太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)故障分析與解決探析

重慶勁科電力設(shè)計(jì)有限公司 黃 馨 李喜龍 趙 彬 李 燕

城市化建設(shè)過程中，人們對(duì)能源的需求不斷增加，但能源問題日益突出，開發(fā)新能源勢(shì)在必行，在此基礎(chǔ)上，本公司積極投入到光伏發(fā)電技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用中。作為一種清潔型能源，太陽(yáng)能在諸多領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，但在實(shí)際應(yīng)用過程中，還需要結(jié)合實(shí)際情況，展開綜合性分析，從而打造出高質(zhì)量、高效率、穩(wěn)定性的發(fā)電系統(tǒng)。本文針對(duì)本公司技術(shù)選型與需求分析等的技術(shù)手段展開細(xì)節(jié)性分析，對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的故障進(jìn)行分析與解決。此外，在本公司落實(shí)太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)過程中還存在諸多問題，需要結(jié)合實(shí)際問題展開進(jìn)一步分析，以求從側(cè)面助力國(guó)家能源轉(zhuǎn)型發(fā)展。

1 本公司太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)

1.1 技術(shù)選型與需求分析

本公司位于北緯30°、東經(jīng)120°，年平均日照時(shí)間為2000h，太陽(yáng)能資源豐富，年平均日照時(shí)間長(zhǎng)，具備安裝太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的良好條件。本公司的用電需求主要集中在白天，尤其是高峰時(shí)段?？紤]到這些因素，根據(jù)本公司的歷史用電數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)未來的用電需求，如表1所示，并結(jié)合地理位置和氣候條件，確定系統(tǒng)的裝機(jī)容量。根據(jù)本公司近三年的用電數(shù)據(jù)，日均峰值負(fù)荷約為500萬(wàn)kWh，年總用電量約為120萬(wàn)kWh。最終選擇600kW 的光伏發(fā)電系統(tǒng)，以滿足本公司在高峰時(shí)段的用電需求，并配備120kWh 的儲(chǔ)能設(shè)備，以確保在連續(xù)陰雨天氣下也能滿足至少3天的用電需求[1]。

表1 太陽(yáng)輻射統(tǒng)計(jì)

1.2 技術(shù)選型

基于上述數(shù)據(jù)，本公司選擇轉(zhuǎn)換效率達(dá)到20%的多晶硅光伏電池板，其開路電壓為40V，短路電流為10A，該電池板具有優(yōu)異的抗衰減性能，預(yù)計(jì)25年后的功率衰減不超過20%。此外還引入100kW的集中式逆變器，其最高效率可達(dá)98%，并具有智能最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）功能，能夠根據(jù)光照條件實(shí)時(shí)調(diào)整工作點(diǎn)，提高發(fā)電效率。使用的鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)單體電池容量為10kWh，能量密度為250Wh/kg，具有快速充放電能力，可在30min 內(nèi)充滿80%的電量，放電深度可達(dá)80%。

1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在光伏電池板的排列方式和角度設(shè)計(jì)上，本公司采用專業(yè)的光伏設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行優(yōu)化。通過模擬不同排列方式和角度下的光照情況，確定最佳的排列方式和角度，以最大化接收太陽(yáng)光。這不僅提高系統(tǒng)的發(fā)電效率，還降低光伏電池板的占地面積。公式（1）為光伏方陣陣列間距，式中：φ為維度；H為電池板固定后的投影高度。

電纜布局和連接方式的設(shè)計(jì)對(duì)于電能的高效傳輸至關(guān)重要。本公司根據(jù)系統(tǒng)的規(guī)模和用電需求，選擇合適的電纜規(guī)格和布局方式，同時(shí)還采用防水、防塵、防雷擊等措施，確保電纜的安全運(yùn)行[2]。

為確保安全性，本公司設(shè)計(jì)全面的監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、發(fā)電量、儲(chǔ)能電量等數(shù)據(jù)。同時(shí)還配置安全防護(hù)設(shè)備，如防雷器、過流過壓保護(hù)器等，以確保系統(tǒng)在惡劣天氣或故障情況下能夠安全運(yùn)行。

光伏電池板排列采用30°傾斜角安裝，以最大化接收太陽(yáng)光。根據(jù)本公司模擬結(jié)果，此安裝角度下年平均日照量可提高5%左右。電纜選型與布局選用120mm2的銅芯電纜，其載流量為300A，能夠滿足系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的傳輸需求。電纜采用地下直埋方式，減少占地面積，并增強(qiáng)防盜性能。數(shù)據(jù)采集單元負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集光伏電池板電壓、電流、發(fā)電量等數(shù)據(jù)，并通過通信模塊上傳至上位機(jī)軟件進(jìn)行分析和展示。上位機(jī)軟件具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、圖表展示、故障報(bào)警等功能，方便運(yùn)維人員實(shí)時(shí)解系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。本公司配置的防雷器最大通流容量可達(dá)100kA，能夠有效防止雷擊對(duì)系統(tǒng)造成損害。同時(shí)還配置過流過壓保護(hù)器，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)過流或過壓時(shí)能夠自動(dòng)切斷電源，保護(hù)設(shè)備安全。

