光伏發(fā)電系統(tǒng)中影響發(fā)電量因素分析

劉 洋

(四川鹽源甲米河水電開發(fā)有限公司，四川 鹽源 615700))

1 概 述

光伏發(fā)電是可再生和清潔的能源，是國家大力提倡和扶持的電力產(chǎn)業(yè)，具有廣闊的發(fā)展前景。面對激烈的新能源市場競爭，光伏電站的穩(wěn)定運(yùn)行和高效發(fā)電，將影響企業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

鹽源縣位于四川省涼山州西南部，青藏高原東南緣，雅礱江中下游西岸，川、滇兩省交界處。渾水塘光伏電站位于鹽源縣衛(wèi)城鎮(zhèn)半山村平緩的山坡上，場址中心經(jīng)緯度坐標(biāo)：北緯27°29′02″，東經(jīng)101°37′35″，平均海拔高度約2 540 m。電站總裝機(jī)容量為30 MWp，設(shè)計(jì)多年平均年發(fā)電量4 156.7萬kWh，年利用小時(shí)數(shù)1 385.6 h。在渾水塘光伏電站項(xiàng)目現(xiàn)場，光伏組件朝正南方向方位角為0°，光伏板的傾斜角為29°，組件離地面最小距離35 cm[1]。

光伏電站從太陽能獲得電力，需通過太陽電池進(jìn)行光電變換來實(shí)現(xiàn)。光伏電站中影響發(fā)電量的因素有：太陽輻射量、電站所在的經(jīng)緯度、大氣層的透明度、太陽的日照時(shí)間、溫度特性、光伏板表面灰層影響等[2]。依據(jù)統(tǒng)計(jì)期內(nèi)鹽源縣及渾水塘的輻照量、日照時(shí)數(shù)、環(huán)境溫度、組件的溫度及灰塵等因素分析對發(fā)電量的影響，對當(dāng)前渾水塘光伏電站日常運(yùn)維有所幫助，對建設(shè)新光伏電站，改善發(fā)電影響因素、提高發(fā)電量有較大作用。

2 輻射量變化分析

光伏組件發(fā)電的全部能量來自于太陽，也就是說太陽光伏組件方陣面上所獲得的輻射量是影響發(fā)電量最直接的原因。鹽源縣屬西南季風(fēng)氣候，縣內(nèi)冬春干旱，夏秋雨量集中，雨熱統(tǒng)計(jì)，日照充足，年平均氣溫12.5 ℃，年平均日照時(shí)數(shù)2 577 h，渾水塘光伏電站光伏組件傾角采用29°，經(jīng)統(tǒng)計(jì)鹽源縣日照時(shí)數(shù)與29°傾斜面輻照量見表1和圖1。

自渾水塘光伏電站投運(yùn)以來，光功率預(yù)測系統(tǒng)依據(jù)采集的太陽福照度、輻照量等氣象數(shù)據(jù)，為電站發(fā)電情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。采用2017年至2020年太陽輻射量變化情況進(jìn)行分析，根據(jù)測光法計(jì)算理論發(fā)電量的公式為：

理論發(fā)電量=太陽輻射量×光伏組件面積×光伏組件的轉(zhuǎn)換效率×修正系數(shù)(K)[3]

故在一定條件下，理論發(fā)電量與輻射量成正比，分析輻照量變化情況對提高電站發(fā)電量有很大幫助。

渾水塘2017年至2019年29°輻照量變化趨勢見圖2，渾水塘2017年至2019年發(fā)電量變化趨勢見圖3。

表1 鹽源縣日照時(shí)數(shù)與29°傾斜面輻照量

圖1 鹽源縣日照時(shí)數(shù)與29°傾斜面輻照量

圖2 渾水塘2017年至2019年29°輻照量變化趨勢

根據(jù)圖2、3相關(guān)數(shù)據(jù)，與渾水塘實(shí)際情況對比。渾水塘位于鹽源縣衛(wèi)城鎮(zhèn)半山村平緩的山坡上，周圍無遮擋，海拔較縣城高、山坡上空氣中揚(yáng)塵較少，輻照量較鹽源縣城大。且因氣候原因，鹽源縣及渾水塘6～10月的夏秋季雨量較多，光伏板上方有較多云層遮擋，輻照量及發(fā)電量較少。而11～12月,1～3月的春冬季節(jié)，天氣干燥，空中無云層遮擋，輻照量及發(fā)電量較多，與發(fā)電量及輻照量變化趨勢圖相符。

