肖黎明

(南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，南京 210044)

設(shè)備衰減率對太陽能光伏發(fā)電利用小時數(shù)的影響分析

肖黎明

(南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，南京 210044)

發(fā)電利用小時數(shù)是判斷太陽能光伏電站運(yùn)營狀況的核心指標(biāo)，這個指標(biāo)受多種因素的影響。除去自然因素和棄光限電影響，設(shè)備性能和運(yùn)維水平對利用小時數(shù)的影響，則需太陽能產(chǎn)業(yè)界通過自身努力去逐步解決。通過對某太陽能光伏電站進(jìn)行跟蹤后評估，測算出其電池衰減率對發(fā)電利用小時數(shù)的影響，即衰減率每提高1%，影響利用小時數(shù)12 h。這對光伏設(shè)備廠家和光伏發(fā)電站上下游協(xié)同發(fā)展均提出了新的技術(shù)創(chuàng)新要求。

太陽能；光伏發(fā)電；光伏電站；衰減率；利用小時數(shù)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，能源需求持續(xù)增長，能源環(huán)境問題日益突出，加快開發(fā)利用可再生能源已經(jīng)成為可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢。隨著太陽能技術(shù)的成熟和成本的顯著下降，世界上許多國家已將太陽能作為重要的新興產(chǎn)業(yè)。

當(dāng)前，我國正以推動低碳循環(huán)發(fā)展，建設(shè)清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系為目標(biāo)。可再生能源，尤其是太陽能光伏發(fā)電因具有資源分布廣、開發(fā)潛力大、環(huán)境影響小、可永續(xù)利用等特點(diǎn)，在許多地區(qū)能源供應(yīng)體系中占有更加重要的地位。大力發(fā)展光伏發(fā)電是落實(shí)“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”五大發(fā)展理念和保障能源安全、加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)、應(yīng)對氣候變化的重要措施，也是調(diào)整優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)變能源發(fā)展方式的重要內(nèi)容。

太陽能光伏發(fā)電在我國有著廣闊的發(fā)展前景。國家能源局下發(fā)的《太陽能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中明確提出：到2020年年底，全國太陽能發(fā)電裝機(jī)要達(dá)到110 GW，其中，光伏發(fā)電裝機(jī)達(dá)到105 GW以上，在“十二五”基礎(chǔ)上每年保持穩(wěn)定的發(fā)展規(guī)模；太陽能熱發(fā)電裝機(jī)達(dá)到5 GW。到2020年，太陽能年利用量達(dá)到1.4億t標(biāo)準(zhǔn)煤以上。結(jié)合國情，按照因地制宜、形式多樣的思路，引導(dǎo)太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。

我國光伏產(chǎn)業(yè)體系不斷完善，技術(shù)進(jìn)步顯著，光伏制造和應(yīng)用規(guī)模均居世界前列。在政策大力支持下，目前我國光伏發(fā)電已全面進(jìn)入規(guī)?；l(fā)展階段，技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級加快，太陽能市場競爭力迅速提高，光伏發(fā)電成本持續(xù)降低，但太陽能發(fā)電的利潤卻苦樂不均。對已投運(yùn)光伏發(fā)電項目來說，影響其收益的因素很多，造價已經(jīng)固定，發(fā)電利用小時數(shù)就成為其核心衡量指標(biāo)了。

1 光伏電池發(fā)展?fàn)顩r

近年來，我國太陽能電池(又稱光伏電池)與組件規(guī)模迅速擴(kuò)大的同時，產(chǎn)業(yè)化光伏電池與組件效率也大幅提升。2014年，高效多晶太陽能電池產(chǎn)業(yè)化平均效率達(dá)17.5%以上，2014年年底最高測試值已達(dá)20.8%；單晶太陽能電池產(chǎn)業(yè)效率達(dá)19.0%以上，效率已達(dá)到或超過國際平均水平。2015年，我國多晶及單晶太陽能電池產(chǎn)業(yè)化平均效率分別達(dá)到18.3%和19.5%。

