對(duì)于建成投運(yùn)的大型光伏電站，電站的運(yùn)維是其高效安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。為了保證光伏電站的系統(tǒng)效率，提高電站發(fā)電量，應(yīng)該針對(duì)電站的環(huán)境和氣候條件制定合理的運(yùn)維方案。
1、系統(tǒng)效率的影響因素
光伏電站的系統(tǒng)效率是衡量系統(tǒng)運(yùn)行情況的最直接的標(biāo)準(zhǔn)，在太陽(yáng)輻照資源確定的情況下，系統(tǒng)效率決定了一個(gè)光伏電站的發(fā)電量。在進(jìn)行光伏電站設(shè)計(jì)時(shí)，都要對(duì)光伏電站的年發(fā)電量進(jìn)行仿真模擬，對(duì)應(yīng)確定一個(gè)合理的系統(tǒng)效率，作為后期運(yùn)行維護(hù)的參考標(biāo)準(zhǔn)。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的總效率由太陽(yáng)電池陣列的效率、逆變器的效率、交流并網(wǎng)效率三部分組成。
太陽(yáng)電池陣列效率η1，太陽(yáng)電池陣列在太陽(yáng)輻射強(qiáng)度下，實(shí)際的直流輸出功率與理論功率之比。太陽(yáng)電池陣列在能量轉(zhuǎn)換與傳輸過(guò)程中的損耗主要包括：組件匹配損失、表面塵埃遮擋損失、光譜失配損失、溫度的影響以及直流線路損失等。
逆變器轉(zhuǎn)換效率η2，逆變器輸出的交流電功率與直流輸入功率之比。其中損耗主要包括逆變器轉(zhuǎn)換損失、最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)精度損失等。
并網(wǎng)效率η3，即從逆變器輸出經(jīng)10kV升壓然后并入35kV或110kV變電站的傳輸效率，其中損耗主要的是升壓變壓器的效率損失和交流電氣連接的線路損耗。
綜上，光伏電站系統(tǒng)的總效率為η=η1*η2*η3，在電站設(shè)計(jì)階段，可以通過(guò)光伏陣列布局優(yōu)化、組件電流分檔等措施減少損耗，提高系統(tǒng)效率，在關(guān)鍵設(shè)備選型時(shí)，對(duì)組件和逆變器的性能進(jìn)行嚴(yán)格管控，可以提高光伏電站的可靠穩(wěn)定性。
在光伏電站的運(yùn)營(yíng)階段，制定經(jīng)濟(jì)合理的的運(yùn)維方案，保證電站安全可靠性，提高電站的發(fā)電量。首先應(yīng)對(duì)電站設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，進(jìn)行日常的巡檢，消除安全隱患，保證關(guān)鍵設(shè)備的正常高效運(yùn)行;其次還應(yīng)對(duì)光伏電站的發(fā)電數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，針對(duì)環(huán)境和氣候條件，找到影響發(fā)電量的主要因素，制定合理的方案，減少損耗。對(duì)于太陽(yáng)輻照資源和環(huán)境溫度，沒(méi)有辦法進(jìn)行改善提高，只能做好記錄，用以對(duì)光伏電站的系統(tǒng)效率的分析驗(yàn)證。對(duì)于中國(guó)西北地區(qū)的光伏電站，灰塵遮蔽是影響發(fā)電量的重要因素，西北地區(qū)干旱缺水，風(fēng)沙很大，組件受到灰塵遮蔽的情況嚴(yán)重，如圖1所示。灰塵遮蔽會(huì)減少組件接收的光輻照量，影響系統(tǒng)效率，降低發(fā)電量;局部遮蔽會(huì)引起熱斑效應(yīng)，造成發(fā)電量損失，影響組件的壽命，同時(shí)造成安全隱患。
圖1 光伏電站組件受灰塵遮蔽情況
2、灰塵遮蔽對(duì)組件的功率影響的分析
灰塵遮蔽會(huì)減弱組件接收的太陽(yáng)輻照強(qiáng)度，同時(shí)會(huì)造成太陽(yáng)輻照的不均勻性，都會(huì)影響組件的輸出功率。
2.1 光輻照強(qiáng)度的影響
