1、1 | P a g e 并网光伏电站系统效率 分 析 陈海 韩华太阳能科技 (上海 )有限公司 ， 上海市 201204 摘要 ： 太阳能发电对人类社会 的贡献随着社会的发展，其地位和贡献 率 占比越来越高，而光伏发电站的建设也已在全世界全面普及， 当 太阳能电站的大量投产运营发电，发电站的收益 则 是投资者最为关心的事情， 这其中电站建设品质和后期 电站运维成了 收益的 关键 。如何才能清楚了解一个太阳能发电站的建设质量，以及在运维管理中关注发电效率，则成为业主非常 重视 的问题。 只有 明确 了 有关太阳能发电站系统效率 (Performance Ratio, PR)的概念，及 清楚掌握
2、有关 对系统效率的认知和 影响 效率的因素 ，并 正确的 选择 评估方式和方法，才能真正对太阳能发电站的品质有一个公正的评判。 关键词 ： 太阳能发电站 ； 系统效率 ； Performance Ratio； 发电量 ； PR值 ；光伏电站评估 引言 随着人类社会的发展，对于环境的要求也越来越严格，新能源现在成为世界关注的热点。各国政府都在大力推广新能源，而太阳能光伏发电系统则在新能源 行业 中占据了重要的位置。 在 经历了十多年的 快速发展建设 后 ，太阳能发电站目前在世界各地都已大面积铺开， 目前全球光伏装机容量 在 200GW-300GW 之间 ，各类光伏电站个数估计超过 100万。预计
3、到 2030年，新能源在总能源结构中的占比将超过 30%，其中太阳能发电 量 在世界总电力供应中也会达到 10%以上，并且还会持续保持增长态势，到 21世纪末，新能源占总能源结构达 80%，太阳能发电则在总电力供应中占到 60%。 由此看出 21世纪能源结构的重大变革，将光伏发电产业提高到了能源领域的重要战略地位。 我国光伏产业近年来发展迅猛，从 2014 年开始中国光伏新增装机量就跃居世界首位，在 2015 年中国太阳能发电量 已 达全球光伏发电总量的四分之一。对于大批投产运营的光伏电站，电站运行状况和维护则将成为工作重点。 PR(Performance Ratio),光伏电站系统效率是光伏
4、电站质量评估中最重要的指标， 它是实际发电量和理论的 发电量的比值，不论电站所处位置和 太阳光辐照量 的多少都不会对此产生 较大 影响。因此我们可以通过 PR 数值来比较全世界不同位置的光伏电站发电状况，本文解释了 PR的概念和功能，并 详细 讲述如何计算光伏电站的系统效率及 具体 哪些因素会 直接 影响 PR数值。 1 什么是光伏电站系统效率 由于光伏电站 会 建设于地球上的任何位置，各地经纬度不同，环境温度不同， 太阳光 辐照 度不同，气象条件不同，安装设备不同，因此同样规模的光伏发电站之发电量也会不同，如果通过发电量来评估则是非常不公正的。如何评判电站质量，那么一个不受外界因素干扰的量化
5、数值就显得尤为重要。光伏电站系统效率 (PR)就是一个测量标准，通常作为电站质量因素来评估电站，这是一个百分比数值，体现了光伏电2 | P a g e 站实际发电量和理论应发电量的关系 ，也说明了电站在扣除了电能损耗 (例如：发热损耗和电缆输电损耗 )和运营时电能消耗后，实际有效供电的比例。 每个正在高效运营的光伏电站的 PR最高 理论 数值都是 100%，然而在实际 运行 中， 100%这个数值是不可能达到的，因为光伏电站在运行过程中不可避免的会产生各种电能损耗 (例如：光伏组件发热而产生热能损耗 )。 但是 一个高品质的光伏电站，其系统效率会超过 80%，甚至接近 90%。 2 系统效率的
6、作用 光伏电站系统效率数值能够 表明 电站发电效率和可靠性有多高。 通过 系统效率数值可以让 一个 光伏电站和其他光伏电站比较电力输出能力， 此外 还可以进行长期监控电站的性能状态。 在一个固定时间段内测定的系统效率值并不能 完全 代表 比较的绝对性，不过数值可以告诉管理人员电站性能和输出是否正常：假设一个光伏电站在试运行时状态最佳，由此得出的电站系统效率 PR值设定为固定 参考值 1，那么经过一段时间的运行后， PR值 就会 小于 1， 如果 这个数值偏差 在一定范围内则 是允许的， 不过当 PR值偏差超过正常范围，则说明光伏电站可能开始出现故障了。 在后面我们会讨论有关导致 PR值偏差的因
