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提升光伏地面电站发电效率
——以天富能源股份有限公司20 MW光伏地面电站为例
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.石河子大学经济与管理学院）
摘 要：本文以新疆天富能源股份有限公司已投产运行的20 MW光伏地面电站为例,运用理论分析和实证分析相结合的方法,找出影响光伏电站发电效率的因素,并与电站的实际发电数据相结合,提出提升光伏地面电站的途径,对光伏电站的建设和运营有一定的参考价值.
关键词：光伏电站；发电效率；多路MPPT
收稿日期：２０16—03—07
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引言
太阳能资源是一种清洁的再生能源,符合国家产业政策.项目建成运行后,对当地经济社会发展具有较大的促进作用,经济效益、社会效益和环境效益明显.光伏发电是将太阳能直接转化为电能的过程,生产过程不产生任何有害物质及噪声,工程建设对当地大气环境、声环境、电磁环境无影响,对环境影响很小[1].光伏发电是环境效益最好的电源之一,是我国鼓励和支持开发的可持续发展的新能源.光伏发电站的建设代替燃煤电站的建设,将减少对周围环境的污染,并起到利用清洁可再生资源、节约不可再生的化石能源、减少污染及保护生态环境的作用,具有明显的社会效益和环境效益.
新疆占地面积广阔,适宜发展光伏地面电站.石河子日照资源也较为丰富.合理开发利用光能资源,是能源和环境可持续发展的需要,也是实现地区国民经济可持续发展的需要；是加快能源电力结构调整的需要,也是改善生态、保护环境的需要.
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天富光伏发电项目简介
新疆天富能源股份有限公司是集火电、水电、供电、供热、送变电设备安装、电力设计、房地产开发、信息技术开发、机电设备销售、水电热力设备安装为一体的上市公司,是石河子的能源基础支柱企业.
为了解决八师用电矛盾,调整八师能源结构,合理、有序地推动八师太阳能资源利用,实现八师太阳能发电产业快速、有序地大规模开发,新疆天富能源股份有限公司积极投身可再生能源电力项目的开发建设,已在兵团第八师一四八团投资建设大型并网光伏电站,一期建设容量为20 MW,该项目已于2014年11月底并网发电.太阳能电站光伏阵列单元由太阳能电池板、阵列单元支架组成.阵列单元按平板固定倾角式方案进行布置.
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影响光伏发电项目发电效率的因素分析
影响光伏发电项目投资效益的因素众多,主要可以分为自然因素、设备因素及政策因素等.
3.1
自然因素
3.1.1
太阳辐射量的影响
太阳电池组件的光电转换效率在一定的情况下,太阳的辐射强度决定了光伏系统的发电量.光伏系统对太阳辐射能量的利用效率仅有10%左右（太阳电池效率、灰尘损失、蓄电池效率、组件组合损失、控制逆变器损失、线路损失等）,光伏电站的发电量取决于太阳辐射强度,太阳的辐射强度及光谱特性是随着气象条件的变化而改变的.
3.1.2
太阳的方向角因素影响
从倾斜面上的太阳辐射总量和太阳辐射的直散分离原理可推断出：倾斜面上的太阳辐射总量是由天空散射量、直接太阳辐射量和地面反射辐射量三部分组成.每天,太阳光照与太阳能光伏电池板之间的角度随时间的变化在不断变化,这也将直接影响组件的功率输出.在黎明时,“组件”的输出功率为零值,随时间推移逐渐上升,并随着太阳入射角的变化,相同维度的条件下,阵列朝向东方的组件产生的功率将会是朝正南方向的84%.
3.1.3
温度因素影响
光伏组件的输出功率随着组件温度的升高而相应减小.温度每上升1 ℃,晶体硅太阳电池的最大输出功率将下降0.04%,开路电压也随之下降0.04%.而短路电流将上升.当太阳光直射屋顶上的光伏组件时,组件内部温度将会达到50 ~ 70 ℃.对单晶硅组件而言,温度的升高将导致组件功率下降至实际功率的90%.
3.1.4
堆积灰尘因素影响
据统计,电站的灰尘损失可能达到6%,因此组件需要经常擦拭,以保证正常发电量的产出.堆积在太阳能电池板表面的灰尘将影响太阳光的透射,并因此而减少输出功率.按照经验计算,一般情况下每年由于尘埃因素造成的系统功率下降大约为原额定值的93%.
