50 kWp并网光伏实验电站的综合设计、搭建与运行 | 并网光伏发电 | 垂杨光伏

　　太阳能作为新能源的重要组成部分，凭借巨大的资源优势,其应用规模日益扩大并随着光伏发电技术的快速发展，各种新型光伏器件不断问世,为太阳能的开发利用提供了更多的机遇和发展潜力。考虑到现有光伏电站选用器件较为传统单一，不能满足于对新型光伏器件的性能进行实证对比研究,从而无法为其大规模市场推广应用提供可靠指导依据。为此，设计具备新型光伏器件实证对比研究功能的平台具有重要工程意义。设计了50kWp屋顶光伏并网示范电站，选用了多晶硅、单晶硅及铜铟硒光伏组件,并结合建筑物特点采用了不同的安装角度，同时针对不同安装倾角和方位角下光伏组件的发电量给出了对比分析，但并未对不同类型光伏组件的性能进行对比研究。研究了碲化镉、铜铟镓硒及非晶硅微型电站在广州地区光伏发电性能的差异性。由于青海与广州两地气候相差较大,太阳辐照度及温度等存在较大差别，所以研究薄膜电池在高海拔强辐射地区的发电性能以验证其在本地的适用性具有重要意义。

　　为研究新型光伏器件的可靠性能参数,验证其在光伏发电过程中的实际效益,本文设计搭建的光伏电站集成了多种光伏设备，针对采用不同类型太阳能电池组件,使用不同容量逆变器，选用智能优化器等多种工况下的电站运行特性进行了分析，并研究了上述因素对光伏电站发电效率的影响。

　　1电站的设计与实现

　　1.1系统结构

　　并网光伏实验电站主要由并网光伏发电系统与监控系统两大部分组成。其中发电系统集成了包括光伏阵列、逆变器及配电柜等，系统安装总容量为50.665kWp,结构如图1所示。图中实线为电气连接线,虚线为通信连接线。光伏阵列所发直流电经由逆变设备转换为交流电，并汇总接入锅炉房10kV箱式变电柜低压侧（接入电压380V），最终并入学校主体电网实现安全稳定运行。

　　1.2光伏发电系统

　　为结合当前光伏发电领域的新技术，能够满足于多方面的研究与教学，本文设计搭建的50kWp光伏实验电站除选用传统晶硅太阳能电池（多晶硅和单晶硅电池）外,还采用了新型薄膜电池及双面电池等多种类型组件,且集成了微型逆变器、智能优化器等光伏器件，组件的安装分别采用固定支架和人工可调支架两种安装方式，并在整个电站搭建过程中将各类型组件、逆变装置与支架进行了交叉组合安装，具体组合形式见表1。

　　为使整个电站能够更加直观地体现其系统结构,且在电站实际运行后为便于开展各项对比研究工作，在电站搭建过程中，针对不同组合形式进行了分区安装，图2所示为光伏发电系统各类型阵列分区。

　　2电站运行状况分析

　　50kWp并网光伏实验电站集成了多种光伏器件，为方便整个电站的管理与维护，并对不同光伏器件的日常运行数据进行监测和保存，以满足于日后多层面的科研分析，光伏电站配备有实时通信的在线监控系统。由监控系统得知，50kWp并网光伏实验电站自2015年8月投入运行,截止到2016年7月10日，整个电站累计发电量为62824kW·h，相应减少碳排放量共约52.14t（根据发改委气候司发布的减排量数据整理的减排因子计算得出）。

　　为总结并网光伏电站发电效率受影响因素，依托光伏实验电站具备的功能,从光伏组件的不同选型、智能优化器的采用及太阳辐照度的影响等多角度对电站发电量的情况进行了对比研究。

　　由于各类型光伏阵列安装容量不同，为能够有效对比分析其发电性能的差异性，本文采用的分析数据均按下式统一作了归一化处理。

　　输出功率=P/Pm

　　式中:P为光伏阵列的实时输出功率,Pm为各阵列的实际组件安装容量。

　　2.1不同类型组件发电性能对比分析

　　为对比分析各类型太阳能电池在不同天气状况下的发电性能,分别针对晴天和阴雨天两种典型天气状况，分析了不同光伏阵列的发电情况（图3）o图3a、图3b所示分别为2016年4月17日（晴天）和4月25日（阴雨天）由不同类型组件构成的各光伏阵列的实时单位输出功率曲线。

