光伏并网电站系统效率及改善措施浅析

 1 前言

  太阳能光伏发电在21世纪会占据世界能源消费的重要席位,不但要替代部分常规能源,而且将成为世界能源供应的主体。预计到2030年,可再生能源在总能源结构中将占到30%以上,而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10%以上;到2040年,可再生能源将占总能耗的50%以上,太阳能光伏发电将占总电力的20%以上;到21世纪末,可再生能源在能源结构中将占到80%以上,太阳能发电将占到60%以上。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。

  近几年我国光伏产业发展迅猛,2011年国内光伏发电新增装机容量已超过2GW,对于大批进入运营阶段的光伏电站,电站运行状况的检测和运行维护工作将成为重点。

  光伏并网电站的系统效率是表征光伏电站运行性能的最终指标,在电站容量和光辐照量一致的情况下,系统效率越高代表发电量越大,因此分析影响光伏并网电站的系统效率的各个因素及改善系统发电效率是光伏电站设计及运维的重点,本文就光伏并网电站系统效率及改善措施进行讨论。

  2 光伏并网电站系统效率分析

  影响发电量的关键因素是系统效率,系统效率主要考虑的因素有:灰尘、雨水遮挡引起的效率降低、温度引起的效率降低、组件串联不匹配产生的效率降低、逆变器的功率损耗、直流交流部分线缆功率损耗、变压器功率损耗、跟踪系统的精度等等。

  多晶硅发电系统效率的模拟计算:

  1)灰尘、雨水遮挡引起的效率降低

  大型光伏电站一般都是地处戈壁地区,风沙较大,降水很少,考虑有管理人员人工清理方阵组件频繁度一般的情况下,采用衰减数值:8%;

  2)温度引起的效率降低

  太阳能电池组件会因温度变化而输出电压降低、电流增大,组件实际效率降低,发电量减少,因此,温度引起的效率降低是必须要考虑的一个重要因素,在设计时考虑温度变化引起的电压变化,并根据该变化选择组件串联数量,保证组件能在绝大部分时间内工作在最大跟踪功率范围内,考虑0.45%/K的功率变化、考虑各月辐照量计算加权平均值,可以计算得到加权平均值,因不同地域环境温度存在一定差异,对系统效率影响存在一定差异,因此考虑温度引起系统效率降低取值为3%。

  3)组件串联不匹配产生的效率降低

  由于生产工艺问题,导致不同组件之间功率及电流存在一定偏差,单块电池组件对系统影响不大,但光伏并网电站是由很多电池组件串并联以后组成,因组件之间功率及电流的偏差,对光伏电站的发电效率就会存在一定的影响。

  组件串联因为电流不一致产生的效率降低,选择该效率为2%的降低。

  4)直流部分线缆功率损耗

  根据设计经验,常规20MWp光伏并网发电项目使用光伏专用电缆用量约为350km,汇流箱至直流配电柜的电力电缆(一般使用规格型号为ZR-YJV22-1kV-2*70mm2)用量约为35km,经计算得直流部分的线缆损耗3%。

  5)逆变器的功率损耗

  目前国内生产的大功率逆变器(500kW)效率基本均达到97.5%的系统效率,并网逆变器采用无变压器型,通过双分裂变压器隔离2个并联的逆变器,逆变器内部不考虑变压器效率,即逆变器功率损耗可为97.5%,取97.5%。

  6)交流线缆的功率损耗

  由于光伏并网电站一般采用就地升压方式进行并网,交流线缆通常为高压电缆,该部分损耗较小,计算交流部分的线缆损耗约为1%。

  7)变压器功率损耗

  变压器为成熟产品,选用高效率变压器,变压器效率为98%,即功率损耗计约为2%。

  综合以上各部分功率损耗,测算系统各项效率:组件灰尘损失、组件温度效率损失、组件不匹配损失、线路压降损失、逆变器效率、升压变压器效率、交流线路损失等,可以计算得出光伏电站系统效率:

  系统效率:η=(1-8%)*(1-3%)*(1-2%)*(1-3%)*(1-2.5%)*(1-1%)*(1-2%)=80.24%。

  经过以上分析,可以得出光伏并网电站系统效率通常为80%。

  3 系统效率改善措施

  3.1 加强太阳能电池组件清洗

  受沙尘、阴雨等影响太阳能电池组件的发电效率衰减约8%,对光伏电站的发电量影响很大,可采用聘请专业人员经常清洗电池组件,对光伏电站的系统效率的提高有明显的作用,经对宁夏某20MWp光伏电站进行实地考察,清洗太阳能电池组件后,光伏电站发电量增加约100万度,光伏电站系统效率提高约3%。

  3.2 采用组件最优分选

  采用组件分选设计,对组件按实测参数进行电流、电压的按档分选,由组件厂家按分选方案进行箱、托、车的包装,并按此分选设计进行组件组串设计、安装,可降低组串功率损失1~2%,对于系统整体发电量来说每年可多发电3.2~6.4万度,经济效益明显。

  3.3 组件接线最优化设计

  太阳能电池组件自带电缆长度一般为1m,在常规情况下相邻组件进行串联后汇至汇流箱,电池组件自带电缆余量较大,若将太阳能电池组件改为跨接形式,不仅可以充分利用电池组件自带电缆,每组方阵还可以节省近四分之一的光伏专用电缆。

        对于20MWp光伏并网发电项目,太阳能电池板汇线使用的光伏专用电缆用量一般为350km左右,改用上述连接方式,可提高了组件自带连接线的利用率,从而减少光伏电缆的使用量,目前该连接方式已在光伏电站进行推广,光伏电缆使用量减少到320km,减少光伏电站用量约40km,进而提高了光伏电站的发电效率。

  3.4 采用倾角可调支架

  单轴及双轴跟踪系统已经在很多光伏电站进行试运行,但由于存在跟踪精度、设备稳定性、设备造价等问题,一直影响光伏跟踪系统大批量投入运行。

  可调支架由于采用人工调节,造价较跟踪系统有很大的降低,可调支架是根据各季度辐射情况,通过人工调节支架倾角,进而达到提高系统效率的作用。

  倾角可调支架可根据各季度辐射情况,对支架倾角进行调节,达到该季度的最佳倾角,以增加发电量,可调支架的倾角调节次数可以按照季度进行调节,也可以按照月份进行调节,经计算使用倾角可调支架可以增加5%左右的发电量。

  3.5 变压器选型

  对于变压器选择,提高光伏系统的发电效率还可以选用非晶合金变压器,常规变压器的效率普遍都在98%左右,而且空载损耗很大。

  非晶合金变压器的空载损耗及空载电流都很小,一般只有常规变压器的三分之一,而非晶合金变压器的效率为99%,

  若采用非晶合金变压器,光伏电站的发电效率至少可以提高1%,但由于非晶合金变压器造价较高,在光伏发电项目上还未得到应用。

  4 小结
 
  我国太阳能资源非常丰富,大多数地区平均日辐射量在每平方米4千瓦时以上,太阳能资源开发利用的潜力非常广阔,近几年大型光伏电站实现了跨越式发展,全国各地兆瓦级以上电站出现很多,尤以青海、新疆居多。

  本文主要阐述了光伏并网电站的发电效率及改善措施,对光伏并网电站的设计及运行存在一定的技术指导作用。


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