3.1.5
冬季及降雪的影响
北疆冬季漫长且降雪较多,堆积在电池组件上的厚雪无法自行融化,将使项目发电量大幅降低,甚至直接降为0.因此,降雪成为影响冬季光伏电站收益的重要因素.
3.2
设备因素
3.2.1
电池组件原料硅的转化率直接影响发电量
目前太阳能光伏电池主流的原材料是硅,因此硅材料的转化率一直是制约太阳能光伏产业进一步发展的重要因素.而今硅材料转化率的经典理论极限为40%.但在实验室创造的记录为29%,目前商业运行的光伏电站的转化率一般为14% ~ 16%.根据和国家能源局、国家认监委联合发布的《关于促进先进光伏技术产品应用和产业升级的意见》,规定光伏发电项目新采购的光伏组件应满足《光伏制造行业规范条件》（2015年） 相关产品技术指标要求.“其中,多晶硅电池组件和单晶硅电池组件的光电转换效率分别不低于15.5%和16.0%；高倍聚光光伏组件光电转换效率不低于28.0%；硅基、铜铟镓硒（CIGS）、碲化镉（CdTe）及其他薄膜电池组件的光电转换效率分别不低于8.0%、11.0%、11.0%和10.0%；多晶硅、单晶硅和薄膜电池组件自项目投产运行之日起,一年内衰减率分别不高于2.5%、3.0%和5.0%,之后每年衰减率不高于0.7%, 项目全生命周期内衰减率不高于20.0%. 高倍聚光光伏组件自项目投产运行之日起,一年内衰减率不高于2%,之后每年衰减率不高于0.5%,项目全生命周期内衰减率不高于10 %.”
3.2.2
组件匹配及线路因素影响
光伏系统的直流、交流回路的线损要控制在5%以内.为此,设计上要求采用导电性能好的导线,且导线需要有足够的直径.施工绝不允许有偷工减料.并且系统维护时要特别注意接插件以及接线端子是否牢固.凡是并连就会由于组件的电压差异造成电压损失；凡是串连就会由于组件的电流差异造成电流损失.
3.2.3
直流转换为交流因素的影响
太阳能光伏电池组件产生的直流电必须经过光伏逆变器才能转换成一定标准的交流电输入电网.在这个转换过程当中也将损失部分能量,同时直流电从屋顶组件传到逆变器及用户配电柜的线路时,也将损失部分能量.目前,家用太阳能光伏发电系统中使用的逆变器的峰值效率一般都在98%左右,这是光伏逆变器生产厂商给出的峰值效率,一般是在工厂相当良好的环境控制条件下测得的.然而控制器的充电回路、放电回路压降均不得超过系统电压.目前主流逆变器标称效率在80％ ～ 95％之间[2-3].
3.3
政策因素
国家对光伏发电项目按照发电量进行补贴,主要政策为电价补贴政策.根据国家发展改革委《关于发挥杠杆作用促进光伏产业健康发展的通知》发改[2013]1638号,石河子属于二类地区,电价为0.95元/度.光伏电站标杆上网电价高出当地燃煤机组标杆上网电价（含脱硫等环保电价,下同）的部分,通过可再生能源发展基金予以补贴.对分布式光伏发电实行按照全电量补贴的政策,电价补贴标准为0.42元/kW·h（含税,下同）,通过可再生能源发展基金予以支付,由电网企业转付.其中,分布式光伏发电系统自用有余上网的电量,由电网企业按照当地燃煤机组标杆上网电价收购.
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天富光伏发电效率及投资效益分析
天富光伏发电项目投资概算包括光伏电站、集电电缆、场区道路、接入系统以及配套建设的生产管理用房等.工程设计总投资为19 908.71万元,静态投资为19 403.19万元,单位千瓦静态投资9 701.60元,单位千瓦动态投资9 954.44元.
项目运营期年平均上网电量25 550 MW/h,根据《国家发展改革委关于完善太阳能光伏发电上网电价政策的通知》（发改[2011]1549号）文件规定,工程上网电价为0.812元/kW·h（不含增值税,含增值税为0.95元/kW·h）计算,销售收入总额（不含增值税）5 3935.77万元.贷款偿还期为15年,全部投资财务内部收益率（税后）为8.14％,投资回收期（税后）为10.97年,自有资金内部收益率为13.94％,投资利税率为4.38％,总投资收益率6.16％,通过设计可以看出,项目具有一定的盈利能力.
