分布式光伏發(fā)電影響因素綜述

宋子昊

摘 要：隨著分布式光伏市場化政策的出臺，光伏組件成本呈現(xiàn)不斷下降趨勢，光伏發(fā)電逐漸走近人們的生活。光伏的高效發(fā)電是分布式光伏發(fā)展的關(guān)鍵。所以，本文就影響光伏發(fā)電的因素進行分析，對分布式光伏發(fā)展影響條件進行總結(jié)，為分布式光伏的更好發(fā)展提供借鑒。

關(guān)鍵詞：分布式光伏;光伏發(fā)電;影響因素

中圖分類號：TM727文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）32-0136-04

Abstract： With the introduction of distributed photovoltaic marketization policies， the cost of photovoltaic modules has shown a continuous downward trend， and photovoltaic power generation has gradually approached people's lives. The efficient power generation of photovoltaics is the key to the development of distributed photovoltaics. Therefore， this paper analyzed the factors that affect photovoltaic power generation， summarized the conditions that affect the development of distributed photovoltaic， and provided a reference for the better development of distributed photovoltaic.

Keywords： distributed photovoltaic;photovoltaic power generation;influencing factors

當前，資源、環(huán)境等問題不斷加劇，發(fā)展新能源是調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與經(jīng)濟轉(zhuǎn)型的重要途徑。太陽能具有清潔、廣泛、安全、豐富等優(yōu)勢[1]，人們需要分析光伏發(fā)電各環(huán)節(jié)的影響因素，提高光伏發(fā)電利用率，為光伏的更好發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

國內(nèi)外對于光伏組件的制造、設(shè)計、安裝和轉(zhuǎn)換效率等影響因素已有相關(guān)研究[2]。當?shù)貧庀髼l件（如光照、溫度、濕度）不僅會影響光伏出力，也會影響組件測控[3]。各種影響因素之間存在關(guān)聯(lián)，除了分析當?shù)剌椪铡庀蟮裙夥l(fā)電所需的條件外，人們需要綜合考慮，以達到發(fā)電效益的最優(yōu)化。比如，光伏板傾角不僅影響輻照量、陣列間距，還影響積灰程度[4]，而異物對組件的遮擋、組串失配也是影響光伏發(fā)電的重要因素，因此加強組串控制和優(yōu)化組件架構(gòu)能保證發(fā)電效果良好可靠[5]。MPPT作為光伏發(fā)電的核心之一，其構(gòu)建方式與跟蹤能力關(guān)系著整個系統(tǒng)的高效運行。工業(yè)采用較多的仍然是單峰及其改進算法，但分布式光伏需要適應(yīng)不同環(huán)境因素尤其是陰影的變化，動態(tài)多峰值的功率跟蹤算法已成為目前研究的重要方向[6]。

光伏組件方陣主要有固定傾角和跟蹤傾角兩種搭建方式，跟蹤傾角方式由于成本較高、系統(tǒng)復(fù)雜，不便于推廣。因此，本文綜述了固定傾角的分布式光伏發(fā)電及發(fā)展的主要影響因素。

1 環(huán)境與系統(tǒng)因素

由于所處地區(qū)與安裝條件的不同，分布式光伏發(fā)電量不僅受本身系統(tǒng)設(shè)備的影響，也受當?shù)丨h(huán)境的影響。光伏板通過太陽光輻照將光能轉(zhuǎn)換成電能，組件所處環(huán)境直接影響光電轉(zhuǎn)換，如光照、溫度等。光伏發(fā)電器件構(gòu)成及各器件受環(huán)境影響的因素如圖1所示，在光伏系統(tǒng)實際運行過程中，轉(zhuǎn)換效率、組件放置、系統(tǒng)損耗都會對其發(fā)電造成影響。

1.1 太陽輻射

太陽輻射經(jīng)過大氣層后，由于散射、反射、熱傳導(dǎo)等原因，其達到地表時會喪失一部分能量。雖然實際傳到地面的光照能量也很龐大，但由于能量密度不高、照射有間歇性及能量轉(zhuǎn)換和傳輸損失等情況，因此如何增大光照的利用率十分重要。不同季節(jié)、地理位置和大氣活動等對輻照量都會產(chǎn)生影響，不同條件對光照的影響如圖2所示。

輻照量的計算對光伏發(fā)電的安裝、預(yù)測等都有著重要作用。光伏板因輻照方向多采用傾斜面安裝，若已知地理方位及全年各月水平面上的平均太陽輻射資料（總輻射量、直接輻射量或散射輻射量），便能算出不同傾角斜面的全年各月平均太陽輻射量。傾斜面的太陽輻射總量[H]的計算公式為：

