陳建國，張金劍，虞立濤

(蘇州中康電力開發(fā)有限公司，江蘇 張家港　215600)

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基于溫度修正的光伏電站發(fā)電性能評價指標對比分析

陳建國，張金劍，虞立濤

(蘇州中康電力開發(fā)有限公司，江蘇 張家港215600)

摘要：系統(tǒng)效率(PR)指標是常用的電站評價參數(shù)，目前關(guān)于光伏電站PR的計算普遍按照IEC61724—1998《光伏系統(tǒng)性能監(jiān)測、測量、數(shù)據(jù)交換和分析導則》的規(guī)定進行計算，而未考慮組件電池片溫度的影響，故在冬季和夏季會造成PR計算值和實際值存在差異。在傳統(tǒng)PR公式的基礎(chǔ)上增加了溫度修正因子，對比了不同溫度修正方法的結(jié)果，得出Sunpower溫度修正法準確度相對較高的結(jié)論，并對不同電池片溫度計算方法進行了探討。

關(guān)鍵詞：光伏電站；系統(tǒng)效率；溫度修正；電池片

1系統(tǒng)效率(PR)指標背景介紹

近年來，我國光伏電站年新增裝機容量比往年有所提升，2014年新增裝機容量在全球排列第一。但在國內(nèi)光伏市場一片繁榮的同時，全國性的、統(tǒng)一的、完善的光伏電站評價標準體系尚未真正跟上步伐，其原因一方面是由于國內(nèi)對環(huán)境資源數(shù)據(jù)的采集重視不夠，發(fā)電場所沒有配備精確采集太陽輻照資源、組件溫度、環(huán)境溫度等氣象指標的監(jiān)控設(shè)施，另一方面缺乏對光伏電站發(fā)電性能正確、完整的評估方法，同時也缺乏長期可靠運行的光伏發(fā)電數(shù)據(jù)。

1998年，國際能源總署(IEA)發(fā)布IEC61724—1998《光伏系統(tǒng)性能監(jiān)測、測量、數(shù)據(jù)交換和分析導則》[1]，規(guī)定了3個光伏發(fā)電站發(fā)電性能指標，分別是理論發(fā)電小時數(shù)Yr(或稱標準等價發(fā)電小時數(shù))、滿發(fā)小時數(shù)Yf(或稱系統(tǒng)等價發(fā)電小時數(shù))和系統(tǒng)效率PR，定義見表1。其中Yr是單位面積的光伏陣列傾斜面總輻射量與光伏電池標準測試條件下的標準輻照度之比，也稱方陣峰值日照小時數(shù)，從一定程度上反映了當?shù)氐妮椪账?；Yf表示一段時間內(nèi)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)最終并網(wǎng)的交流發(fā)電量與光伏系統(tǒng)的額定功率之比，單位為h，EAC是光伏系統(tǒng)裝機容量歸一化后的發(fā)電量，可用于不同裝機容量的光伏系統(tǒng)的比較，也稱為發(fā)電能力；PR又稱質(zhì)量因數(shù)，是評價光伏電站效率最重要的指標之一，是電站實際輸出功率與理論輸出功率的比值，反映整個電站扣除所有損耗后(包括輻照損失、線損、器件損耗、灰塵損失、熱損耗等)實際輸入到電網(wǎng)電能的一個比例關(guān)系。電站的PR值越接近100%，說明該電站的運行效率越高，但由于有些損耗是不可避免的，所以現(xiàn)實情況下PR不可能達到100%，一般情況下，運行較好的并網(wǎng)光伏電站PR能夠達到80%及以上。

表1　光伏發(fā)電性能評價指標參數(shù)的定義

注:Ht為陣列斜面總輻射量，(kW·h)/m2；EAC為最終交流發(fā)電量，kW·h；P0為光伏電站標準測試條件(STC)下的額定功率(或稱光伏電站標稱裝機容量)，kW；ESTC為標準輻照度，ESTC=

1kW/m2。

PR的另一種公式表示方法為實際發(fā)電量/理論發(fā)電量，其中理論發(fā)電量=方陣斜面輻射量×方陣所有組件總面積×組件轉(zhuǎn)換效率。經(jīng)過推導就會發(fā)現(xiàn)，雖然表示方法不同，但實際上就等于Yf和Yr的比。