地面光伏電站初始投資占光伏電站成本的80%以上，主要包括光伏組件、并網(wǎng)逆變器、配電設(shè)備及電纜、電站建設(shè)安裝、土地租賃等成本，其中，光伏組件投資成本占初始投資的近6成。因此，提升光伏電池組件效率、推動制造工藝進(jìn)步以及降低原材料價格等因素，都會進(jìn)一步降低光伏發(fā)電成本。

經(jīng)測算，光伏組件效率每提升1%，相當(dāng)于光伏發(fā)電系統(tǒng)價格下降10%；但當(dāng)電池出現(xiàn)超衰減時，又將導(dǎo)致發(fā)電利用小時數(shù)下降，從而降低光伏電站的收益。光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，高效電池或其他新型電池的研發(fā)和普及，帶來轉(zhuǎn)換效率的提升和使用壽命的延長，增加了發(fā)電利用小時數(shù)，促使太陽能光伏發(fā)電成本的進(jìn)一步下降。

2 晶體硅太陽能電池組件功率衰減

硅是一種良好的半導(dǎo)體材料，儲量豐富，性能穩(wěn)定，是太陽能電池研究開發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用中的主體原料。

晶體硅光伏組件由鋼化玻璃、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)膠膜、電池片、背板、鋁邊框、接線盒、硅膠等組成，是按照一定的生產(chǎn)工藝進(jìn)行封裝，在一定的光照條件下達(dá)到一定輸出功率和輸出電壓的光伏器件。光伏電站投運(yùn)后，隨著光照時間的增長，組件輸出功率呈逐漸下降趨勢。

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是由光伏電池、充放電控制器、監(jiān)控設(shè)備和蓄電池以及一些輔助設(shè)備部件組成。光伏發(fā)電的原理：陽光照射太陽能電池表面，光子被太陽能電池的硅材料吸收，使太陽能電池內(nèi)的電子發(fā)生變化；太陽能電池與外部電路連接時，產(chǎn)生輸出功率，即光能轉(zhuǎn)化為電能；太陽能電池連接的蓄電池組將光能轉(zhuǎn)化為電能儲存起來，進(jìn)而輸送到電網(wǎng)中，再經(jīng)過變壓輸送到用戶。

3 計算太陽能電池功率

當(dāng)前，影響太陽能發(fā)電利用小時數(shù)的因素主要有3個方面：(1)受氣候、地形、光照、環(huán)境等影響的自然因素；(2)受調(diào)度、負(fù)荷、季節(jié)等影響的棄光限電因素；(3)受設(shè)備性能和運(yùn)行維護(hù)管理水平影響的技術(shù)因素。自然因素不可逆，只能在今后選址時總結(jié)經(jīng)驗，吸取教訓(xùn)；棄光限電現(xiàn)象需要政策引導(dǎo)和保護(hù)才能解決消納問題，非電站個體能夠解決。而設(shè)備性能和運(yùn)行維護(hù)水平，則需太陽能產(chǎn)業(yè)上游制造以加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新、提升產(chǎn)品性能質(zhì)量、降低成本為核心任務(wù)，為下游市場大規(guī)模發(fā)展創(chuàng)造條件；下游市場應(yīng)用的核心任務(wù)則是提升運(yùn)行維護(hù)管理水平，以此來共同提高設(shè)備發(fā)電利用小時數(shù)。

太陽總輻射的大小直接影響光伏電池出力的大小。要進(jìn)行光伏發(fā)電功率預(yù)測，首先要對太陽輻照與光伏發(fā)電功率的相關(guān)性進(jìn)行研究并建立光伏電站出力模型，進(jìn)而得到光伏電站的輸出功率。根據(jù)各地氣候、自然環(huán)境的較大差異，開展光伏電站發(fā)電功率影響研究，將有效提高光伏發(fā)電功率的預(yù)報、預(yù)測能力，對提高光伏發(fā)電利用小時數(shù)、指導(dǎo)光伏發(fā)電發(fā)展和布局有積極作用。