從大量數(shù)據(jù)試驗總結(jié)出的各項同性模型到考慮天氣等因素的各向異性模型及組合模型[7-9]，太陽散射輻射模型經(jīng)歷了僅能計算平面輻射到考慮不同條件的適用于斜面輻射模型的轉(zhuǎn)變。直接輻射一般根據(jù)當?shù)丶疤栁恢眯畔⑴c總輻射估算得到，而反射輻射則由地面反射率、總輻照量與傾角求得。這些模型總體都是利用已知的組件位置、傾角與光照角度，從幾何學角度采用大數(shù)據(jù)對輻射量進行分析總結(jié)得出的。

1.2 陣列傾角和陣列間距

光伏陣列的安裝總體是北半球面向正南，南半球面向正北（面向赤道）。在光伏項目建設(shè)中，若傾角與間距不當，會造成光伏板不能接受最大太陽輻照與組件前后或左右遮擋，從而造成棄光。陣列傾角主要考慮太陽輻照質(zhì)量最佳時的光照角度，以得到接收年總輻射量最大的角度;陣列間距需要根據(jù)太陽與當?shù)匚恢眯畔ⅰ㈥嚵袃A角、建設(shè)面積、裝機容量等進行合理計算，其間要確保各方向在要求時段內(nèi)互不遮擋。

1.3 組件溫度

光伏組件的工作效率受溫度影響，若光伏組件溫度較高，則會導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換效率降低、電流傳輸波動甚至影響電池壽命。光伏工作溫度主要來自環(huán)境溫度與組件自身溫度，與太陽輻照相關(guān)[10]，其計算有不同模型與修正方法，如NOCT模型、Sandia模型等。

溫度系數(shù)反映了溫度對材料的影響度，也是衡量光伏組件性能及溫度影響的重要指標。在冬夏及溫差較大的地方，組件溫度系數(shù)的反應(yīng)更明顯。實際光伏系統(tǒng)中，其他器件也會受到溫度影響而使發(fā)電量降低，影響光伏出力。

光伏板實測輻照度與溫度的數(shù)據(jù)來源包括兩種方式：一是利用光伏電站自帶的輻照度、溫度計量系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)分析;二是采用離線巡視試驗的方法定時采集。

1.4 組件遮擋、組串失配

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，組件直接置于外界，表面落塵落葉、鳥與蟲的活動、積雪等遮擋會影響組件受光與溫度變化，并且由于電池片性能存在差異，串聯(lián)后單體電流的不同令整體電流損失，使得連接成的光伏組件輸出總功率小于各單體電池片輸出之和，這種情況被稱作太陽能電池的失配。不同廠家光伏電池的光伏特性也有差別，組件局部遮擋、失配會形成熱斑甚至造成整個組件損壞。

1.5 最大功率點跟蹤

集中式逆變器體積較大、集成度高，組串式逆變器配置靈活，更適合中小型電站。最大功率點跟蹤可以維持系統(tǒng)最大出力，使系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定，提高發(fā)電效率，同時便于調(diào)度。

1.5.1 MPPT路數(shù)。由于光伏組件是串并聯(lián)連接的，單體不良會影響組串及跟蹤精度，進而影響整個系統(tǒng)的發(fā)電效率，可通過組串分組接入MPPT控制，以減小個體對整體的影響。MPPT滲透率為MPPT路數(shù)與組串接入路數(shù)的百分比，滲透率越高，組串間干擾度越小，但MPPT的增加會對系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，人們需要對其進行合理的分析。

1.5.2 電壓范圍。在整個光伏發(fā)電系統(tǒng)日運行中，隨著光照的逐漸增強（減弱），組件發(fā)電產(chǎn)生的電壓逐漸增大（降低），當電壓進入逆變器工作范圍時，逆變器開始正常工作，反之，低于臨界時，逆變器停止工作，系統(tǒng)輸出也隨之停止。所以MPPT電壓范圍越廣，工作時間越長，工作效率越高。

1.5.3 MPPT算法。良好的MPPT算法能夠在環(huán)境變化（如樹木、云層遮擋）時實時跟蹤最大功率點，常用算法有固定電壓法（CVT）、擾動觀察法（P&O）、增量電導(dǎo)法（INC）、自適應(yīng)的變步長改進算法、Fibonacci法以及結(jié)合智能算法的改進法等。

