基于溫度修正的光伏電站發(fā)電性能評價(jià)指標(biāo)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)

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基于溫度修正的光伏電站發(fā)電性能評價(jià)指標(biāo)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(biāo)是常用的電站評價(jià)參數(shù)，目前關(guān)于光伏電站PR的計(jì)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(dǎo)則》的規(guī)定進(jìn)行計(jì)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(jì)算值和實(shí)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(zhǔn)確度相對較高的結(jié)論，并對不同電池片溫度計(jì)算方法進(jìn)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(biāo)背景介紹

近年來，我國光伏電站年新增裝機(jī)容量比往年有所提升，2014年新增裝機(jī)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(shí)，全國性的、統(tǒng)一的、完善的光伏電站評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(shí)也缺乏長期可靠運(yùn)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(dǎo)則》[1]，規(guī)定了3個(gè)光伏發(fā)電站發(fā)電性能指標(biāo)，分別是理論發(fā)電小時(shí)數(shù)Yr(或稱標(biāo)準(zhǔn)等價(jià)發(fā)電小時(shí)數(shù))、滿發(fā)小時(shí)數(shù)Yf(或稱系統(tǒng)等價(jià)發(fā)電小時(shí)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(biāo)準(zhǔn)測試條件下的標(biāo)準(zhǔn)輻照度之比，也稱方陣峰值日照小時(shí)數(shù)，從一定程度上反映了當(dāng)?shù)氐妮椪账剑籝f表示一段時(shí)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(jī)容量歸一化后的發(fā)電量，可用于不同裝機(jī)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(jià)光伏電站效率最重要的指標(biāo)之一，是電站實(shí)際輸出功率與理論輸出功率的比值，反映整個(gè)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(shí)際輸入到電網(wǎng)電能的一個(gè)比例關(guān)系。電站的PR值越接近100%，說明該電站的運(yùn)行效率越高，但由于有些損耗是不可避免的，所以現(xiàn)實(shí)情況下PR不可能達(dá)到100%，一般情況下，運(yùn)行較好的并網(wǎng)光伏電站PR能夠達(dá)到80%及以上。

表1　光伏發(fā)電性能評價(jià)指標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)測試條件(STC)下的額定功率(或稱光伏電站標(biāo)稱裝機(jī)容量)，kW；ESTC為標(biāo)準(zhǔn)輻照度，ESTC=

1kW/m2。

PR的另一種公式表示方法為實(shí)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(dǎo)就會發(fā)現(xiàn)，雖然表示方法不同，但實(shí)際上就等于Yf和Yr的比。

PR指標(biāo)是目前常用的電站評價(jià)參數(shù)，對于同一地區(qū)的各個(gè)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(jìn)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(zhǔn)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(fù)溫度系數(shù)，當(dāng)溫度升高時(shí)功率會降低，溫度降低時(shí)則相反，特別是在冬季低溫、均勻輻照度下，PR計(jì)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(yùn)維人員誤判。因此，業(yè)內(nèi)研究人員提出了對原有PR計(jì)算公式進(jìn)行溫度修正(CPR)。圖1為某電站CPR和PR的計(jì)算結(jié)果對比，當(dāng)PR和CPR以年為分析周期進(jìn)行計(jì)算比較時(shí)，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(zhǔn)確地反映實(shí)際運(yùn)行情況。經(jīng)查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，公開報(bào)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(jì)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(jià)的重要指標(biāo)，國外也有其他機(jī)構(gòu)采用了其他評價(jià)方法，如能量性能指標(biāo)(EPI)和功率性能指標(biāo)(PPI)，其計(jì)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(jì)驗(yàn)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(biāo)，運(yùn)維前、后短期的發(fā)電性能比較可用PPI指標(biāo)。但不論是哪一種指標(biāo)，理論發(fā)電量的計(jì)算至關(guān)重要，是否需要采用溫度修正及其他補(bǔ)償因子等都需要考慮。

2基于溫度修正的CPR

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

(1)

式中：kCPR為CPR計(jì)算值；kPR為PR計(jì)算值。

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

2.1標(biāo)準(zhǔn)修正法[2]

標(biāo)準(zhǔn)修正法是將溫度條件修正到標(biāo)準(zhǔn)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(fù)值)；tcell為實(shí)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(jìn)行修正，它對電池平均工作結(jié)溫的計(jì)算是按照GB/T18210—2000《晶體硅光伏(PV)方陣》中的方法，即按照實(shí)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(shí)驗(yàn)室(NREL)并不推薦將PR修正到25 ℃條件，因?yàn)殡m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(shí)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(biāo)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(jì)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(fēng)速為1m/s，NOCT模型主要是為了預(yù)測太陽能電池工作溫度，該方法認(rèn)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(jì)算得到光伏電池的實(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)測平均溫度，℃；Δt為標(biāo)準(zhǔn)輻照度下背板溫度與電池片溫度的差值，這是一個(gè)由實(shí)驗(yàn)確定的經(jīng)驗(yàn)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(jìn)行測試，這時(shí)可以從環(huán)境溫度來估算組件背板溫度，其經(jīng)驗(yàn)公式為