　　由图3a可知，在晴天时各阵列输出功率呈单峰型变化特征，且由于在日屮时刻太阳辐射量达到最大值，相应地输出功率达到当天峰值，峰值功率为786.83~933.85W,处于较高值。由图3b可知，阴雨天各阵列输出功率变化规律不明显，并随太阳辐射量的变化而逐次改变，峰值功率不超过600W,输出功率整体偏低。

　　从各类型组件光伏阵列的实时输出功率曲线可知，双面电池组件因其双面感光电池片的独特结构,输出功率明显高于其他类型组件;传统单晶硅组件和多晶硅组件实时输出功率曲线基本相似，且在阴雨天等辐射量偏低情况下单晶硅电池表现较为优越，而在晴天辐射量偏高时多晶硅电池具有更高的输出功率;CIGS薄膜电池由于转换效率接近晶硅电池,因此其输出功率曲线与晶硅电池相接近，且在上午太阳辐射量偏低时段,因其较好的弱光性能，输出功率高于晶硅电池;相较与其他类型组件，非晶硅和CdTe薄膜组件的输出功率偏低，晴天时两者输出功率曲线较为相似，但在阴雨天太阳辐射量偏低时,非晶硅输出性能优于CdTe薄膜组件,体现出其较好的弱光性能。

　　图4所示为2016年4月不同类型组件光伏阵列每千瓦容量光伏组件的日发电量情况，其呈现规律与上述分析结果相一致。表2表示2016年3—5月各光伏阵列每千瓦容量光伏组件的发电量数据（3—5月发电量数据有效统计天数分别为19,30及19d）o以4月发电量数据为例，相比多晶硅电池，双面电池每千瓦容量光伏组件多发20.86kW·h，增益率为16.44%,单晶硅电池每千瓦容量光伏组件多发7.34kW·h,增益率为5.79%；薄膜电池中CIGS发电量最大且与晶硅电池接近，而非晶硅和CdTe电池发电量基本一致。

　　由各类型光伏组件阵列的实时输出功率及日发电量情况可知，在同等环境状况下，双面电池增发电量幅度较大,其输出特性表现优异，因此在安装场地条件受限时可选用该类型组件以有效增加总发电量；同等安装容量的单晶硅电池实际发电量高于多晶硅电池5.79%，与业界普遍认可的数据相吻合，在实际应用中选用何种类型组件还需从当地环境条件、安装规模及成本等多方面进行考虑；CIGS薄膜电池的输出功率和发电量与晶硅电池接近,体现出较高转换效率，表明其在光伏发电领域具有较好的适用性;由于非晶硅电池的弱光性,其发电量较高，而CdTe薄膜电池为各类型光伏组件中发电量最低。

　　2.2不同光伏器件对发电量的影响分析

　　2.2.1智能优化器对光伏阵列发电量的影响

　　图5表示晴天和阴雨天时，相同安装容量的多晶硅光伏阵列在安装和未安装智能优化器时的实时单位输出功率曲线。

　　从图中输出功率曲线可知，在晴天上午6：00~10：00时段内，安装有智能优化器的光伏阵列输出功率更低，其潜在原因是由于作为电子元器件，智能优化器自身也会耗能，因此导致其输出功率不高;此外,安装有智能优化器的光伏阵列在阴雨天时其输出功率普遍高于未安装的光伏阵列。

　　图6表示2016年4月安装和未安装智能优化器的多晶硅光伏阵列每千瓦容量光伏组件的日发电量情况。表3表示2016年3—5月光伏阵列每千瓦容量光伏组件的发电量数据。以4月发电量数据为例，相比常规多晶硅光伏阵列，安装智能优化器后的光伏阵列多发6.96kW·h,增益率为5.47%。由3—5月发电量数据可知,安装智能优化器的光伏阵列其发电性能优势不够突出，这是由于功率优化器的关键作用在于太阳能电池组件受阴影遮挡时，以进一步减少由阴影遮挡或太阳能组件电性能不匹配导致的功率损失,从而提高光伏阵列的发电量,而本电站基本不存在阴影遮挡问题，所以智能优化器未能发挥其优势。因此，智能优化器更适用于光伏发电系统安装地存在阴影遮挡时的情况。

　　2.2.2不同容量逆变器对光伏阵列发电量的影响

　　为对比研究光伏发电系统采用不同容量逆变器时发电量的差异性，针对相同安装容量的单晶硅光伏阵列，分别选用了5kW和3kW两种规格的组串式逆变器，其实时单位输出功率曲线如图7所示。