7、素。 3 如何计算系统效率 PR值 为了 计算光伏电站系统效率 PR值， 就 需要各种参数值。 首先 要获取光伏电站当地太阳 光 辐照度数值，这个可以在电站使用相 关 测量仪来测量入射光 辐 照度。 另外，我们还需要知道光伏电站组件 总 的标称功率容量值 ，以及 测量 时间段内 光伏 电站总的实际关口计量发电量值，这些数据我们 都 可以 根据 单个组件 标称功率和数量轻易 计算 出 来 和 在 关口计量表处读取到 。 当使用测量仪来测量直接入射光辐照度时，测量仪的 安装 角度 及方向 必须和组件安装一致，这样才能正确的计算 PR值，另外还要确保测量仪 安装 于光伏阵列中间，以使得测量仪和光伏组
8、件能接收到相同量的光照射和与组件处于相同环境温度中。 电站系统效率 PR 值的最佳评估期间是一年。当然也可以选择较短的时间段，例如，当需要和其他光伏电站做比较时，最少的评估期也需要一个月 ，这样一些 不适合的环境条件， 像 短期 阴雨天气、低温、某一 时间 阴影遮盖组件 或 光 辐照 测量仪等情况 就 不会对计算产生较大的影响。 实 测 PR值的 计算： 光伏发电站在运行时， 根据在一段时间内的实际 各项相关 测量值 进行 计算 。 依据 GB/T 20513-2006/ IEC61724:1998 之规范，基本评估方式有日平均发电量 (Daily Mean Yield, DMY)、系统性能比
9、(Performance Ratio, PR)和系统效率 (System Efficiency, tot)，公式如 (1)(3)所示： 3 | P a g e 0AC P/ED M Y Day - (1) 00AC/EPR GH PI- (2) AI AH ACtot E - (3) EAC： 测量 期间电站 输入 电网计量发电量 值 (kWh) P0： 电站 组件装机的标称容量 值 (Wp) AA： 组件面积 (m2) Day： 统计天数 HI： 测量 期间 总 辐照量 值 (kWh/m2) G0： 标准 辐照量 值 STC (1000W/m2) 这里面 的系统性能比 (PR)，就是我们 通
10、常 所 述 的 电站 系统效率 ， 而 上面 计算公式所提及的 系统效率 (tot)，则指的是系统 光电 转换效率。 通过上述 公式我们可以 开始 计算一个时间段内的电站系统效率 (PR)， 但是这 还 需要获取 两 个量值 ， 一个 是测量期间的总发电量 (电站 计量表总度数 )，另外 一个是测量期间光伏阵列上的总辐照量 。 测量 辐照量通常 可以 使用两种方式， 最 主要 最常见 的方式是 利用 安装于光伏阵列中，且 与 光伏组件相同倾角的总辐射计 进行测量，该总辐射 计 需要 符合 ISO 9060 Class 2规范 的 DELTA OHM LP PYRA 03； 另外一种就是 选用
11、与 光伏电站相同材质的 符合 规范认可的 标定太阳能电池板 进行测量。 图 1. 北纬 24 度 正南 向及倾斜角 10 度时 日照强度分布 此外 ， 国外 某些 电网公司还 会 使用其他计算公式，例如如下的 有关电站系 统效率 (PR)的 计算方式： 00I/m o d1001PR GHPT m e a sTEIIAC - (4) 4 | P a g e EAC：测量期间 I电站输入电网计量发电量 值 (kWh) P0： 电站组件装机的标称容量 值 (Wp) HI： 测量期间 I总辐照量 值 (kWh/m2) G0： 标准辐照量 值 STC (1000W/m2) ： 组件功率温度影响系数 (
12、%/ ) Tmod：组件标称工作温度 ( ) TmeasI：测量期间 I通过组件背板温度计测量出的组件平均温度 ( ) 通过以上 公式 计算的 PR值， 将 更 能体现出组件 在 系统中的 性能 状况。 目前在 光伏电站的监控系统中均有 PR值 的 自动 计算 。 一个优秀的电站监控 系统 ， 能够 比较准确的计算出每个 设定 时期的 PR值 ， 并 统计列表以供运维人员和业主参考。 预期理论 PR值的计算： 在 每个光伏电站 项目 建设前，我们都会对 该项目 编制可研报告 并 对项目进行各方面评估，报告中 经济性 评估就有有关电站发电量预期的 计算 及电站系统效率 (PR)的 演算 。那么