1.4 安裝與調(diào)試

在安裝與調(diào)試階段，本公司將技術(shù)數(shù)據(jù)與實(shí)際操作相結(jié)合，以確保太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的性能達(dá)到最優(yōu)。支架選用鋁合金材料，其抗腐蝕性能強(qiáng)、強(qiáng)度高，能夠承受各種惡劣天氣條件。支架的安裝精度要求極高，垂直度和水平度偏差不超過±0.5°。為確保支架的穩(wěn)定性，本公司還進(jìn)行負(fù)載測(cè)試，確保其承重能力滿足要求。電池板的安裝角度和間距對(duì)發(fā)電效率有著直接影響。經(jīng)過詳細(xì)的模擬計(jì)算，本公司確定30°的最佳安裝角度，并保持1m 的合理間距。這不僅提高發(fā)電效率，還避免電池板之間的陰影遮擋。

此外，電池板與支架之間的接口采用專用的防水密封膠進(jìn)行密封處理，確保系統(tǒng)具有良好的防水性能。逆變器和儲(chǔ)能系統(tǒng)的安裝位置需考慮到通風(fēng)散熱和安全性。本公司選擇室內(nèi)通風(fēng)良好的位置，并使用專業(yè)的抗震支架進(jìn)行固定。在安裝過程中嚴(yán)格遵守設(shè)備制造商的安裝規(guī)范，確保每個(gè)連接部位緊固可靠。逆變器的轉(zhuǎn)換效率經(jīng)過測(cè)試達(dá)到98%，儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電效率也達(dá)到90%以上[3]。

1.5 調(diào)試與優(yōu)化

在系統(tǒng)調(diào)試階段，本公司對(duì)光伏電池板的輸出電壓和電流進(jìn)行精確測(cè)量，確保其處于正常范圍內(nèi)。同時(shí)，本公司還對(duì)逆變器的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)調(diào)整，以獲得最佳的發(fā)電效率。儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電性能也經(jīng)過嚴(yán)格的測(cè)試，確保其能夠穩(wěn)定可靠地工作。在調(diào)試過程中，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。例如，在光照不足的情況下，通過調(diào)整逆變器控制策略提高其輸出電壓和電流，從而增加發(fā)電量。

此外，本公司還根據(jù)環(huán)境溫度和散熱情況，優(yōu)化散熱設(shè)備的運(yùn)行策略，確保系統(tǒng)溫度始終處于合理范圍內(nèi)。嚴(yán)格的安裝與調(diào)試過程使本公司的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系性能統(tǒng)色，實(shí)際運(yùn)行中，系統(tǒng)的發(fā)電效率穩(wěn)定且高效，為用電需求提供可靠的保障。

2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)故障分析與解決方案

然而，本公司太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中也面臨一些挑戰(zhàn)和問題。例如，設(shè)備故障、系統(tǒng)效率低下、運(yùn)維成本高等問題仍然存在。此外，太陽(yáng)能光伏發(fā)電的間歇性和不穩(wěn)定性也是制約其發(fā)展的因素之一。

2.1 問題描述

在本公司太陽(yáng)能光伏發(fā)電項(xiàng)目中，系統(tǒng)出現(xiàn)發(fā)電量下降的問題。原本該系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，即光照強(qiáng)度1000W/m2、溫度25℃時(shí)每天可發(fā)電約300kWh，但在某日的午后開始發(fā)電量急劇下滑，實(shí)際日發(fā)電量?jī)H能達(dá)到約90kW 時(shí)，為原來的三分之一。這一異?，F(xiàn)象持續(xù)數(shù)天，嚴(yán)重影響該系統(tǒng)的正常供電和經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 故障排查

為找出問題的根源，本公司首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面的故障排查。在STC 條件下對(duì)電池板進(jìn)行效率測(cè)試，發(fā)現(xiàn)平均效率由原先的18%下降至13%，發(fā)現(xiàn)部分電池板存在污漬和灰塵覆蓋，厚度約為0.5mm。通過IV（電流－電壓）曲線分析，確定電池板內(nèi)部可能存在隱裂或老化現(xiàn)象。后續(xù)檢查中，發(fā)現(xiàn)逆變器在運(yùn)行過程中溫度持續(xù)超過85℃，遠(yuǎn)超推薦的最大工作溫度。逆變器日志顯示，過熱報(bào)警觸發(fā)的時(shí)間與發(fā)電量下降的時(shí)間高度一致。在標(biāo)準(zhǔn)條件下測(cè)試，逆變器功率損失由原先的3%增加到8%。后續(xù)檢查中，儲(chǔ)能電池的充放電效率由原先的90%下降至80%，且部分電池內(nèi)阻明顯上升，表明可能存在電池老化現(xiàn)象[4]。

