屋頂光伏太陽能運行效能分析及解決方案

宋梅

摘 要：介紹了屋頂光伏太陽能的實際運行能效，分析了可能影響能效的原因，提出了解決方案。

關鍵詞：屋頂光伏；環境因素；組件損傷；控制系統

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.24.071

依據我國光伏平價上網路線圖，未來5年內光伏發電成本就將與火電相當。至2050年光伏裝機將占全球發電裝機的27%，成為第一大電力來源。中國光伏技術的持續革新將驅動新一輪產業高增長，以進一步降低度電成本，并逐步擺脫行業對補貼的依賴，進入健康的高增長周期。同時，在應用方面，中國也將終結“兩頭在外”的時代，成為引領全球光伏發展的絕對龍頭。我國已連續兩年新增裝機排名第一，在累計裝機量上今年將超越德國，成為新的光伏霸主。放眼未來，我國仍將是全球最主要的增量市場，2020年末裝機100GW的原目標將大概率突破[1]。

大唐（上海）電力能源公司投資建設了大唐上海綜合保稅區32MWP屋頂光伏項目，該項目被評為上海市金太陽示范項目。該項目采用用戶側并網發電，按各企業分片組成發電單元的方式設計和建設。電站采取在輕鋼屋面廠房、倉庫屋頂采取沿屋面坡度3度傾角方式安裝太陽能板。根據企業中每座廠房、倉庫屋頂光伏組件的容量和廠房內負荷大小合理劃分幾個區域，然后配備容量適當的逆變器，組成幾個獨立的發電單元，多點并網。采用國家統一招標規定的230Wp多晶光伏組件，并合理選擇設備配置，為下一步在上海乃至全國大面積推廣和發展建設做好經驗積累。自2012年投產來，光伏電站已成功運營了三年的時間。

1 光伏電站運行數據分析

電站自2013年投產運行以來，光能產出數據見表1。

光伏電站裝機容量為32MWp， 共170臺光伏發電機組，至2013年5月全部投產，由于設備維修等其他因素并未實現滿負荷發電。根據每月統計的產出數據統計出三年來發電量對比如圖2和圖3。

2013年因施工原因，投產機組逐漸增多。發電量在6月全部投產后呈指數上升趨勢，對比可見每年7-9月是發電量高峰期，而11月至1月則發電量較低。2014年和2015年發電量變化曲線變化基本一致，圖線變化與上海市氣象局統計的上海市平均光照曲線變化趨勢基本一致。因此光伏機組對太陽能的利用率與太陽輻射變化較為一致。

根據圖3中三年平均每臺產出數據，可看出其中2013年9月平均產出量最多，每臺機組的平均產出變化較大，機組工作狀態不穩定。通過對比發現，只有2013年9月的產出比例超出設計值，其他月份均與設計值相差較大。其中年度總發電量，2013年為設計值的46.3%，2014年為63.2%， 2015年為70%。均未達到設計值參考產能的75%及以上。

2 未達設計值影響因素

太陽能電站產除了受環境因素影響，還與自身構造、電池板材料有關。下面根據研究，可能會產生主要影響的要素分析如下：

2.1 環境因素對太陽能電池板能效的影響

溫度和太陽能輻射照度是影響太陽能設備輸出效率的兩個主要因素。其他環境因素，如風、雨、云層和太能輻射分布會通過對溫度和太陽能輻射度的間接影響從而影響設備效率[3]。

2.1.1 溫度

當光伏組件在環境溫度為25℃時工作時，其實際操作溫度將高于環境溫度，并導致最高14%的能源轉化損失[4]。一般來說，單晶硅額定電池工作溫度（NOCT）為40℃。NOCT是指當太陽能組件或電池處于開路狀態，并在以下具有代表性情況時所達到的溫度[5]。

（1）電池表面光強： 800 W/m2

（2） 環境溫度： 20℃

（3）風速：1m/s

（4）電負荷： 無（開路）

（5）傾角：與水平面成45°

（6） 支架結構：后背面打開

通過對光伏組件電能生產監控實驗發現[2]，高溫會導致組件產能下降。高風速會使環境溫度下降，從而降低了光伏組件工作溫度，提高產能。低溫是光伏組件的理想工作環境。當環境溫度高于25℃時，電能損失為標準測試條件（STC）功率的10%，光譜、組件衰減和其他因素會導致約7.7%的電能損失。

2.1.2 太陽輻射照度

太陽輻射照度通過影響光伏組件的多個輸出因數從而影響輸出效率。太陽能電池性能強烈依賴于光譜分布，不同的太陽能電池材料有不同的光譜輸出。因此光伏組件的不同材料在不同的光譜分布下將產生不同的電能輸出，光譜分布根據地點和每天時間段的不同而有所不同。