每日有效日照按6.5 h，逆變器轉(zhuǎn)換效率按90%計，輸出功率為100 W時，實(shí)際需要輸出功率應(yīng)為100 W/90%=111 W。若每天使用5 h,則每天耗電量為555 W·h?？紤]充電效率和充電過程中的損耗，太陽能電池板的輸出功率應(yīng)為555 W·h/6.5 h/70%=122 W，式中：70%為充電過程中太陽能電池的實(shí)際功率的百分?jǐn)?shù)。

當(dāng)輸出功率為100 W時，每年輸出的電能為6.5 h/d×122 W×365 d=289.4 kW·h。這為接下來計算電池衰減率奠定了基礎(chǔ)。

4 光伏組件功率衰減

對已投運(yùn)光伏電站運(yùn)營效益進(jìn)行后評估分析，年發(fā)電利用小時數(shù)是其最重要的量化指標(biāo)。通常通過實(shí)際年發(fā)電利用小時數(shù)與可研年發(fā)電利用小時數(shù)進(jìn)行對比，判斷分析出差異成因。

電量是電廠的生命線。對在運(yùn)機(jī)組來說，年發(fā)電利用小時數(shù)直接影響著光伏電站的投入產(chǎn)出比。對于光伏電站而言，如果天氣、氣溫及光照度年偏差不大，設(shè)備運(yùn)行情況正常，而實(shí)際年發(fā)電利用小時數(shù)與可研年發(fā)電利用小時數(shù)偏差大，拋開人為管理因素，就應(yīng)重點(diǎn)檢測是否是因電池板衰減率大，影響機(jī)組性能，導(dǎo)致發(fā)電利用小時數(shù)下降，從而降低投資回報。

近年來，統(tǒng)計匯總分析發(fā)現(xiàn)，太陽能光伏組件衰減率的大小，已經(jīng)成為影響光伏發(fā)電量的重要因素之一。

4.1 光伏組件衰減率的測試方法

光伏組件衰減率是指光伏組件運(yùn)行一段時間后，在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下最大輸出功率與投產(chǎn)運(yùn)行初始最大輸出功率的比值。標(biāo)準(zhǔn)測試條件：大氣質(zhì)量(AM)，1.5；組件溫度，25 ℃；輻照度，1 000 W/m2。

光伏組件衰減率的確定可采用加速老化測試方法、實(shí)地比對驗證方法或其他有效方法，其中，實(shí)地比對驗證方法更適用于在運(yùn)機(jī)組的性能檢測。

實(shí)地比對方法是自組件投產(chǎn)運(yùn)行之日起，根據(jù)項目裝機(jī)容量抽取足夠數(shù)量的組件樣品，按照GB/T 6495.1—1996《光伏器件 第1部分：光伏電流-電壓特性的測量》規(guī)定的方法，測試其初始最大輸出功率后，與同批次生產(chǎn)的其他組件安裝在同一環(huán)境下正常運(yùn)行發(fā)電，運(yùn)行之日起1年后再次測量其最大輸出功率，將前后兩次最大輸出功率進(jìn)行對比，依據(jù)衰減率計算公式計算出光伏組件發(fā)電性能的衰減率。計算公式為

100% ，

式中：Pmax為最大輸出功率。

4.2 光伏組件衰減率檢測實(shí)例

對南方某地在運(yùn)光伏電站運(yùn)行指標(biāo)進(jìn)行跟蹤測試，發(fā)現(xiàn)其呈典型的衰減率偏大狀況，這為今后機(jī)組選型和運(yùn)行維護(hù)提供了參考。

表1為該光伏電站投運(yùn)以來，連續(xù)5年實(shí)際利用小時數(shù)完成與可研情況的比較。

表1 2011—2015年發(fā)電利用小時數(shù)比較

注：表中差異值=實(shí)際值-可研值。

實(shí)際利用小時數(shù)較可研利用小時數(shù)存在一定差異是正?，F(xiàn)象，但當(dāng)差異值較大時，就應(yīng)通過實(shí)地比對方法檢測其光伏電池衰減變化情況。在檢測時，通過測定送檢電池的最大功率、電壓、電流等指標(biāo)，計算出最大功率和填充因子，從而判斷出衰減率情況。

4.3 檢測指標(biāo)