PR指標是目前常用的電站評價參數(shù)，對于同一地區(qū)的各個電站，如果太陽輻射資源和氣候情況比較相似，那么可以通過PR，Yr和Yf來進行對比，但對于不同地區(qū)的電站，由于輻射資源不同，環(huán)境溫度也不同，直接使用PR來對比是不準確的。上述PR公式并未考慮到溫度的影響，晶硅組件的功率溫度系數(shù)是負溫度系數(shù)，當溫度升高時功率會降低，溫度降低時則相反，特別是在冬季低溫、均勻輻照度下，PR計算值會偏高，而在夏季高溫、均勻輻照度下，PR值會偏低。溫度差異造成的PR值偏低并不屬于電站本身的質(zhì)量問題，容易引起電站運維人員誤判。因此，業(yè)內(nèi)研究人員提出了對原有PR計算公式進行溫度修正(CPR)。圖1為某電站CPR和PR的計算結(jié)果對比，當PR和CPR以年為分析周期進行計算比較時，其結(jié)果相差不大，僅1%左右，但在冬季和夏季PR就會出現(xiàn)明顯偏高或偏低。通過溫度修正后，CPR可以更加準確地反映實際運行情況。經(jīng)查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻，公開報道的關(guān)于對溫度系數(shù)的修正方法至少有3種以上，其中重要的差異來源于電池片結(jié)溫的計算以及不同的修正方法。

圖1　PR和CPR的比較(算例)

PR和CPR是電站評價的重要指標，國外也有其他機構(gòu)采用了其他評價方法，如能量性能指標(EPI)和功率性能指標(PPI)，其計算方法和各自的用途也不盡相同，如不同氣候地區(qū)的電站設(shè)計驗證、投資決策和長期的發(fā)電性能比較可使用CPR，電站發(fā)電性能的衰減情況可用EPI指標，運維前、后短期的發(fā)電性能比較可用PPI指標。但不論是哪一種指標，理論發(fā)電量的計算至關(guān)重要，是否需要采用溫度修正及其他補償因子等都需要考慮。

2基于溫度修正的CPR

CPR的計算公式如下，即在原有的PR計算公式上除以溫度修正系數(shù)ktemp。

(1)

式中：kCPR為CPR計算值；kPR為PR計算值。

從相關(guān)文獻查閱可知，PR溫度修正系數(shù)的計算方法主要包括以下幾種。

2.1標準修正法[2]

標準修正法是將溫度條件修正到標準測試條件下的溫度(25 ℃)，修正系數(shù)為

(2)

式中：δ為光伏組件的功率溫度系數(shù)(為負值)；tcell為實測評估周期內(nèi)電池的平均工作結(jié)溫，℃；tcell,STC為STC下的溫度，25 ℃。

2014年12月制訂的《光伏電站性能檢測與質(zhì)量評估技術(shù)規(guī)范》也采用該方法對PR進行修正，它對電池平均工作結(jié)溫的計算是按照GB/T18210—2000《晶體硅光伏(PV)方陣》中的方法，即按照實測光伏組件的背板溫度推算結(jié)溫。此外，業(yè)內(nèi)也有將方陣平面所接收的輻射能量作為權(quán)重的組件加權(quán)平均工作溫度。美國可再生能源實驗室(NREL)并不推薦將PR修正到25 ℃條件，因為雖然這樣可以消除PR因季節(jié)性氣候帶來的溫度影響，但和實際值相比可能還會偏高，下文有具體算例加以說明。

2.2基于太陽電池標稱工作溫度(NOCT)的修正方法[3-6]

IEC61215—2005《地面用晶體硅光伏組件-設(shè)計鑒定和定型》中規(guī)定NOCT的測試條件為光伏電池在輻照度為800W/m2，環(huán)境溫度為20 ℃，風速為1m/s，NOCT模型主要是為了預測太陽能電池工作溫度，該方法認為光伏電池的工作溫度與環(huán)境溫度之差和太陽輻射成線性關(guān)系，據(jù)此計算得到光伏電池的實際工作溫度。

NOCT修正系數(shù)ktemp,NOCT為

(3)

式中：tcell,NOCT為NOCT修正法下的實測評估周期內(nèi)電池的平均工作結(jié)溫；ta為環(huán)境溫度，℃；tNOCT為NOCT條件下的電池片結(jié)溫，℃，一般為(45±2) ℃；ta，NOCT為NOCT條件下的環(huán)境溫度，ta，NOCT=20 ℃；E為方陣平面上的太陽輻照度，W/m2；ENOCT為NOCT條件下的輻照度，ENOCT=800W/m2；η/τa=0.083/0.9，為常數(shù)。

2.3基于Sandia溫度模型的SunPower溫度修正方法

美國Sandia實驗室經(jīng)過多年研究，得出了光伏組件背板溫度與環(huán)境參數(shù)之間的通用關(guān)系式，電池片結(jié)溫公式為[5-7]

