■ 施光輝 楊正虎 張家維 胡志華*

(1.云南能投新能源投資開(kāi)發(fā)有限公司；2.云南師范大學(xué)太陽(yáng)能研究所)

0 引言

國(guó)家能源局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，截至2016年底，我國(guó)光伏發(fā)電新增裝機(jī)容量為3454萬(wàn)kW，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)7742萬(wàn)kW，均為全球第一。其中，集中式光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量為6710萬(wàn)kW，分布式光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量為1032萬(wàn)kW，全年發(fā)電量達(dá)662億kWh，占我國(guó)全年總發(fā)電量的1%。

隨著光伏技術(shù)的進(jìn)步，在政府的支持下，光伏建筑一體化(BIPV)[1-3]成為21世紀(jì)建筑及光伏技術(shù)市場(chǎng)的一大熱點(diǎn)。BIPV是利用綠色能源產(chǎn)生電力，不會(huì)污染環(huán)境，開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生任何生態(tài)方面的副作用；一般安裝在閑置的屋頂或外墻上，無(wú)需額外占用土地，對(duì)于土地昂貴的城市建筑尤其重要；此外，BIPV采用并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，無(wú)需配備蓄電池，既節(jié)省投資，又不受蓄電池荷電狀態(tài)的限制，可以充分利用光伏系統(tǒng)發(fā)出的電力[4]。基于BIPV以上優(yōu)點(diǎn)，本文對(duì)云南師范大學(xué)能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院100 kWp光伏幕墻并網(wǎng)系統(tǒng)的日運(yùn)行狀態(tài)、晴天和陰天運(yùn)行狀態(tài)、月發(fā)電量和各日照時(shí)數(shù)關(guān)系及逆變器的工作性能展開(kāi)了系統(tǒng)的分析。

1 100 kWp光伏幕墻并網(wǎng)系統(tǒng)介紹

云南師范大學(xué)能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院100 kWp光伏幕墻并網(wǎng)系統(tǒng)由576塊170 W的雙玻組件構(gòu)成，總面積為1560 m2，幕墻與水平面的傾角為85°，面向正南方，如圖1a所示。雙玻組件采用駁接爪固定在鋼架龍骨上，以保證固定強(qiáng)度和美觀性，如圖1b所示。

安裝完成后，幕墻整體透光率為45%，系統(tǒng)的峰值電壓為796.8 V，峰值電流為122.88 A，開(kāi)路電壓為950.4 V，短路電流為135.6 A。系統(tǒng)中逆變器采用了1臺(tái)100 kW的并網(wǎng)逆變器，通過(guò)2臺(tái)光伏陣列防雷匯流箱(型號(hào)：PVS-12M)輸入24組串聯(lián)組件，共24×24塊組件。系統(tǒng)的組成除了雙玻光伏組件、并網(wǎng)逆變器、光伏陣列防雷匯流箱外，還有光伏交流防雷配電柜、光伏交流防雷配電箱、系統(tǒng)連接電纜、光伏幕墻支架、環(huán)境檢測(cè)儀、監(jiān)控軟件、防雷接地系統(tǒng)、橋架等，最終的電能輸出通過(guò)1臺(tái)200 kW配電柜接入AC400V并網(wǎng)點(diǎn)，供內(nèi)部負(fù)載消耗使用。