　　图7安装不同容量逆变器光伏阵列单位输出功率曲线

　　Fig.7UnitrealtimeoutputpowercurveofPVarrayinstalledwithdifferentinverters

　　从输出功率曲线可知，除个别时段，安装有3kW逆变器光伏阵列的输出功率基本高于采用5kW逆变器的光伏阵列，这是由于采用较小容量逆变器后，整个光伏阵列的输出是通过每个子阵列的输出经由逆变器优化后汇总得到，因此其整体输出功率会提高。

　　图8表示2016年4月采用5kW和3kW逆变器的单晶硅光伏阵列每千瓦容量光伏组件的日发电量情况，由图可知，安装3kW逆变器的单晶硅光伏阵列每日发电量均高于采用5kW逆变器的光伏阵列。表4表示2016年3—5月光伏阵列每千瓦容量光伏组件的发电量数据，采用3kW逆变器的单晶硅光伏阵列分别多发2.17，3.62,2.82kW·h，增益率分别为-2.54%，2.7%，3.4%。

　　综上分析得知，采用较小容量逆变器可减少太阳能电池组串模块间的差异性带来的影响，增大发电量,但在实际应用中光伏发电系统选用较小容量逆变器是否合理,还需从系统总体规划、建设成本等多方面进行考虑。

　　2.3不同辐照度对发电量的影响分析

　　由太阳能电池基本理论可知，太阳能电池短路电流随辐照度线性增长，而开路电压受其影响很小，二者呈对数关系，太阳能电池组件的功率与辐照度基本成正比。

　　如图9所示,从监控系统的历史数据中分别选取2015年12月24日（冬季）,2016年3月14日及2016年4月9日（春季）的辐照度,并绘制了不同辐照度下光伏电站的实时输出功率曲线。随着从冬季过渡到春季,太阳辐照度不断增大，其日峰值从2015年12月24日的329.64W/m2增大到2016年4月9日的896.59W/m2,且有效日照时数增加近2ho由图9b可知，随着辐照度的不断增大，光伏电站的输出总功率变化显著，峰值功率从16.3kW增大36.8kW,增幅达到约1.26倍。

　　图10表示不同辐照度下，整个光伏电站各类型组件阵列分区每千瓦光伏组件的日发电量及电站总发电量情况。由图10a可知，随着辐照度的增大，不同类型的光伏阵列分区发电量都有显著提高，多晶硅组件分别提高I.09倍和1.51倍,单晶硅组件分别提高1.36倍和1.72倍,CdTe薄膜组件分别提高综上分析可知，从冬季到春季，随着辐照度的不断增大及有效日照时数的增加，整个光伏电站的发电量显著提高，且非晶硅电池的发电量受太阳辐照度影响最为显著,表明其发电性能受太阳辐照敏感度较强，稳定性较差，然后依次为CdTe薄膜电池、单晶硅电池、CIGS薄膜电池、双面电池，而多晶硅电池发电量随太阳辐照度变化程度最小，具有较好的稳定性输出。

　　3讨论与结论

　　为研究新型光伏器件的实际性能，并分析总结其发电效率的差异性，基于50kWp并网光伏实验电站的设计与运行，分别针对同等条件下不同类型光伏组件、智能优化器、不同容量逆变器与不同辐照度下光伏阵列的输出特性做了对比分析。从光伏阵列的实时功率及发电量数据可知，其输出功率不仅受安装倾角与方位角的影响，而且不同类型光伏组件的输出也存在较大差异，其中双面电池输出特性表现最佳，考虑到其双面电池片结构，该类型组件在安装场地面积受限时具有较强的优势。同时，结合各光伏阵列发电量受太阳辐照度影响的变化情况发现，由于电站地处高海拔强辐射区域，且气温相对较低，因此薄膜电池发电性能与广州地区存在较大差异，其中CIGS薄膜电池发电性能优于非晶硅电池和CdTe薄膜电池,并与晶硅电池相接近，具有较好的适用性。此外，通过对安装有智能优化器的光伏阵列发电数据进行分析，表明对于无阴影遮挡的光伏发电系统，智能优化器作用不够突出，因此该设备更适用于光伏发电系统安装地存在阴影遮挡的情况。

　　50kWp并网光伏实验电站投运一年来，运行稳定,社会经济效益显著。同时，由于电站拥有完整多样的光伏设备，针对该电站的运行状况及众多设备的功能性还可继续开展多方面的研究工作，以为后续高海拔地区光伏电站的设计与建设提供参考依据。

　　1.49倍和1.9倍,非晶硅组件分别提高1.77倍和2.33倍，双面电池组件分别提高1.18倍和1.56倍,

　　CIGS薄膜组件分别提高1.18倍和1.8倍。图10b中,整个光伏电站日总发电量从88.9kW·h增长到242.9kW·h,增长约1.73倍。

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