2.3 解決方案

針對(duì)上述排查結(jié)果，本公司使用專業(yè)清洗設(shè)備對(duì)電池板進(jìn)行清洗，去除污漬和灰塵，對(duì)于存在隱裂或老化的電池板進(jìn)行更換，并立即更換故障風(fēng)扇，確保逆變器散熱良好，同時(shí)調(diào)整逆變器的散熱策略，如增加散熱時(shí)間、降低最大工作負(fù)荷等。清洗后，電池板效率恢復(fù)至17%，更換老化電池板后，整體效率進(jìn)一步提升至18%，逆變器運(yùn)行溫度穩(wěn)定在70℃以下，功率損失降低至4%。

3 太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)在電力企業(yè)的實(shí)踐與分析

在全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和環(huán)保呼聲日益高漲的背景下，太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)以其清潔、可再生、無(wú)污染的特性，逐漸成為電力企業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色、可持續(xù)發(fā)展的重要選擇。作為一名在電力企業(yè)工作多年的工程師，筆者有幸參與本公司的一個(gè)太陽(yáng)能光伏發(fā)電項(xiàng)目，以下是我對(duì)該項(xiàng)目的深入分析和實(shí)踐體會(huì)。

3.1 電氣一次側(cè)設(shè)計(jì)

電氣一次側(cè)是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能并輸送至電網(wǎng)。在本公司的項(xiàng)目中，電氣一次側(cè)設(shè)計(jì)主要包括光伏組件的串并聯(lián)組合、逆變器的選型與配置以及直流匯流箱的選擇。本公司選用轉(zhuǎn)換效率高達(dá)22%的光伏組件，通過串并聯(lián)組合形成多個(gè)光伏陣列。每個(gè)光伏陣列配備一臺(tái)100kW 的逆變器，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電并輸送至電網(wǎng)。

3.2 主要設(shè)備布置

在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)，本公司合理規(guī)劃設(shè)備的布置位置。光伏組件按照最佳傾角和方位角安裝在地面上，確保能夠充分接收太陽(yáng)能輻射。逆變器、直流匯流箱等設(shè)備則安裝在附近的設(shè)備間內(nèi)，方便運(yùn)維人員進(jìn)行日常維護(hù)和檢修。

3.3 電氣二次側(cè)設(shè)計(jì)

電氣二次側(cè)設(shè)計(jì)主要包括交流配電系統(tǒng)、保護(hù)與控制系統(tǒng)等。本公司配置多臺(tái)交流配電柜，用于將逆變器輸出的交流電進(jìn)行分配和輸送。同時(shí)，本公司還配置多種保護(hù)設(shè)備，如過流保護(hù)器、防雷器等，確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行。在控制系統(tǒng)方面，本公司采用智能化的監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光伏陣列的發(fā)電情況、逆變器的運(yùn)行狀態(tài)等關(guān)鍵參數(shù)。通過數(shù)據(jù)分析，本公司可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理潛在的安全隱患，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[5]。

3.4 發(fā)電效益分析

自光伏發(fā)電站投運(yùn)以來，本公司對(duì)其發(fā)電效益進(jìn)行持續(xù)的監(jiān)測(cè)和分析。數(shù)據(jù)顯示，該光伏發(fā)電站年平均發(fā)電量達(dá)到1200萬(wàn)kWh 以上，滿足企業(yè)約30%的用電需求。與傳統(tǒng)的火力發(fā)電相比，光伏發(fā)電不僅減少大量的二氧化碳排放，還為企業(yè)節(jié)省大量的電費(fèi)支出。據(jù)初步估算，企業(yè)每年可節(jié)約電費(fèi)約200萬(wàn)元以上。此外，隨著國(guó)家對(duì)可再生能源的支持力度不斷加大，光伏發(fā)電的上網(wǎng)電價(jià)也在逐年提高。這將進(jìn)一步增加企業(yè)的發(fā)電收益，推動(dòng)企業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)作為全球能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵一環(huán)，正逐漸嶄露頭角并展現(xiàn)出其巨大的潛力。通過對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的深入分析，優(yōu)化光伏電池的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)，提高光伏材料的轉(zhuǎn)換效率。未來還需要進(jìn)一步改進(jìn)逆變器和儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)本公司經(jīng)驗(yàn)來看，還需進(jìn)一步強(qiáng)化智能化運(yùn)維和數(shù)據(jù)分析，以求降低運(yùn)維成本并提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。