組件的短路電流正比于入射光強(qiáng)，即 ，組件的開(kāi)路電壓與短路電流的關(guān)系為： ，其中n是二極管的品質(zhì)因子，k是波爾茲曼常熟，T是開(kāi)爾文溫度，q是電子電量，Io是二極管的反向飽和電流。綜上組件的電流正比于光輻照強(qiáng)度，電壓與光輻照強(qiáng)度成對(duì)數(shù)關(guān)系。
圖2 不同輻照強(qiáng)度下組件的I-V和功率曲線
組件在不同輻照強(qiáng)度下的I-V曲線和功率曲線如圖2所示，從圖中可以看到組件的開(kāi)路電壓在光輻照強(qiáng)度大于400W/m2時(shí)變化很小，短路電流與光輻照強(qiáng)度成線性變化。當(dāng)光輻照強(qiáng)度大于400W/m2時(shí)，組件最大輸出功率點(diǎn)的電壓基本相同，可以推知組件的效率基本不變，光輻照強(qiáng)度200W/m2時(shí)，最大工作點(diǎn)的電壓變小，則組件的效率降低。
表1 不同輻照強(qiáng)度下組件的效率
表1列出了國(guó)內(nèi)三個(gè)組件廠家在第三方實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行不同輻照強(qiáng)度下的效率測(cè)試結(jié)果，可以看到當(dāng)輻照強(qiáng)度大于400W/m2時(shí)，組件的效率變化很小，在輻照強(qiáng)度為200W/m2時(shí)，組件的效率有比較明顯的下降。
2.2 光輻照均勻性的影響
由于灰塵的遮蔽不均勻性，在降低輻照強(qiáng)度的同時(shí)，也會(huì)引起輻照強(qiáng)度的不均勻性，這會(huì)導(dǎo)致電池片的電流失配，會(huì)降低組件的輸出功率，輻照均勻性對(duì)組件I-V曲線影響如圖3所示，可以看到隨著光輻照不均勻性增大，組件的輸出功率會(huì)降低。
圖3 光輻照均勻性對(duì)組件I-V曲線的影響
3、組件清洗方案的經(jīng)濟(jì)性分析
根據(jù)前面的分析，灰塵遮蔽會(huì)嚴(yán)重影響組件的輸出功率，進(jìn)而會(huì)減少電站的發(fā)電量。為了減少灰塵遮蔽的影響，可以對(duì)組件進(jìn)行定期清洗。應(yīng)該結(jié)合光伏電站的環(huán)境和氣候特點(diǎn)、預(yù)測(cè)發(fā)電量和清洗費(fèi)用，制定經(jīng)濟(jì)性最佳的清洗方案，即清洗組件帶來(lái)的發(fā)電量增益與清洗組件的費(fèi)用相比收益最高。下面以青海錫鐵山項(xiàng)目為例進(jìn)行分析說(shuō)明如何確定灰塵遮擋的最佳容忍度。
灰塵遮擋對(duì)發(fā)電量損失與預(yù)測(cè)發(fā)電量有關(guān)，不同電站、不同月份的灰塵遮擋的最佳容忍值也會(huì)不同，根據(jù)可研報(bào)告中的太陽(yáng)輻照數(shù)據(jù)，錫鐵山100MWp光伏電站一年中各個(gè)月份的預(yù)測(cè)發(fā)電量如表2所示。
表2 青海錫鐵山100MWp光伏電站預(yù)測(cè)發(fā)電量
現(xiàn)在通過(guò)簡(jiǎn)單的建模對(duì)考慮灰塵遮蔽影響的發(fā)電量進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于灰塵的沉積速度，我們引入月遮蔽率Sm的概念，即一個(gè)月的時(shí)間灰塵沉積對(duì)太陽(yáng)輻照強(qiáng)度的影響比率，若該月的理論預(yù)測(cè)發(fā)電量為Pr，每月清洗次數(shù)X，簡(jiǎn)單起見(jiàn)假設(shè)遮蔽率是線性變化，則實(shí)際月發(fā)電量為：
 ………………………..(1)
通過(guò)對(duì)上式進(jìn)行微分，可以求出其最大的極值，即發(fā)電量最大，是光伏電站最佳的運(yùn)行狀態(tài)。從上式可以看到，不同月份的灰塵遮蔽的最佳容忍值與電站的發(fā)電量、電站灰塵的沉積速度和組件清洗成本等因素有關(guān)，電站的理論月發(fā)電量可以參考表2中的預(yù)測(cè)發(fā)電量，目前組件的清洗成本約1元/塊，錫鐵山100MWp光伏電站清洗一次的成本約44萬(wàn)元，則對(duì)于不同的月遮蔽率Sm可以確定最大發(fā)電量，同時(shí)可以確定每月遮蔽最佳容忍值Sp，表3給出了在不同月份不同遮蔽率對(duì)應(yīng)的塵遮蔽的最佳容忍值。