(5)

式中：v為10m高度的實(shí)測風(fēng)速；a，b為由實(shí)驗(yàn)確定的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，a描述了輻照度對組件溫度的影響，b描述了風(fēng)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(jì)算公式為

(6)

SunPower公司和NREL實(shí)驗(yàn)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(jì)算公式為

表3　不同計(jì)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(jì)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(dāng)輻照為0時(shí)，權(quán)重因子就變?yōu)?[6]；tcell_sim_j為第j小時(shí)的電池片計(jì)算工作溫度；EPOA_sim_j為第j小時(shí)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(jìn)行計(jì)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(jì)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(jì)算，則PR值會偏高。

CPR的計(jì)算步驟如下[6]。

(1)以戶外方陣平面輻照度的采集時(shí)間間隔為最小計(jì)算時(shí)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(fēng)速數(shù)據(jù)，通過式(6)可計(jì)算每個(gè)采集時(shí)間點(diǎn)對應(yīng)的電池片工作溫度。

(2)計(jì)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(jì)算理論發(fā)電量，公式為

(9)

式中：PSTC為光伏組件的標(biāo)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(shí)計(jì)。

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

為了較準(zhǔn)確計(jì)算一個(gè)電站的CPR值，輻照度、環(huán)境溫度和風(fēng)速的采集盡量做到準(zhǔn)確、連續(xù)，測試收集的周期最好為1年，電池片結(jié)溫計(jì)算的時(shí)間間隔最好不要超過1h，因?yàn)?h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(yùn)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(jìn)行比較，圖2為某天各個(gè)不同溫度修正方法的CPR和PR的比較，WeightedTempSTC法以標(biāo)準(zhǔn)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(jì)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(jì)算方法比較

電池片溫度的計(jì)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(yàn)公式法外，文獻(xiàn)[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(fēng)速影響因子，其公式為

(10)

由于缺少實(shí)際測試數(shù)據(jù)，對上述3種計(jì)算方法進(jìn)行簡單比較，計(jì)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(gè)采集點(diǎn)(時(shí)間間隔為5min)，其中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度可能和實(shí)際有點(diǎn)誤差，但并不影響比較。從圖3可知，總體上NOCT法計(jì)算的值比Sandia法和TextBook法計(jì)算值要高，根據(jù)文獻(xiàn)[6]實(shí)測對比的結(jié)論，TextBook法計(jì)算的溫度和實(shí)際測試溫度偏離程度僅為4%左右，準(zhǔn)確度較高，其次為Sandia法，兩者計(jì)算值和實(shí)際值的偏離程度均在容許范圍之內(nèi)。

圖3　電池片溫度計(jì)算方法對比

4結(jié)論

PR是光伏電站發(fā)電性能評價(jià)的重要指標(biāo)，IEC61724—1998《光伏系統(tǒng)性能監(jiān)測、測量、數(shù)據(jù)交換和分析導(dǎo)則》規(guī)定的PR值計(jì)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(jì)算法進(jìn)行了總體介紹，通過比較，基于Sandia環(huán)境溫度模型的Sunpower法計(jì)算的CPR值準(zhǔn)確度相對較高，但電池片加權(quán)平均溫度統(tǒng)計(jì)需要以1年為周期，因此會對當(dāng)年的月度性能分析造成偏差，其解決方法可以參考?xì)v年已計(jì)算的電池片加權(quán)平均溫度或借助于其他評價(jià)指標(biāo)協(xié)同分析，如EPI，PPI等。

對電池片溫度的不同計(jì)算方法進(jìn)行了比較，TextBook法和Sandia法計(jì)算可靠，且TextBook準(zhǔn)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(jì)算法。

光伏電站發(fā)電性能評價(jià)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(yàn)的同時(shí)，呼吁國內(nèi)應(yīng)在電站質(zhì)量和性能評價(jià)方面完善相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。作為電站運(yùn)營管理企業(yè)，電站性能評價(jià)的前提是自有電站的管理已經(jīng)達(dá)到智能化水平，太陽輻照、溫度、風(fēng)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(jià)工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]光伏系統(tǒng)性能監(jiān)測、測量、數(shù)據(jù)交換和分析導(dǎo)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(zé)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(xiàn)標(biāo)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(xué)碩士，從事光伏電站設(shè)計(jì)、施工及電站運(yùn)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(yùn)營管理、光伏系統(tǒng)項(xiàng)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(xiàng)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(yùn)營管理方面的工作(E-mail:ddylt@163.com)。