大功率太阳能建筑一体化光伏并网电站发电数据分析研究

■ 裴振 李德骏,2 王晓晶,2

(1. 武汉纺织大学电子与电气工程学院； 2. 湖北省光伏工程技术研究中心)

一 引言

光伏发电是最具可持续发展理想特征的可再生能源技术，受到全世界普遍高度关注。日本大地震引发的核泄露事故再次引发全世界对可再生能源，特别是光伏发电的重视，光伏并网发电是光伏应用的主流[1]。其中，光伏建筑一体化(BIPV)尤其受到宠爱。光伏系统与建筑相结合称为光伏建筑一体化，是近年来利用太阳能发电的一种新概念，它在建筑结构上铺设光伏阵列产生电力。从建筑、技术和经济角度来看，光伏建筑一体化有以下优点：无需额外用地或增建其他设施；光伏电池板与建筑的结合可代替部分建筑贴面材料；可原地发电、原地用电；起到消减峰负荷的作用；减少墙体得热和室内空调冷负荷，节省能源[2]。

武汉日新科技园光伏工程(图1)是财政部、建设部第二批可再生能源建筑应用示范项目之一，由湖北省光伏工程技术研究中心、武汉纺织大学电子与电气工程学院共同设计，武汉日新科技股份有限公司承建。项目太阳电池板全部采用BIPV方式安装，共安装太阳能组件9911.21m2，光伏装机总容量800kWp。项目主要采用单晶硅和非晶硅光伏组件。工业园内还安装了部分多晶硅光伏组件，总计约为10kWp，但并未并网发电。本文分析了电站自2010年11月项目建成投产至2011年10月单晶硅及多晶硅光伏组件在一年时间内的发电情况。

图1 武汉日新工业园各主要楼宇图

二 并网光伏电站系统

本系统中太阳电池板均由武汉日新科技股份有限公司生产。单晶硅光伏组件总面积2389.87m2，组件功率总计336.96kWp；非晶硅光伏组件总面积7454.78m2，组件功率总计453.99kWp。

单晶硅光伏组件规格为1580mm×808mm，单块功率1872W，共计180块，以18块为一组串联，共10组装置于工业园7#楼楼顶。非晶硅光伏组件共计4758块，分别装置于工业园1#、2#、3#、4#楼上，其具体安装方式及尺寸规格见表1。

表1 非晶硅光伏组件安装位置及规格(转换效率均为6.3%)

河南省建筑科技院受住房与城乡建设部委托对项目验收时，对单晶硅、非晶硅光伏组件的效率进行了效率评估。测得非晶硅光伏组件的转换效率为6.3%，单晶硅光伏组件的转换效率为13.1%。项目年累计替代常规能源量为[3]：

式中，W为武汉地区全年的太阳能辐照量，取为4217.14MJ/m2；Ac为单晶硅和非晶硅光伏组件的面积。

三 数据采集系统

工业园中按照电力部门的要求，安装了一整套发电及环境监测设备，其组成包括：电能数据采集系统，环境数据采集系统(温湿度、风力风向、辐照度)[4]。各系统得到模拟量通过A/D转换为数字信号，由485总线接入上位机存储，并可通过数据查询软件实时查询各传感器采回的数据。整套系统数据自逆变器6:30开机开始采集，至18:30逆变器关机结束。电能数据每30s记录一次，环境数据每5min记录一次，每日发电量通过实时值累加得到。

图2 监测设备

四 一年时间内电站各项数据分析

1 发电数据分析

通过一年来发电数据的采集，得到非晶硅光伏组件一年累积发电量337813kWh，单晶硅光伏组件累积发电量303895kWh；其中非晶硅光伏组件日均发电量925.51kWh，单晶硅光伏组件日均发电量832.58kWh。经计算，非晶硅光伏组件每年发电量为744.42kWh/kWp，单晶硅光伏组件每年发电量为901.87kWh/kWp。

图3为2010年11月～2011年10月每1kWp单晶硅、非晶硅组件的每月发电量。图4为2010年11月～2011年10月武汉地区的温度和降水量。图5为2010年11月～2011年10月中国辐射国际交换站日值数据集。从图3～图5可知，辐照最高值出现在每年的9月，次高值出现在11月，辐照量从每年的12初开始递减，最低值出现在每年的1～2月份，次低值出现在6月，每年太阳辐照的丰度区主要集中在4、5月和7、8月。11月与以上4个月相比，虽然直接辐射量较大，但气温较低，因此，发电量不如4、5、7、8这4个月。同时，对比辐照情况及降水均相近的3月与9月，因9月气温较3月有明显降低(平均气温低约5℃)，考虑到文献[5]中提及的逆变器等设备低温启动问题可知，气温是影响太光伏电站性能的一个重要因数，25℃是一个重要的分水岭。