圖1 100 kWp光伏幕墻實(shí)景圖

2 光伏幕墻并網(wǎng)系統(tǒng)日運(yùn)行狀態(tài)分析

2.1 日工作電壓、工作電流隨時(shí)間變化情況

一天中系統(tǒng)的工作電壓和工作電流隨時(shí)間的變化曲線如圖2所示。由圖2可知：系統(tǒng)開(kāi)始并網(wǎng)發(fā)電的時(shí)間約為7:00，停止并網(wǎng)發(fā)電時(shí)間約為18:30，其余時(shí)間均為開(kāi)機(jī)等待時(shí)間，每天并網(wǎng)發(fā)電時(shí)間約為11.5 h；系統(tǒng)7:00左右開(kāi)始并網(wǎng)發(fā)電時(shí)的工作電壓為570.4 V，在此之前電壓小于450 V，而逆變器最大功率追蹤范圍為450～800 V，逆變器不能并網(wǎng)發(fā)電，系統(tǒng)處于開(kāi)機(jī)等待狀態(tài)；隨著日照強(qiáng)度的增大，工作電壓峰值和工作電流峰值隨之加大，在7:33時(shí)達(dá)到最大峰值電壓822.2 V，在11:00時(shí)達(dá)到最大峰值電流84.6 A；18:49時(shí)，隨著太陽(yáng)的下落，系統(tǒng)電壓再次低于450 V，系統(tǒng)停止并網(wǎng)發(fā)電。此外由圖2還可看出，工作電壓開(kāi)始上升的時(shí)間點(diǎn)比工作電流開(kāi)始上升的時(shí)間點(diǎn)提前大約1 h，工作電壓開(kāi)始急劇下降的時(shí)間點(diǎn)比工作電流下降的時(shí)間點(diǎn)晚大約1 h。

圖2 工作電壓、工作電流隨時(shí)間的變化情況圖

2.2 系統(tǒng)日累計(jì)發(fā)電量隨時(shí)間的變化情況

由圖3a、圖3b可知，一天中發(fā)電功率最大的時(shí)段是9:00～15:00，到18:00以后，發(fā)電總量達(dá)到飽和；一天中的發(fā)電主要集中在9:00～15:00，這段時(shí)間發(fā)電量占全天發(fā)電量的65%左右。

圖3 系統(tǒng)日累計(jì)發(fā)電量隨時(shí)間變化情況圖

3 光伏幕墻系統(tǒng)晴天和陰天運(yùn)行狀態(tài)分析

3.1 工作電壓、工作電流隨時(shí)間變化情況對(duì)比分析

以2014年10月10日晴天和10月15日陰天為例。由圖4可知，晴天和陰天系統(tǒng)的工作電壓隨時(shí)間的變化規(guī)律大致相同，陰天的峰值電壓為791.5 V，出現(xiàn)在15:00左右，值略小于晴天的峰值電壓；晴天的峰值電壓為822.2 V，出現(xiàn)在7:33左右；在7:00～7:30和18:30～19:00兩個(gè)時(shí)間段，系統(tǒng)晴天的工作電壓要明顯高于陰天的工作電壓。而系統(tǒng)晴天和陰天的工作電流隨時(shí)間的變化規(guī)律差異比較明顯，陰天的峰值電流為75.1 A，出現(xiàn)在12:30左右；晴天的峰值電流為84.6 A，出現(xiàn)在11:00左右；陰天各時(shí)段的工作電流均小于晴天各時(shí)段的工作電流。

圖4 晴天和陰天系統(tǒng)日工作電壓、工作電流隨時(shí)間變化圖

晴天和陰天系統(tǒng)的工作電壓相差不是很大，而工作電流相差較大，其原因在于光電流是由光生載流子的定向移動(dòng)形成的，在受光面積相同的情況下，光電流密度越大，光電流越大，而光電流密度的最大值JL(max)=qNph(Eg)，其中，Nph(Eg)為每秒透射到太陽(yáng)電池上能量大于電池材料禁帶寬度Eg的總光子數(shù)，所以光流密度JL的大小只與入射光強(qiáng)有關(guān)，與光電壓無(wú)關(guān)。在陰天相同時(shí)間段，入射光強(qiáng)度小于晴天的入射光強(qiáng)，所以系統(tǒng)陰天的工作電流要明顯小于晴天。

3.2 晴天與陰天發(fā)電量對(duì)比分析

各時(shí)段的發(fā)電量分布情況如圖5所示。由圖5可知，陰天全天的總發(fā)電量為79.9 kWh，遠(yuǎn)小于晴天的總發(fā)電量246.1 kWh；在12:00之前，陰天各時(shí)段發(fā)電量占全天發(fā)電量的比例小于晴天，12:00之后，陰天各時(shí)段發(fā)電量占全天發(fā)電量的比例大于晴天。一天中發(fā)電量最多的時(shí)段，晴天和陰天都是12:00～14:00，該時(shí)段陰天發(fā)電量占全天發(fā)電量的55.98%。