13、一个 还未建设的光伏电站，我们如何 计算出 PR值 呢？ 我们 知道一个光伏电站所使用的设备材料繁多， 从 光伏组件板 到 最后并网 发电 计量 设备 ，每个环节都会有一定的 能量 损耗 。 这样 对 每一 主要 设备我们测量和评估 预测 其损耗后， 将 所有损耗计算统计就可以得出预期理论的 PR 值。 有关影响 PR值 的因素 ， 也就是说 有关各 因素造成 的 大致 损耗 情况 ， 我们将在后面论述。 下面 我们看一组公式，来理解 预期 理论 PR值 是如何 倒推 计算 及 各因素的关联性 ： fLaL YY SC Y r - (5) fLaLTL YYY SCMCT Y r - (6)
14、Yr： 理论 参考发电量 比 ， Yr = HI / G0，22/1 / mkWd mkWh LC： 光电 转换 期 因素损耗，其中包括温度 因素 损耗 LCT和非 温度因素损耗 LCM，kWpdkWhYa： 组件 阵列发电量， Ya = EA/P0 ， EA为 直流发电量 ，kWpdkWhLS： 系统 损耗，电力转换及传输中的损耗 ，kWpdkWhYf： 最终实际 发电量 比， Yf = EAC / P0，kWpdkWh5 | P a g e PR： Performance Ratio系统 效率， PR = Yf / Yr，以发电 设备温度为 25时的 损耗计算 其他 公式 (只 适用于 并
15、网 发电系统 )： 温度 矫正 系数 ： kT = YT / Yr 发电 矫正系数： kG = Ya / YT 逆变器 效率： nI = Yf / Ya 根据 以上 知道 的 有关 PR 计算 的相关内容， 就 可以进行 预期 理论 PR 值 的计算。现在 已经 有非常好的软件系统来帮助我们进行此种计算，例如 ： PVsyst， PV-sol， Solargis， RETScreen (见 图 2 - 图 5)等等 。这些软件 拥有 庞大的数据库，包括 全球各地 天气 ，光伏 组件参数，逆变器， 电缆等 数据 库 ， 其中光 辐照量以 往年平均 数值 作为基础 ，其他 主要设备 均 设定了相关
16、损耗参数 ， 在 计算时 还可以手动调整某些相关损耗数值 。 根据 各个 软件要求 填入相应 预建设电站的 地理 位置、电站规模、组件信息、逆变器信息等 后 ，软件就可以自动模拟计算出包括 PR值 在内的 光伏 电站各种数据。 图 2. PVsyst 软件界面 图 3. PV-sol 软件界面 图 5. RETScreen 软件 界面 图 4. Solargis 软件 界面 4 影响 系统效率 PR值 的 因素 系统 效率是一个纯粹的可变基本定义，在一定因素影响下， PR值甚至 有可能超过 100%，这是因为 在6 | P a g e PR计算 中所 用 的光伏组件性能 特性参数 是 基于 标
17、准测试条件 下 (辐照度 为 1000W/m2， AM 1.5，组件 功率测试温度为 25 2 )得出 的 ，而 在实际运行条件环境中是不一致的，因此 会影响 系统效率 。 以下 因素 对 PR值能够 产生影响： 光电转换期 因素 - 光伏 组件的温度 损耗 - 光 辐照 测量仪偏差 (阴影 ， 灰尘 、 雪 、 污物 等 遮盖 ， 计量不准确等 ) - 光伏 阵列组件被阴影 ， 灰尘 、 雪 、 污物 遮盖 - 低 照度弱光损耗 - 相对透射 率损耗 (组件 玻璃对光的反射、散射、折射 致 光接收损耗 ) - 电池片导线 、 组件电缆 、二极管损耗 - 组件 中电池片功率失 配损耗 - 组件
18、 实际功率与标称偏差损耗 - 组件 电池片与光辐照测量仪电池片技术不同 - 组件 与光辐照测量仪倾角 、 方向偏差 损耗 - 光伏 组件转换效率 因素 系统 因素 - 统计 记录时间段误差 - 交直流电力 电缆 传输及 接头损耗 - 组串 连接失配损耗 - 逆变器 效率损耗 - 其他 电气设备 效率 损耗 - 施工 不当造成的材料设备额外 功率 损耗 4.1 光电转换 器因素 光伏 组件的温度 损耗 温度 对光伏 组件 的作用 主要是对太阳能电池片效率性能的影响 ， 组件特性参数中功率 温度 系数 是一个负值，说明当光伏组件 处于 低温状态时的发电效率就会提高 ， 这是因为温度低输出电压升高，