(4)

式中：tm為光伏組件背板的實測平均溫度，℃；Δt為標準輻照度下背板溫度與電池片溫度的差值，這是一個由實驗確定的經(jīng)驗值，與光伏組件類型及安裝方式相關(guān)。

在有些情況下現(xiàn)場不能安裝熱電耦探頭，那么組件的背板溫度就無法進行測試，這時可以從環(huán)境溫度來估算組件背板溫度，其經(jīng)驗公式為

(5)

式中：v為10m高度的實測風速；a，b為由實驗確定的經(jīng)驗系數(shù)，a描述了輻照度對組件溫度的影響，b描述了風速對組件溫度的減小作用，參數(shù)見表2。

綜合式(4)和式(5)式可得電池片結(jié)溫的最終計算公式為

(6)

SunPower公司和NREL實驗室在基于Sandia模型的基礎(chǔ)上得出了PR溫度修正系數(shù)ktemp,sp，計算公式為

表3　不同計算周期下tcell加權(quán)平均工作溫度對CPR的影響

表2　Sandia溫度模型參數(shù)[6]

ktemp,sp=1+δ(tcell-tcell-sim-avg) ，

(7)

(8)

式中：tcell-sim-avg為以電站方陣平面接受輻射能量為權(quán)重的組件加權(quán)平均工作溫度，一般以1年為計算周期，因此高輻照的權(quán)重因子將比低輻照下的權(quán)重因子高，當輻照為0時，權(quán)重因子就變?yōu)?[6]；tcell_sim_j為第j小時的電池片計算工作溫度；EPOA_sim_j為第j小時的組件平面輻照度，W/m2。

如果組件的加權(quán)平均工作溫度以天為單位進行計算，則PR和CPR的值幾乎相等。某電站不同周期的加權(quán)平均溫度計算見表3，某1天內(nèi)CPR和PR都為93%，但以1年的電池加權(quán)平均溫度42 ℃計算，則PR值會偏高。

CPR的計算步驟如下[6]。

(1)以戶外方陣平面輻照度的采集時間間隔為最小計算時間單位，如數(shù)據(jù)5min采集一次。環(huán)境監(jiān)控儀采集環(huán)境溫度和風速數(shù)據(jù)，通過式(6)可計算每個采集時間點對應(yīng)的電池片工作溫度。

(2)計算1年內(nèi)的組件加權(quán)平均工作結(jié)溫。

(3)使用式(7)溫度修正系數(shù)并以數(shù)據(jù)采集間隔5min為步長，計算理論發(fā)電量，公式為

(9)

式中：PSTC為光伏組件的標稱功率；EPOAi為光伏組件陣列平面的輻照度；tcell_i為光伏組件電池片的工作溫度；tstepi為數(shù)據(jù)采集間隔步長，以小時計。

(4)統(tǒng)計計算周期內(nèi)的所有理論發(fā)電量之和，實際發(fā)電量除以該值即為CPR的值。

為了較準確計算一個電站的CPR值，輻照度、環(huán)境溫度和風速的采集盡量做到準確、連續(xù)，測試收集的周期最好為1年，電池片結(jié)溫計算的時間間隔最好不要超過1h，因為1h內(nèi)溫度可能波動很大。

2.4不同溫度修正法的結(jié)果比較

運用上述CPR的各種修正方法，以某電站冬季某天的發(fā)電量為算例進行比較，圖2為某天各個不同溫度修正方法的CPR和PR的比較，WeightedTempSTC法以標準修正法為基礎(chǔ)，tcell是采用輻射能量為權(quán)重的組件加權(quán)平均工作溫度。從結(jié)果可知，PR值明顯偏高，Sunpower法計算的CPR值較小，盡管STC法和NOCT法均修正到STC條件25 ℃，但PR值仍然偏高。

圖2　基于不同溫度修正方法的CPR和PR比較

3不同電池片溫度的計算方法比較

電池片溫度的計算對于溫度修正系數(shù)非常重要，除上述介紹的NOCT法、Sandia經(jīng)驗公式法外，文獻[8]提到的還有一種和NOCT法比較相似的方法，稱為TextBook法，不同之處在于增加了風速影響因子，其公式為

(10)