圖5 晴天和陰天各時(shí)段發(fā)電量及占全天發(fā)電總量比例圖

3.3 晴天和陰天系統(tǒng)輸入功率對(duì)比分析

晴天和陰天系統(tǒng)的輸入功率情況如圖6所示。系統(tǒng)陰天時(shí)的峰值功率為54 kW，大約出現(xiàn)在13:00左右，晴天系統(tǒng)的峰值發(fā)電功率約為60 kW，大約出現(xiàn)在10:00左右；晴天系統(tǒng)的功率在12:00之前和14:00之后都遠(yuǎn)大于陰天系統(tǒng)的輸入功率，陰天系統(tǒng)發(fā)電主要集中在10:00～16:00，其他時(shí)間段功率極小，發(fā)電量也很少。

圖6 晴天和陰天輸入功率對(duì)比圖

4 光伏幕墻系統(tǒng)月發(fā)電量與各月日照時(shí)數(shù)關(guān)系

以2014年10月為例，月發(fā)電量與月平均日照時(shí)數(shù)關(guān)系如圖7所示。由圖7可知，2014年10～12月發(fā)電量隨日照時(shí)數(shù)增加而增加，12月發(fā)電量最大，為9748.3 kWh；而2015年2～3月有些異常，據(jù)查實(shí)，該階段系統(tǒng)出現(xiàn)故障，處于維修狀態(tài)。所以，在正常情況下，月發(fā)電量與日照時(shí)數(shù)成正比趨勢(shì)，即日照時(shí)數(shù)越長(zhǎng)，發(fā)電量也就越大。

圖7 月發(fā)電量與平均日照時(shí)數(shù)關(guān)系圖

5 逆變器工作性能分析

逆變器的逆變效率為：逆變效率η=逆變器的輸出功率Pout/光伏陣列的輸入功率Pin×100%。逆變器的效率與光伏陣列輸入功率的關(guān)系如圖8所示。

圖8 光伏并網(wǎng)逆變器效率隨光伏陣列輸出功率變化圖

由圖8可知，當(dāng)光伏陣列的輸出功率達(dá)到3000 W時(shí)，逆變器效率達(dá)到80%左右；當(dāng)光伏陣列的輸出功率低于3000 W時(shí)，逆變器的逆變效率隨光伏陣列輸出功率的下降而明顯下降；當(dāng)光伏陣列的輸出功率高于3000 W時(shí)，逆變器的逆變效率增加不明顯，最高可達(dá)到96.14%，與逆變器供應(yīng)商提供的效率說(shuō)明最大效率97.1%基本相符。

逆變器輸出功率和光伏陣列工作電壓的關(guān)系如圖9所示。由圖9可知，8:33時(shí)，光伏陣列電壓已達(dá)到最大值785.2 V，但11:00時(shí)逆變器的輸出功率才達(dá)到峰值57600 W，由此可知，逆變器的輸出功率主要取決于太陽(yáng)輻照時(shí)間的長(zhǎng)短。

圖9 光伏并網(wǎng)逆變器輸出功率與光伏陣列工作電壓關(guān)系圖

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)云南師范大學(xué)能源與環(huán)環(huán)境科學(xué)學(xué)院大樓100 kWp光伏幕墻并網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析可知，該并網(wǎng)系統(tǒng)日工作電壓、工作電流出現(xiàn)峰值的時(shí)間段大約為13:00～15:00之間，即在這個(gè)時(shí)段系統(tǒng)的輸出功率最大，符合我們的理論計(jì)算和常理推斷。并網(wǎng)逆變器效率高于80%，符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。本文對(duì)100 kWp光伏幕墻并網(wǎng)系統(tǒng)的日、月發(fā)電量進(jìn)行的數(shù)據(jù)分析可為其他類(lèi)似系統(tǒng)提供實(shí)例參考依據(jù)。

[1]楊洪興,季杰. BIPV對(duì)建筑墻體得熱影響的研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),1999,20(3):270－273.

[2]郝國(guó)強(qiáng),李紅波,陳鳴波.光伏建筑一體化(BIPV)并網(wǎng)電站的應(yīng)用與發(fā)展[J].上海節(jié)能,2006,(6):66－70.

[3]姜志勇.光伏建筑一體化(BIPV)的應(yīng)用[J].建筑電氣,2008,27(6):7－10.

[4]陳菊芳,沈輝,楊灼堅(jiān),等.中山大學(xué)光伏并網(wǎng)示范電站分析[J].電源技術(shù),2010,34(3):292－294.