图3 2010年11月～2011年10月每月单晶硅、

图4 2010年11月～2011年10月气温、降水量变化情况

图6为每楼栋每月的发电量统计。从图6中可知，采用单晶硅的7#楼发电量最大，其他楼栋发电量排名依次为2#、3 #、1#、4#楼。1#、4#楼采用非晶硅光伏组件，其发电量受到天气的影响较小，但相应的发电量也不高。

对比2#、3#楼的非晶硅光伏组件发电情况(如表2)，3#楼的系统装机容量为2#楼的55.5%，3#楼的发电量为2#楼的50%～65%，平均为56.7%。其原因在于2#楼采用的是弧形屋顶，3#楼采用的是斜坡式屋顶，并且采用正南17¡的倾角，因此，3#楼在太阳高度角较低的月份与2#楼相比发电量较高，而在太阳高度角较高的月份相对较低。同时，3#楼的屋顶因倾角较大，灰尘的积累较少，而2#楼屋顶较平缓，会积累大量灰尘，从而影响阳光透射，并使光伏组件接收到的太阳光谱发生变化，造成短波光谱减少[5]。

表2 2#楼与3#楼各月发电量对比

2 光伏组件性能分析

选取3月28日数据，分析单晶硅与非晶硅光伏组件受气候影响的程度。由图7可知，在无云的情况下，单晶硅与非晶硅光伏组件的功率因数均趋近于1，但在午后，云层逐渐增多，单晶硅系统的效率下降较为严重，而非晶硅系统对于云层的影响效果不明显。这主要是由于非晶硅太阳电池的散射光吸收性较强[6]。

3 逆变器性能分析

选取2011年3月28日2#楼的发电情况分析非晶硅光伏组件的逆变器效率。当日该楼的非晶硅光伏组件共发电686kWh。逆变器功率因数与发电功率之间关系如图8所示。

在上午7:30时左右，功率因数已经达到0.95以上，此时光伏组件的瞬时发电功率约为102W。下午17:20时发电系统的功率因数下降至0.95以下，此时对应的光伏组件瞬时发电功率约为124W。从逆变器的厂商说明书中可知，逆变器的正常工作功率因数在0.95以上。因此，对于2#楼，当光伏组件的瞬时发电功率达到102～124W时，便能正常发电。目前，日新为了防止逆变器空转，采取人工关闭逆变器的管理方式，但逆变器的开关是按照工作人员作息时间决定，如遇到雨雪天，光伏组件因光照不足，不能达到逆变器要求的额定输入功率，逆变器便会产生空转现象。目前，部分逆变器厂商已经意识到了这一情况，在系统中加装功率因数检测装置。但由于该设备还没有一个相应的行业标准，因此造成部分电站的发电设备变成了用电设备。

五 结论

从该项目运行一年的数据分析，可以得出以下结论：

(1)在光伏组件标称功率相同的情况下，不同类型的光伏组件发电量存在一定差距，这是由电池板性能决定的；(2)在目前非晶硅光伏组件的效率还较低的情况下，单晶硅仍将是光伏并网发电的主流材料；(3)武汉地区5、7、8月因天气晴好天数较多且气温较适合于发电，因此发电量较多，是太阳能发电的较好时机；(4)不同的建筑发电性能由建筑的结构决定，因此已建成建筑的发电性能与理论值存在较大差距；(5)逆变器设备应尽快制定出一套国家标准，以规范其性能指标。

[1]赵玉文. 我国光伏产业现状、趋势及思考[R]. 武汉: 2011年光伏产业与建筑节能论坛, 2011.

[2]杨洪兴, 韩俊, 孙亮亮. 香港太阳能光伏建筑一体化的研究与进展[J]. 新材料产业, 2008, (9): 25－31.

[3]河南省建筑科学研究院. 国家可再生能源建筑应用示范项目测评报告[R]. 武汉, 2010.

[4]Q/GDW617－2011, 光伏电站接入电网技术规定[S].

[5]张红超, 马春英, 李全喜, 等. 环境对太阳能光伏逆变器性能影响的试验方法研究[J]. 电力系统保护与控制, 2011, 39(16): 135－138.

[6]许盛之, 赵庚申, 王庆章, 等. 南开大学校园光伏并网示范电站运行报告[A]. 第八届全国光伏会议暨中日光伏论坛论文集[C],2004: 545－547.