失的發(fā)電量。

2 發(fā)電量預(yù)測及模擬分析

2.1 發(fā)電量預(yù)測

2.1.1 光伏發(fā)電站發(fā)電量

根據(jù)《GB 50797光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》，光伏發(fā)電站發(fā)電量為Ep=HA×PAZ/ES×K，式中HA為當(dāng)?shù)厮矫嫣柲芸傒椪樟浚╧Wh/m2，峰值小時數(shù)）；ES為發(fā)電量（kWh）；PAZ為組件裝機容量（kWp）；K為綜合效率。綜合效率系數(shù)K包括光伏組件類型修正系數(shù)、方陣的傾角、朝向修正系數(shù)、光伏發(fā)電系統(tǒng)可用率、光照利用率、逆變器效率、集電線纜損耗、升壓變壓器損耗、光伏組件表面污染修正系數(shù)、光伏組件轉(zhuǎn)換效率修正系數(shù)[2]。

綜上所述，系統(tǒng)綜合效率系數(shù)K等于上述各部分效率的乘積，即K=η1×η2×……×η8。其中η1為光伏組件類型修正系數(shù)，一般晶體硅電池取0.98；η2為光伏方陣的傾角、方位角修正系數(shù)，取值范圍50%～100%，見表1所示；η3為光伏發(fā)電系統(tǒng)可用率，根據(jù)經(jīng)驗一般取96.4%；η4為光照利用率，光伏系統(tǒng)設(shè)計符合相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，滿足在項目地點太陽時上午9時至下午15時內(nèi)無陰影遮擋，因此取0.98～1.0，一般取0.99；η5為逆變器整體系統(tǒng)效率，一般選取的組串式逆變器效率為98%，集中式逆變器為97.6%；η6為集電線纜效率修正系數(shù)，按設(shè)計要求線路損耗小于3%，即集電線纜效率約為97%；η7為光伏組件表面臟污程度修正系數(shù)，參考以往經(jīng)驗，一般取95%；η8為光伏組件運行效率修正系數(shù)，綜合考慮所選用組件的溫度系數(shù)、組件失配損失等因素，此處選取光伏組件轉(zhuǎn)換效率修正系數(shù)93%。

2.1.2 系統(tǒng)發(fā)電量的衰減

光伏組件的輸出功率在光照及常規(guī)大氣環(huán)境中使用會有衰減，根據(jù)晶硅太陽電池組件性能測試數(shù)據(jù)可知，其衰減率最大極限按系統(tǒng)25年輸出功率衰減共20.0%計算，其中多晶硅綜合年均衰減率ɑ1=2.5%，ɑ(2-25)=0.8%；單晶硅綜合年均衰減率ɑ1=1.5%，ɑ(2-25)=0.7%。故 有Ep=HA×PAZ/ES×K×(1-(N-1)×ɑ)，式中N為光伏電站投產(chǎn)運行第N年。

2.2 發(fā)電量模擬分析

2.2.1 不同傾角與朝向利用系數(shù)的分析

不同傾角與朝向的光伏方陣主要集中體現(xiàn)在分布式發(fā)電項目，特別在我國珠三角、長三角等用電量較大城市，受制于屋頂可安裝面積有限、區(qū)域分散、單塊容量小、設(shè)計人員水平參差不齊、周圍情況較復(fù)雜等制約因素，故本文主要是以珠三角地區(qū)為模擬、分析對象。

采用Klien和Theilacker提出的計算傾斜面上月平均太陽輻照量的方法：傾斜面上的太陽輻射總量由直射太陽輻射量、天空散射輻射量和地面反射輻射量三部分組成，并認(rèn)為天空散射輻射量是均勻分布的[3]。（kWh/m2/day），其中H為水平面的總輻射量，Hd為水平面的散射量；θ為光電板傾角；ρ為地物表面的反射率，在工程計算中一般取0.2，有雪覆蓋的地面取0.7，Rb為傾斜面與水平面的直射量之比。計算機仿真模擬分析結(jié)果如圖2。

圖2 不同朝向與傾角利用系數(shù)分析圖

表1 珠三角地區(qū)綜合不同傾角與朝向利用系數(shù)表

表2 255.4kWhp光伏系統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)分析表

2.2.2 案例電站整體發(fā)電效率模擬與分析

本文選取廣東省韶關(guān)市乳源市255.4kWp分布式光伏發(fā)電項目進(jìn)行發(fā)電效率的模擬與分析，該項目選用型號YL270-29的多晶硅塊組件共946塊，50kW組串式逆變器共5臺，低壓側(cè)380V并網(wǎng)，正向朝南安裝，安裝角度為18°。依據(jù)公式計算PR=76.5%?，F(xiàn)采用美國版PVSYS V6.87專用軟件對綜合發(fā)電效率模擬結(jié)果見表2，其中GlobHor為水平面總體照射量、GlobEff為有效的陰影和立面遮擋量、DiffHor為水平面漫射照射量、EArray為陣列輸出的有效能量、T Amb為環(huán)境溫度影響量、E_Grid為注入電網(wǎng)的電量、GlobInc為電池板總體故障、PR為系統(tǒng)效率。通過分析結(jié)果與分析可知，總體的發(fā)電效率PR=76.8%，與發(fā)電量測算公式計算結(jié)果基本吻合。

表3 255.4kWhp光伏發(fā)電量對比統(tǒng)計表

3 案例發(fā)電量預(yù)測與實際發(fā)電的驗證分析

發(fā)電量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。本文選取的光伏電站地點位于廣東省韶關(guān)市乳源市，總裝機容量為255.4kWp，選用正向朝南最佳傾角18度安裝方式。選取該電站主要原因為空氣質(zhì)量較優(yōu)，周邊無工廠污染源，四周無高大建筑、高山、電桿等障礙物，有效地排除人力因素的干擾，從而提高驗算的可靠度。本次收集該電站三年的實際運行發(fā)電量數(shù)據(jù)，通過與測算發(fā)電量數(shù)據(jù)對比如表3。

實際發(fā)電與測算發(fā)電量分析。通過以上數(shù)據(jù)可看出，電站3年內(nèi)從1～12月份實際發(fā)電量明顯存在一定的線性關(guān)系，可通過線性回歸方式進(jìn)行綜合分析，以驗證預(yù)測發(fā)電量與實際發(fā)電量存在一定的修正比例（圖3）。通過分析結(jié)果可知，針對廣東省地區(qū)，根據(jù)《GB 50797光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》里基本公式測算的發(fā)電量，在線性回歸曲線圖中R值越接近1，其線性相關(guān)越強、組合度就越高，但仍與實際發(fā)電量存在一定差異，需考慮性線修正系數(shù)，從圖3中可看出3年的實際發(fā)電趨勢曲線相似，故修正系數(shù)基本接近；該系數(shù)定義為實際發(fā)量修正系數(shù)，用符號R表示；通過選取第2、3年發(fā)電量為最有價值數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算得出R∈[0.97，0.99]。

圖3 255.4kWhp光伏發(fā)電量線性回歸分析圖

綜上，相同裝機容量的并網(wǎng)分布式光伏電站即使安裝在相鄰位置，由于受到傾角、朝向等不同因素的影響其發(fā)電量也會不同。故對相同裝機容量的并網(wǎng)光伏電站的發(fā)電量進(jìn)行預(yù)測，需仔細(xì)對每一個影響到光伏電站發(fā)電的因素進(jìn)行分析、找出其差異性，才能準(zhǔn)確預(yù)測光伏電站實際的發(fā)電量，為項目進(jìn)行投資收益評估提供可靠的依據(jù)。