由此可見，當(dāng)?shù)貧庀笫枪潭ㄊ焦夥娬镜妮椛淞?、發(fā)電量影響主要因素。

圖3 渾水塘2017年至2019年發(fā)電量變化趨勢

3 太陽公轉(zhuǎn)對電站輻射量的影響分析

地球繞太陽公轉(zhuǎn)，由于地軸的傾斜，地軸與軌道平面始終保持著大概66°34′的夾角，引起太陽直射點(diǎn)在南北緯23°26′之間往返移動，并決定了太陽可能直射的范圍：春，秋分日，太陽直射赤道，即直射點(diǎn)的緯度為0°；冬至日，太陽直射南回歸線，即直射點(diǎn)的緯度為 23°26′S；夏至日，太陽直射北回歸線，即直射點(diǎn)的緯度為23°26′N。

太陽高度角計(jì)算公式：

H=90°-│α(+/-)β│

式中α是代表當(dāng)?shù)氐乩砭暥?；β是代表太陽直射點(diǎn)地理緯度。

渾水塘光伏電站地理位置在北緯27°29′，東經(jīng) 101° 37′。因光伏板正南安裝，方位角為0°。

經(jīng)過計(jì)算，太陽夏至?xí)r太陽高度角最大為：

Hmax=90°-│α(+/-)β│

=90°-│27°29′-23°26′│

=85°97′

太陽冬至?xí)r太陽高度角最小為：

Hmin=90°-│α(+/-)β│

=90°-│27°29′+23°26′│

=39°45′

太陽夏至?xí)r太陽最大高度角85°97′，冬至?xí)r太陽最小高度角為39°45′。

光伏板安裝角H應(yīng)滿足：Hmin

當(dāng)傾角為29°時(shí)，太陽輻射量最大，故選擇光伏板安裝最佳傾斜角為29°?？梢钥闯?，太陽公轉(zhuǎn)引起的輻射量變化決定了電站固定式光伏組件的安裝傾角[4]。

表2 不同傾角下的輻照量

4 溫度對發(fā)電量的影響

光伏組件一般有3個(gè)溫度系數(shù)：開路電壓、峰值功率、短路電流。當(dāng)溫度升高時(shí)，光伏組件的輸出功率會下降。以峰值功率為例，英利綠色能源給出一組由第三方權(quán)威檢測機(jī)構(gòu)德國TUV萊茵實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定的光伏組件的峰值功率溫度系數(shù)約為-0.4%/℃。

渾水塘光伏電站所在區(qū)域常年平均溫度為 12.2 ℃，溫度最高的月份為 5～8 月，極端最高氣溫為32.5 ℃；溫度最低的月份為 12～2月，極端最低氣溫為-11.3 ℃，光伏電站多年平均環(huán)境溫度見表3。

渾水塘光伏電站采用海南英利新能源有限公司的光伏組件，其表面溫度升高，短路電流溫度系數(shù)為+0.047%/K，開路電壓溫度系數(shù)為-0.32%/K。由P=UI可知，U下降的幅度大于I上升的幅度，所以溫度的升高，輸出功率下降，渾水塘實(shí)際光伏組件產(chǎn)品峰值功率溫度系數(shù)為-0.43%/K。當(dāng)電站晴天時(shí)，光伏組件的工作溫度比環(huán)境溫度高20 ℃左右，其效率影響很大。且溫度對光伏板的接線盒有影響。接線盒不僅能將太陽能電池產(chǎn)生的電傳輸?shù)酵獠侩娐?，同時(shí)也是太陽電池組件的“保鏢”。接線盒是集電氣設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)與材料科學(xué)相結(jié)合的跨領(lǐng)域的綜合性設(shè)計(jì):利用二極管自身的性能使太陽電池組件在遮光、電流失配等其他不利因素發(fā)生時(shí)，還能保證工作，適當(dāng)降低損失。隨著溫度的升高，接線盒密封空間內(nèi)空氣體積膨脹，氣壓增大，且使盒體、盒蓋機(jī)械強(qiáng)度變小，接線盒盒體或盒蓋發(fā)生變形，盒內(nèi)外氣壓一致，大大降低了接線盒的密封性，水汽及灰塵的進(jìn)入會破壞盒內(nèi)金屬器件，造成接線盒報(bào)廢[5]。