從表3可以看到，不同的月遮蔽率對(duì)應(yīng)的遮蔽最佳容忍值Sp變化較大;由于固定支架對(duì)應(yīng)的各個(gè)月份的發(fā)電量差異不大，因此絕大多數(shù)月份的最佳容忍遮蔽率基本相同;另外由于清洗費(fèi)用比較高，所以導(dǎo)致灰塵遮蔽的最佳容忍值較高，應(yīng)尋求降低清洗成本和方法，進(jìn)一步提高發(fā)電量。在實(shí)際運(yùn)維中，首先要前期調(diào)研和運(yùn)行初期的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)電站的灰塵遮蔽情況進(jìn)行詳細(xì)的評(píng)估，同時(shí)結(jié)合組件清洗所需的時(shí)間確定最佳的組件清洗計(jì)劃，以提高發(fā)電量。
表3 不同月份不同月遮蔽率對(duì)應(yīng)的遮蔽最佳容忍值
4、組件遮蔽情況的判定方法
在前一節(jié)我們已經(jīng)給出了在不同條件對(duì)應(yīng)的灰塵遮蔽的最佳容忍值，在實(shí)際情況中我們應(yīng)該如何對(duì)組件的遮蔽情況進(jìn)行判別呢，根據(jù)前面的分析，組串的電流與太陽(yáng)輻照強(qiáng)度成線性正比，可以通過(guò)電流來(lái)評(píng)估組件的遮蔽情況。我們可以通過(guò)監(jiān)測(cè)組件的電流、實(shí)時(shí)的輻照強(qiáng)度和環(huán)境溫度，將監(jiān)測(cè)電流換算到標(biāo)準(zhǔn)條件下的電流，然后與標(biāo)準(zhǔn)條件下的標(biāo)稱(chēng)電流進(jìn)行對(duì)比，即可得到灰塵遮蔽的情況，判別公式如下所示：
 ……………….(2)
其中S是組件的遮蔽率，IT是組件在實(shí)際工作條件下的理想電流，Ip是實(shí)際工作電流，Im是組件在標(biāo)稱(chēng)條件下最佳工作電流，G是實(shí)際光輻照強(qiáng)度，α是短路電流溫度系數(shù)，Isc是組件在標(biāo)稱(chēng)條件下短路電流，NOCT是組件的名義工作溫度，te是環(huán)境溫度。
為了保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)選取輻照強(qiáng)度不小于600W/m2的電流進(jìn)行比較分析，還應(yīng)該選取不同方陣中多個(gè)組串(例如隨機(jī)選取5個(gè)方陣各取5串)的電流進(jìn)行對(duì)比分析。為了保證判別的準(zhǔn)確性和實(shí)效性，可以將實(shí)時(shí)太陽(yáng)輻照強(qiáng)度、環(huán)境溫度和組串電流統(tǒng)一采集至監(jiān)控后臺(tái)，根據(jù)換算公式和遮蔽最佳容忍值編制簡(jiǎn)單的程序，對(duì)組件的遮蔽情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析，并在達(dá)到遮蔽最佳容忍值時(shí)進(jìn)行報(bào)警提示。
5、總結(jié)
灰塵遮蔽對(duì)中國(guó)西北地區(qū)的光伏電站有較大影響，灰塵遮蔽會(huì)減弱光輻照強(qiáng)度，降低組件的發(fā)電量，同時(shí)局部灰塵遮蔽可能會(huì)導(dǎo)致熱斑效應(yīng)，損失發(fā)電量的同時(shí)會(huì)造成安全隱患。在光伏電站的運(yùn)維過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)光伏電站的預(yù)測(cè)發(fā)電量、電站場(chǎng)址的灰塵沉積速度和組件清洗成本確定最佳的灰塵遮蔽容忍值，以此經(jīng)濟(jì)性最佳的清洗方案，提高電站的發(fā)電量。對(duì)于組件的清洗方法和要求，請(qǐng)參照技術(shù)部門(mén)提供的組件清潔維護(hù)技術(shù)規(guī)范書(shū)，需要特別強(qiáng)調(diào)的一定要避免組件局部清洗不凈。另外由于目前清洗成本較高，使得最佳遮蔽容忍值較高，因此尋求與專(zhuān)業(yè)化的清洗公司合作，降低清洗成本和風(fēng)險(xiǎn)，是目前提高發(fā)電量的重要方向。
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