人們要結(jié)合不同應(yīng)用區(qū)域/場景，具體分析影響分布式光伏的因素，如圖3所示。

除上述因素外，光伏組件的材料及制作工藝決定著其光學透過性、力學性能、導(dǎo)電性、光電轉(zhuǎn)換效率等，進而影響組件性能與轉(zhuǎn)換效率。除自身損耗外，晝夜及負荷等工作條件的變化也會造成逆變器與變壓器損失。線損包括直流線損和交流線損，在電流傳輸過程中不可避免，宜選用合適的線纜和提高電壓。

2 分布式光伏發(fā)展的影響因素

2.1 政策因素

分布式光伏在用戶側(cè)進行發(fā)電，能夠充分利用太陽能資源。近年來，國家光伏政策從總體上推動光伏平價上網(wǎng)、分布式發(fā)電市場化、“光伏+”，實施光伏扶貧等項目及清潔能源消納計劃，能為光伏健康有序發(fā)展提供良好導(dǎo)向與保障。

2.2 安全因素

根據(jù)相關(guān)標準，整個光伏系統(tǒng)在正常運行時應(yīng)能供應(yīng)全部負荷并保持充裕性和安全性。光伏組件安裝位置需要有足夠的空間、合理的線路鋪設(shè)，充分考慮建筑或環(huán)境結(jié)構(gòu)，以保證周圍居民安全與系統(tǒng)良好運行。安全性與發(fā)電環(huán)境是光伏建設(shè)的先要條件。

2.3 經(jīng)濟因素

分布式光伏必須具有良好的光照條件與足夠的輻照時間，才能保證相對穩(wěn)定的電力電量輸出。其在應(yīng)用模式下應(yīng)能滿足用戶要求，多余電量對電網(wǎng)進行有效的補充，以減少電網(wǎng)在用電高峰時的負荷需求以及設(shè)備、場地、電力輸送等的成本。同時，光伏系統(tǒng)安裝和運維成本、設(shè)備利用率、回報時間與投資利潤率也是分布式光伏發(fā)展的重要因素。

3 結(jié)語

光伏發(fā)電受時空特性和氣象因素的影響，對不同時間尺度、地理環(huán)境、天氣類型、輻照等進行合理分析是分布式光伏布點定容、發(fā)電運行的基礎(chǔ)。政策導(dǎo)向、經(jīng)濟發(fā)展、光伏企業(yè)數(shù)量與光伏發(fā)電集中度息息相關(guān)。分布式光伏能就近消納、就近并網(wǎng)，可有效地削峰填谷，其模塊化結(jié)構(gòu)適用于各種地理環(huán)境，能同時滿足效能、低碳、安全等方面的要求。要想實現(xiàn)分布式光伏的規(guī)模化發(fā)展，人們需要對影響因素進行綜合論證，使其在不同的安裝和運行條件下能安全、穩(wěn)定、可靠、高效地發(fā)電。

參考文獻：

[1]王洪坤，葛磊蛟，李宏偉，等.分布式光伏發(fā)電的特性分析與預(yù)測方法綜述[J].電力建設(shè)，2017（7）：1-9.

[2]柴亞盼.光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率研究[D].北京：北京交通大學，2014：21-23.

[3]Osman Y I A，李金平，甄簫斐，等.環(huán)境因素對戶用光伏板發(fā)電效率的影響[J].中國農(nóng)機化學報，2019（3）：149-153.

[4]王磊.積灰影響下光伏陣列的發(fā)電量模型與傾角修正[J].電子設(shè)計工程，2019（15）：86-89.

[5]劉祝鴻，陳鳴.太陽電池組件中電池的失配現(xiàn)象研究[J].太陽能學報，2012（12）：2074-2079.

[6]寧勇，戴瑜興，王鎮(zhèn)道，等.不同MPPT架構(gòu)光伏系統(tǒng)發(fā)電效率的比較研究[J].電子學報，2016（9）：2134-2140.

[7]姚萬祥，李崢嶸，趙群，等.幾種散射輻射模型精度的對比[J].同濟大學學報（自然科學版），2014（6）：937-943.

[8]杜華珠，石巍，袁晨，等.不同模型在太陽輻照量計算中的分析與比較[J].能源與環(huán)境，2016（4）：96-98.

[9]魏嫽嫽，崔承剛，楊寧，等.光伏發(fā)電功率預(yù)測斜面輻射組合模型的評估研究[J].可再生能源，2018（6）：842-849.

[10]潘進軍，申彥波，邊澤強，等.氣象要素對太陽能電池板溫度的影響[J].應(yīng)用氣象學報，2014（2）：150-157.