由于缺少實際測試數(shù)據(jù)，對上述3種計算方法進行簡單比較，計算周期從冬季某日08:03:00開始，16:18:00結(jié)束，3種方法得出的電池片溫度比較如圖3所示。原始環(huán)境溫度和輻照數(shù)據(jù)從軟件中獲取了100個采集點(時間間隔為5min)，其中數(shù)據(jù)的準確度可能和實際有點誤差，但并不影響比較。從圖3可知，總體上NOCT法計算的值比Sandia法和TextBook法計算值要高，根據(jù)文獻[6]實測對比的結(jié)論，TextBook法計算的溫度和實際測試溫度偏離程度僅為4%左右，準確度較高，其次為Sandia法，兩者計算值和實際值的偏離程度均在容許范圍之內(nèi)。

圖3　電池片溫度計算方法對比

4結(jié)論

PR是光伏電站發(fā)電性能評價的重要指標，IEC61724—1998《光伏系統(tǒng)性能監(jiān)測、測量、數(shù)據(jù)交換和分析導則》規(guī)定的PR值計算方法不能絕對地直接表征不同地區(qū)光伏電站的優(yōu)劣性，對國際上基于溫度修正方法的CPR值計算法進行了總體介紹，通過比較，基于Sandia環(huán)境溫度模型的Sunpower法計算的CPR值準確度相對較高，但電池片加權(quán)平均溫度統(tǒng)計需要以1年為周期，因此會對當年的月度性能分析造成偏差，其解決方法可以參考歷年已計算的電池片加權(quán)平均溫度或借助于其他評價指標協(xié)同分析，如EPI，PPI等。

對電池片溫度的不同計算方法進行了比較，TextBook法和Sandia法計算可靠，且TextBook準確度更高，因此在Sunpower溫度修正方法中，溫度修正因子中的電池片溫度可以考慮使用TextBook溫度計算法。

光伏電站發(fā)電性能評價為電站經(jīng)營者更高效管理電站提供了較大幫助，在借鑒國外經(jīng)驗的同時，呼吁國內(nèi)應(yīng)在電站質(zhì)量和性能評價方面完善相應(yīng)的標準。作為電站運營管理企業(yè)，電站性能評價的前提是自有電站的管理已經(jīng)達到智能化水平，太陽輻照、溫度、風速等環(huán)境監(jiān)測的配套設(shè)施都已經(jīng)具備，這些條件有利于做好電站的性能評價工作。

參考文獻：

[1]光伏系統(tǒng)性能監(jiān)測、測量、數(shù)據(jù)交換和分析導則：IEC61724—1998[S].

[2]史君海,孫麗兵,張麗瑩.提高并網(wǎng)光伏發(fā)電效率分析與建議[J].電力與能源,2013,34(4):402-404.

[3]MATTEIM,NOTTONG,CRISTOFARIC,etal.CalculationofthepolycrystallinePVmoduletemperatureusingasimplemethodofenergybalance[J].RenewableEnergy,2006,31(4):553-567.

[4]HUANGBJ,YANGPE,LINYP,etal.SolarcelljunctiontemperaturemeasurementofPVmodule[J].SolarEnergy,2011,85(2):388-392.

[5]KEERATIMAHATK,BRUCEAG,COPPERJK,etal.TemperatureestimationofanunconventionalPVarrayusingthesandiamoduletemperaturemodel[C].Brisbane：AsiaPacificSolarResearchConference.2015.

[6]Weather-correctedperformanceratio[R].Denver:Nationalrenewableenergylaboratory, 2013.

[7]KINGD,BOYSONW,KRATOCHVILJ.Photovoltaicarrayperformancemodel[R].NewMexico:SandiaNationalLaboratories,2004.

[8]DUFFIEJA,BECKMANWA.Solarengineeringofthermalprocesses[M].Hoboken:JohnWiley&Sons,1991.

(本文責編：弋洋)

收稿日期:2015-11-20；修回日期:2016-03-17

中圖分類號：TM615

文獻標志碼：A

文章編號：1674-1951(2016)05-0073-04

作者簡介：

陳建國(1983—)，男，浙江臺州人，電站高級工程師，工學碩士，從事光伏電站設(shè)計、施工及電站運維等方面的工作(E-mail:jianguo1217@163.com)。

張金劍(1983—)，男，河南三門峽人，從事發(fā)電側(cè)業(yè)務(wù)運營管理、光伏系統(tǒng)項目技改及優(yōu)化方面的工作(E-mail:brucezhang.jinjian@gmail.com)。

虞立濤(1971—)，男，江蘇溧陽人，高級工程師，國家一級項目經(jīng)理，一級建造師，注冊安全工程師，質(zhì)量/安全/環(huán)境ISO體系外審員及全國電建專家，從事光伏電站資產(chǎn)的運營管理方面的工作(E-mail:ddylt@163.com)。