并網(wǎng)型分布式太陽(yáng)能光伏電站運(yùn)行特征分析*

李 清，劉俊峰

（南通理工學(xué)院電氣與能源工程學(xué)院，江蘇 南通 226001）

0 引言

近年來(lái)，光伏發(fā)電迅猛發(fā)展，已經(jīng)成為新能源發(fā)電的重要組成部分，而且隨著“碳達(dá)峰”和“碳中和”計(jì)劃的實(shí)施，預(yù)計(jì)光伏電站將迎來(lái)新的建設(shè)高峰期[1-2]。光伏電站的工作性能主要受到光照強(qiáng)度、溫度等氣象條件的影響，因此，一年中不同月份、一月中不同日子、一天中不同時(shí)間段，光伏電站的工作狀態(tài)都會(huì)存在明顯的差異[3]。準(zhǔn)確地分析不同條件下各時(shí)間段光伏電站的運(yùn)行參數(shù)，對(duì)于光伏電站的設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)與維護(hù)以及發(fā)電量的預(yù)測(cè)有著重要的意義[4]。

不同于傳統(tǒng)的火力發(fā)電和水力發(fā)電，光伏發(fā)電的功率輸出存在明顯的間歇性和波動(dòng)性特征，進(jìn)而會(huì)影響電氣設(shè)備的工作穩(wěn)定性[5-6]。本研究著眼于此，針對(duì)不同天氣條件下的光伏電站，對(duì)其一年中的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析電站一年中發(fā)電量的季節(jié)性分布特征，研究影響光伏電站運(yùn)行穩(wěn)定性的因素。研究結(jié)論與建議將會(huì)為光伏電站的設(shè)計(jì)選址、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)等方面提供參考。

1 研究對(duì)象

如圖1所示，以南通理工學(xué)院2 kW分布式光伏示范電站為研究對(duì)象。該電站由10塊光伏組件串聯(lián)而成，單塊光伏組件的開路電壓Voc=45.21 V，短路電流Isc=5.72 A，最大功率Pmax=200 W。

圖1 2 kW分布式光伏電站

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)電量

通過(guò)對(duì)2 kW光伏單晶硅固定電站一整年的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，統(tǒng)計(jì)每天每個(gè)時(shí)間段的發(fā)電量，得到每月的總發(fā)電量，從而獲得該電站一年的運(yùn)行趨勢(shì)，如圖2所示。從圖中可以看出，一年中每個(gè)月的發(fā)電量呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)，這是由于南通地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，受海洋性氣候影響，四季分明，從而導(dǎo)致光伏電站的運(yùn)行呈現(xiàn)季節(jié)性變化特點(diǎn)。1—4月份氣象條件逐漸變好，光照強(qiáng)度增大，溫度升高等，從而使得1—4月份光伏電站的發(fā)電量逐月呈現(xiàn)明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)。8—12月份進(jìn)入秋冬季節(jié)，天氣條件逐漸變差，因此，8—12月光伏電站的發(fā)電量逐月呈現(xiàn)明顯的降低趨勢(shì)。

圖2 一年中各月發(fā)電量

但是，5月份和7月份的發(fā)電量出現(xiàn)很明顯的下降，一方面，這是由于雷雨天氣時(shí)為保護(hù)電站，將電站停止運(yùn)行；另一方面，是由于電站出現(xiàn)故障，進(jìn)行了停機(jī)維護(hù)。實(shí)際上，5月份電站只工作了16天，7月份工作了28天。6月份并沒有發(fā)生電站停機(jī)維護(hù)等情況，且正值夏季，理論上氣候條件更好，尤其是太陽(yáng)的輻照度更大，但實(shí)際上的發(fā)電量反而較低，這就與南通地區(qū)的氣候特點(diǎn)有關(guān)。6月份南通地區(qū)的雨水量較大，光照條件實(shí)際并不好。如圖3所示，為南通理工學(xué)院自動(dòng)氣象站監(jiān)測(cè)到的6月份每天的太陽(yáng)最大輻照度分布，由于傳感器故障造成部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失，只獲取到6月13日到6月30日的輻照強(qiáng)度，但這些數(shù)據(jù)仍然能夠說(shuō)明問題。從圖中可以看出，每天的太陽(yáng)輻照度波動(dòng)性明顯，變化幅度較大。在這18天中，太陽(yáng)輻照度最大值超過(guò)1 000 W/m2的僅有6天，輻照度最大值低于600 W/m2的有7天，這就導(dǎo)致光伏電站實(shí)際的有效工作天數(shù)較少。因此，6月份的發(fā)電量相對(duì)較低。