实际运行过程中,为提升发电效率,将20 MW装机分成东、西两区,采用不同规格的组件及不同类型的逆变器.即西区10 MW采用255 W组件,使用500 kW集中式逆变器,东区10 MW采用260 MW组件,使用28 kW组串式逆变器.经过近100 d的运行对比,东区平均每日多利用光照13.5 min,平均每日多发电1 658度.运行将近一年来,整个电站平均日发电量为11.03万度,略高于设计值.
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提升光伏电站发电效率的途径
根据理论计算及实际运行经验,通过以下途径可提升光伏电站发电效率.
5.1
设计标准化
设计标准化对光伏电站的主要损耗进行了针对性的优化设计,提高了系统效率,比如将各个月份的太阳辐射量与系统效率分布的匹配优化,或者组件与逆变器容量和工作电压的匹配优化等,如此标准化设计也便于运维制度的统一运行,同时,运维经验可以进行复制推广,有利于运维方案的改善和提高.
5.2
做好关键设备选型
关键设备奉行质量第一的原则,同时兼顾成本控制.特别要注意光伏组件的性能与安全,建议使用一流品牌；支架关注其可靠性,需要耐得住环境的腐蚀；汇流箱则关注断路器选型和过载能力；而逆变器则重点看它的逆变效率和电能质量,一般来说,一个电站尽量不要超过2种品牌[4-5].组串式逆变器是多路MPPT的技术方案,不仅可以提高发电量,而且不需要建设逆变器房,对于设计、施工都是比较大的简化.
相对集中式逆变器,智能光伏电站解决方案每台逆变器（28 kW）有3路MPPT跟踪,1 MW方阵36台逆变器共108路MPPT,管理更加精细,能有效应对组串失配,而传统集中式方案1 MW方阵2台逆变器共2路MPPT,组串失配对发电量影响非常大.通过大量项目案例分析总结,多路MPPT减少组串失配损失4%以上.减少系统自耗电,也是提升系统发电量的一个方面.智能光伏电站系统构成简单,自耗电少,相比复杂的传统方案,能减少逆变系统损失1%以上（风扇、机房等辅助供电）.
5.3
规范化的施工和运维管理
项目建设过程施行三位一体的管理制度,由业主、施工单位与监理单位协同合作,保证项目的进度和质量.
通过远程监控中心检测光伏电站的太阳辐射量、发电量、系统效率、关键设备的性能指标等,可以总结系统效率的规律和影响因子.有必要建立区域性维护中心,由一支独立、专业的检修队伍直接对口各项目公司电站,并专一负责电站的抢修及春、秋检.
5.4
及时清扫灰尘及降雪
灰尘及降雪是影响发电效率较大且运营维护中可控的自然因素.电站运行中及时组织运行人员清扫灰尘和积雪.在光伏电站裸露地面种植苜蓿等植被,不可种植区域洒水碾压使地表结皮,防止扬尘.及时清扫组件表面灰尘,组件表面灰尘可见时即组织人工清扫.购置扫雪除尘车辆1台,可洒水及扫雪.冬季雪停立即组织清扫,提升发电利用小时数以提高运行效率.
6
小结
通过分析影响光伏电站发电效率的自然及设备因素,并结合电价补助政策等影响效益的因素,对照天富光伏电站运行实际,提出设计标准化、施工规范化、做好关键设备选型和运维管理以及时清扫灰尘等提升发电效率的对策和措施,为新疆光伏电站建设和运营提供借鉴和参考.
参考文献
[1]李伟,李世超,.太阳能光伏发电风险评价[J].农业工程学报,2011（5）：176-178.
[2]王庆一.可再生能源的现状和前景（下）[J].电力技术经济,2007,19（3）：23-25.
[3]李碧君,方勇杰,杨卫东,等.光伏发电并网大电网面临的问题与对策[J].电网与清洁能源,2010,26（4）：52-58.
[4]简德三.项目评估与可行性研究[M].上海：上海财经大学出版社,2009.
[5]穆献中,刘炳义.新能源和可再生能源发展与产业化研究[M].北京：石油工业出版社,2009.
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