表3 光伏電站多年平均環(huán)境溫度 /℃

因此在環(huán)境溫度升高的情況下，應(yīng)提前采取預(yù)備措施。在電站設(shè)計(jì)安裝時(shí)，應(yīng)充分考慮高溫的影響，適當(dāng)加大光伏組件間隔，增加光伏陣列間距且適當(dāng)提高支架的高度以增強(qiáng)散熱，降低高溫對光伏電池效率的影響。

5 灰塵對發(fā)電量的影響

在一些光伏電站運(yùn)行過程中，運(yùn)維人員忽視了光伏組件表面的積灰，使透光率降低，結(jié)果光電轉(zhuǎn)換效率降低，這大大影響了光伏組件的輸出性能。因此，研究積灰對光伏組件輸出性能的影響與確定實(shí)際光伏組件清潔周期存在重大的意義。

根據(jù)渾水塘光伏電站2019年1月突發(fā)降雨前后三天平均電量數(shù)據(jù)，選取全天天氣為晴天，雨前雨后輻照量均在24.2 MJ/m2及其他因素基本相同，僅雨前雨后的光伏組件表面積灰程度不同的情況下比較：降雨前光伏板表面積灰較厚，三天平均發(fā)電量16.68萬kWh；降雨后光伏板表面幾乎無積灰，三天平均發(fā)電量17.29萬kWh。

由以上數(shù)據(jù)可以對比得出，每日平均發(fā)電量相差0.61 kWh，降雨前發(fā)電量較降雨后發(fā)電量多3.657%。

結(jié)合光伏發(fā)電項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)行與維護(hù)情況，定期對光伏組件進(jìn)行清洗，可提高發(fā)電量。光伏組件的清洗工作選擇在清晨、傍晚、夜間或者陰雨天進(jìn)行，防止人為陰影造成電量的損失。一般用清水即可，如組件表面有粘附著的硬物，則可以適當(dāng)使用刮板。運(yùn)行維護(hù)人員在清洗過程中應(yīng)注意，清除灰塵與異物即可，切忌損傷光伏組件，且在清洗過程中注意個(gè)人安全。

6 結(jié) 語

采用固定式組件的光伏電站，氣象因素是影響輻照量及發(fā)電量的主要外部因素。太陽公轉(zhuǎn)引起的輻射量變化決定了固定式光伏組件安裝傾角。在電站設(shè)計(jì)安裝時(shí)，應(yīng)充分考慮光伏組件溫升的影響，適當(dāng)加大光伏組件間隔、增加光伏陣列間距、適當(dāng)提高支架的高度以增強(qiáng)散熱等措施，減小溫升對光伏電池效率降低的影響。灰塵影響光伏板表面透光度使效率降低，建設(shè)光伏電站時(shí)應(yīng)硬化周邊道路，避免揚(yáng)塵，運(yùn)維中應(yīng)定期清理光伏組件表面。分析光伏發(fā)電系統(tǒng)中影響發(fā)電量的因素及制定相關(guān)防范措施，對光伏電站的高效運(yùn)維提供了方向。隨著光伏發(fā)電行業(yè)逐步發(fā)展及新能源規(guī)劃逐步推進(jìn)，光伏發(fā)電系統(tǒng)中影響發(fā)電量因素分析將受到更多研究與關(guān)注，并對大力積極推進(jìn)發(fā)展清潔電力能源提供幫助。