圖3 6月份每天太陽(yáng)最大輻照度

2.2 光伏電站運(yùn)行因素分析

2.2.1 輻照度

如圖4所示，為某2 h時(shí)間間隔，天氣溫度相差2℃范圍內(nèi)，太陽(yáng)輻照度與光伏電站運(yùn)行功率之間的關(guān)系。從圖中可以看出，隨著太陽(yáng)輻照度降低，光伏電站的發(fā)電功率也隨之減小，整體呈近似線性趨勢(shì)變化。當(dāng)太陽(yáng)輻照度低于1 000 W/m2時(shí)，光伏電站的實(shí)際發(fā)電功率僅為1 400 W，遠(yuǎn)低于光伏電站的2 kW的設(shè)計(jì)功率。當(dāng)輻照度為800 W/m2時(shí)，光伏電站的工作功率僅為設(shè)計(jì)功率的1/2。由此可以看出，太陽(yáng)輻照度是保證光伏電站高效率發(fā)電的關(guān)鍵因素。因此，在設(shè)計(jì)光伏電站時(shí)應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)氐奶?yáng)能資源，從而可以縮短投資回報(bào)周期。

圖4 不同輻照度條件下光伏電站的功率變化

2.2.2 溫度

在監(jiān)測(cè)的一年數(shù)據(jù)中，選取正午12點(diǎn)到13點(diǎn)時(shí)間段內(nèi)太陽(yáng)輻照度差距在10 W/m2內(nèi)、溫度不同時(shí)的光伏電站實(shí)際的運(yùn)行功率作為一組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖5所示。從散點(diǎn)圖的對(duì)比中可以看出，當(dāng)溫度較低時(shí)，光伏電站的工作功率相對(duì)較高；當(dāng)溫度升高時(shí)，功率相對(duì)降低?？梢哉f(shuō)明光伏電站的光電轉(zhuǎn)換效率隨著溫度的上升而降低，該規(guī)律符合太陽(yáng)能電池的溫度效應(yīng)。由于電站在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，可能存在云的遮蔽現(xiàn)象，導(dǎo)致圖中個(gè)別數(shù)據(jù)與所分析的規(guī)律不一致。同時(shí)，由于不同季節(jié)和不同時(shí)間的太陽(yáng)高度角和方位角不同，本研究分析的數(shù)據(jù)是電站實(shí)際運(yùn)行情況下采集的數(shù)據(jù)，無(wú)法嚴(yán)格地進(jìn)行變量控制，所列的數(shù)據(jù)只能作為電站運(yùn)行的參考。

圖5 不同溫度條件下光伏電站的功率

2.2.3 覆蓋率

如圖6所示，為某一次下雪過(guò)后，光伏電站中的太陽(yáng)能組件表面完全覆蓋雪以及除雪后的對(duì)比效果。

圖6 除雪前后對(duì)比圖

對(duì)短時(shí)間內(nèi)光伏電站的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲得三種雪覆蓋情況下的光伏電站的工作電壓、電流和功率，如表1所示。從表中可以看出，光伏電站中的太陽(yáng)能組件被雪完全覆蓋時(shí)，光伏電站仍然能夠保持低功率運(yùn)行發(fā)電。隨著表面覆蓋的雪量減少，光伏電站的工作電流明顯地在增大，工作電壓沒有顯著的變化，從而使得光伏電站的工作功率大幅度提高，進(jìn)一步地保證了電站的發(fā)電量。因此，不論是在雨雪天氣，還是電站建造在沙漠等塵沙較多的區(qū)域，都應(yīng)及時(shí)地對(duì)太陽(yáng)能組件表面進(jìn)行清理，使得光伏電站始終能夠保持良好的狀態(tài)運(yùn)行，從而保證電站的發(fā)電量。

表1 太陽(yáng)能組件表面除雪前后運(yùn)行數(shù)據(jù)

3 結(jié)論與建議

1）光伏電站運(yùn)行季節(jié)性特征明顯，不同季節(jié)發(fā)電量波動(dòng)較大，在光伏電站設(shè)計(jì)之初應(yīng)充分評(píng)估地區(qū)的太陽(yáng)能資源。

2）光伏電站的運(yùn)行穩(wěn)定性受到光照條件、溫度、云層等氣象條件的影響。因此，光伏電站設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)兼顧經(jīng)濟(jì)效益和系統(tǒng)效率。