已知該光伏電站可研最大功率是275 Wp，可研填充因子為80%，年衰減率為1%，在標(biāo)準(zhǔn)試驗條件下測得相關(guān)指標(biāo)見表2。

表2 衰減率測算主要指標(biāo)

最大功率Pmax=UmpImp=33.09×6.993=231.4(Wp)。功率曲線如圖1所示。

圖1 功率曲線

4.4 檢測結(jié)果

通過對送檢的部分多晶硅光伏電池組件進(jìn)行檢測和計算，實(shí)際測得該塊電池輸出最大功率為231.4 Wp，較可研(275 Wp)低了43.6 Wp。

填充因子是電池品質(zhì)的量度，實(shí)際上是最大輸出率除以理想目標(biāo)的輸出功率。多晶硅填充因子一般在60%～85%，其值越高，表明電池性能越好。

對該光伏電站填充因子進(jìn)行測算：

100%=64% 。

平均填充因子(FF)為64%，由4.1中公式計算，該光伏電站光伏組件衰減率=(275-231.4)/275×100%=16%。

由此可推定出，在設(shè)定的技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)下，對照光伏組件技術(shù)參數(shù)要求值，以5年作為產(chǎn)品運(yùn)行使用時間，多晶硅光伏電池組件在標(biāo)準(zhǔn)試驗條件下，其平均最大輸出功率較可研低43.6 Wp，5年運(yùn)行使用期限內(nèi)輸出功率衰減不超過峰值功率的5%，實(shí)際平均衰減率卻高出了11%。其平均衰減率已接近25年設(shè)計運(yùn)行使用生命周期的20%，直接影響了發(fā)電效率。

4.5 經(jīng)濟(jì)性影響

對于本文中示例的該10 MW光伏電站，在平均衰減率高出可研設(shè)定值11%的情況下，年影響發(fā)電量1.32 GW·h。也即衰減率每提高1%，影響利用小時數(shù)12 h，減少發(fā)電量120 MW·h。

按照1元/(kW·h)的太陽能上網(wǎng)電價測算，影響該光伏電站年銷售收入132萬元，對一般起步階段的光伏發(fā)電企業(yè)仍是個不小的數(shù)字。

5 結(jié)論

結(jié)合以上測算結(jié)果，設(shè)備衰減率對太陽能光伏發(fā)電利用小時數(shù)的影響，可以從技術(shù)和應(yīng)用兩個方面來加以改進(jìn)。

(1)在技術(shù)方面，光伏廠家應(yīng)更加重視對單晶硅電池片在封裝之前進(jìn)行光致衰減，做好每個質(zhì)量控制點(diǎn)的管控，是增加太陽能電池組件功率衰減的最佳途徑，可使用的手段包括利用紫外功能較強(qiáng)的背板、EVA膠膜等。通過提高光伏組件的輸出功率，增加太陽能光伏組件在實(shí)際工程應(yīng)用中的性價比，從而提升轉(zhuǎn)換效率，增加發(fā)電利用小時數(shù)。

(2)在應(yīng)用方面，光伏建設(shè)單位應(yīng)注意組件搬運(yùn)、安裝的正確操作，減少安裝過程中的損耗；在投運(yùn)后，光伏電站應(yīng)注意極端天氣的防范，以及注重灰塵、雨水的遮擋等。將光伏衰減率控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，做好日常運(yùn)行維護(hù)，加強(qiáng)精益管理，提升機(jī)組發(fā)電利用小時數(shù)，從而提升光伏電站的綜合效益。

綜上所述，解決好設(shè)備衰減率問題，需要廠家和電站雙方共同努力，實(shí)現(xiàn)上游制造與下游發(fā)電市場協(xié)同立體化創(chuàng)新發(fā)展，是當(dāng)前提升太陽能發(fā)電綜合競爭力的有效途徑。

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1674-1951(2017)12-0067-03

2017-11-14；

2017-11-29

(本文責(zé)編：白銀雷)

肖黎明(1975—)，男，江蘇蘇州人，高級工程師，博士研究生，從事電力系統(tǒng)分析、運(yùn)行與控制、氣象環(huán)境與新能源開發(fā)方面的研究工作(E-mail:new200404@126.com)。