2.2 組件損傷

電池板不匹配導致的損毀的電池板會使太陽能電池板電流減小，在額定電壓范圍內工作時[6]，將電能以發熱形式散發，使得光伏組件溫度升高。當光伏組件在室外超時工作時溫度將進一步升高，將有可能導致不可逆轉的組件損傷。不被旁路二極管保護的不匹配電池組件將引起電能耗散并產生過熱點，從而引起組件損傷。

太陽能電站組件的室外工作功率往往低于額定功率。研究表明氣象條件會引起光伏組件效能損失達18%。盡管光伏電站設計使用時間為20-30年，但光伏組件的衰減和過早失效都應考慮在內。對組件潛在衰減的監控是十分必要的。

3 解決方案

3.1 加裝跟蹤式太陽能板

通過長達13個月的集線器模塊監控[3]，對跟蹤式太陽能板（TFP）和固定式太陽能板（FFP）得出如下結論。夏季固定式太陽能板接收的入射能遠大于直接照射時所接收能量，冬天則有相反的結果。跟蹤式太陽能板的電能轉化效率遠遠大于固定式太能板。研究表明跟蹤系統可以在清晨和傍晚的時間顯著段增大電能輸出。

3.2 引入控制系統進行監控

在太陽能系統中，太陽能輻射具有不可操作性，并且太陽能輻射隨著季節和時間變化而變化，在控制理論中這種變化成為一項干擾。太陽能電站的動態參數（非線性和不確定性）十分適合先進控制理論。endprint

控制系統可以分為兩部分。第一部分是本地控制，通過設置好的日光反射裝置，將時間和太陽輻射角度反饋給上層控制系統。第二部分邏輯層面是數字控制系統（DCS），通過接收到的數據控制進行計算，給出下一步指令。

現階段的太陽能板追蹤系統控制趨勢是利用開環控制系統，根據太陽能輻射的地點和時間，給出太陽輻射方向。當接收器接到溫度和流量分布的模擬信號后，計算機根據輸入算法中的模擬公式給出每塊板支架的偏移量?？刂茀档臏蚀_性會因時間、經度和緯度、支架位置、處理器精確度和環境干擾等因素而產生誤差。

很多太陽輻射位置算法的研究均利用了小型計算機。很多算法利用微型計算機增加了追蹤精確度。但研究表明此種算法只在有效時間段內有效[7]。大型計算機在長期數據監測下可以準確預測太陽輻射位置并將誤差縮小至0.003度，但經濟成本太高。

3.3 降低環境溫度

通過加空調等散熱裝置對屋頂光伏進行技術改造，從而消除環境溫度變化產生的影響。將散熱裝置的溫度控制數據作為控制參數，設定為光伏組件的理想環境工作溫度，將溫度對光能產出的影響降至最小。也可靈活采用物理降溫，機器清掃等方式，根據季節及氣候變化進行應對。

4 結論

本文通過對大唐上海綜合保稅區32MWP屋頂光伏太陽能2013年至2015年的產出數據進行分析，對比發現產出值僅達設計值的70%。發電量曲線變化同光照曲線變化一致，但單機產出率低。

溫度是影響光伏組件產出的重要因素。當環境溫度高于25oC時，電能損失為標準測試條件（STC）功率的10%，光譜、組件衰減和其他因素會導致約7.7%的電能損失。光伏組件的不同材料在不同的光譜分布下將產生不同的電能輸出。電路原因造成的組件不可逆損傷也是原因之一。

可以通過加裝跟蹤式太陽能板，引入監控控制系統和機械降溫等方式提高光能產出率。

參考文獻：

[1]http：//solar.ofweek.com/2015-10/ART-260009-8610-29018000.html專訪李仙德：中英能源合作將如何發展？

[2]大唐上海綜合保稅區光伏項目，大唐（上海）電力能源有限公司

[3]Long-term monitoring of photovoltaic devices， E.E. van Dyk， E.L. Meyer， F.J. Vorster， A.W.R. Leitch ，Renewable Energy 25（2002）183-197，

[4]Van Dyk EE， Scott BJ， Meyer EL， Leithch AWR.Temperature dependence of output parameters of crystalline silicon photovoltaic modules. South African Jsci 2000； 96：198-200. （下轉第125頁）

（上接第78頁）

[5]IEC 1215. Crystalline silicon terrestrial photovoltaic modules- design qualification and type approval， 1993.

[6]Hermann W， Wiesner W， Vaa?en W. Hot spot investigations on PV modules — new concepts for test standard and consequences for module design with respect to bypass diodes. In： 26th IEEE Photovoltaic Specialists Conference， 1997：1129-32.

[7]Eduardo F. Camacho， Manuel Berenguel， Ignacio Alvarado， Daniel Limon. Control of Solar Power Systems： a survey. Proceeding of the 9th International Symposium on Dynamics and Control of Process Systems， page 809-814.endprint