19、电流减少，发电量增加 ，因此在低温环境中 组件 发电 初始 PR值 会较高，而当 其 工作一段时间后，随着温度的提高，其效率也就逐渐下降。 7 | P a g e 光辐照 测量仪偏差 (阴影， 灰尘 、 雪 、 污物 等 遮盖 ， 计量不准确等 ) 由于光伏 电站建设的位置不同， 附近 建筑物 、 高 大 设备 和 植物 均 会产生阴影 ， 从 而部分或全部遮盖 住光辐照测量仪，尤其 在 太阳位置较低时， 物体 产生的阴影更长 ， 覆盖面积更大 。此时 因为临时或长期处于阴影中的测量仪读取的数值会 使得 PR 值 计算超过 100%， 另外灰尘、雪或污物附着在测量仪上也会发生相同的结果。 光伏
20、 阵列组件被阴影 ，灰尘、 雪 、 污物遮盖 与 辐照 测量仪 一样，如果光伏 阵列中 较多组件被阴影、灰尘、雪或污物长期附着，则会 让 光伏组件的转换 效率下降， 此时 计算的 PR值 会比正常值偏低。 低 照度弱光损耗 这与 光伏组件 自身 特性有关，薄膜组件的弱光发电性能较强，而 晶硅 组件则在 低照度 弱光状 态 下 产生的发电量损失较大 。 另外 不同 厂家生产的相同类型组件也会有不同的弱光发电损耗，这个 差距甚至 可以达到 2%。 相对透射 率损耗 (组件 玻璃对光的反射、散射、折射 致 光接收损耗 ) 地球 的自 转使得 阳光照射的 角度 一直在变化，而光伏组件表面的玻璃会对入射
21、光产生 反射 、 散射 和折射，因此安装时使用不同 类型 的支架 和 不同的支架角度造成的损耗也会不同 。 从 类型 来讲， 固定式 损耗最大 ， 双轴 跟踪式损耗最小 。 针对 固定 倾角的安装模式，最佳倾角朝南向 (处于 北 半球 )时 损耗最小。 电池片导线 、 组件电缆 、二极管损耗 光伏 组件中有集电银栅线，二极管和输出直流电缆，这些材料在电力 传输 过程中是有损耗的， 不同 公司的产品因选材不同 ， 损耗也会有一些区别 ， 但数值不大 。 组件 中电池片功率失 配损耗 组件中 的电池片都是按照电流分档的，但是由于每一片电池片的 输出 电流和电压 是 不同的， 分档 间隔有公差， 其
22、中 电压偏差会引起平均值变化，而电流 偏差 则引起短板效应以致功率损耗。 组件 实际功率与标称偏差损耗 组件标称 功率是有正 负 偏差 标识 的，但是计算时只以标称数值为计算量，因此当有 正 偏差 时 ，会提升PR数值 ，当组件有负偏差时则会降低 PR值 。 组件 电池片与光辐照测量仪电池片技术不同 目前 市面常用的电池片有 3种： 多晶硅、单晶硅和薄膜类型，如果光伏电站中组件阵列和光 辐照 测量仪 所 使用的电池片不一致，则会造成系统效率 PR的 计算结果产生偏差。 组件 与光辐照测量仪倾角 、 方向偏差 损耗 光伏 电站中所使用的光辐照计量仪，如果 其 安装的方向及倾角与光伏阵列 组件安装
23、 不一致，那么 因为在 同一时刻所接收的 太阳光 辐射量不同 ， 则 也会 造成 PR值 的计算结果产生偏差。 8 | P a g e 光伏组件 转换效率 因素 光伏组件 的转换效率 对 电站系统效率 PR值 的影响 也 是 一个 因素 ， 在 相同环境条件下 使用 较高转换效率 的 组件会 得到 较高的 PR值， 这是 因为 高 转换效率的高功率组件 输出 发电量 与标称 功率 比值 会 比低 功率组件 发电量 与标称功率的比值要高 。 4.2 系统 因素 统计 记录时间段误差 在 做 PR值测算 时， 数据测算统计 记录的时间段需要 有 足够 的长度 。如果 测算期间 太短 (例如 少于
24、1个月 )， 则 计算 系统效率 PR值 的测量数据是非常不可靠的 ， 在 这个期间出现的 短暂极端 天气状况，低温或高温及 临时 阴影遮盖等因素 都 会严重影响计算 结果。 交直流电力 电缆 传输及 接头损耗 光伏 组件产生的电能在传输到电网公司的 电力 计量表的过程中， 首先 会经过直流电缆到逆变器， 再 经逆变器 转化 后 通过 交流电缆 最终汇集 到 关口 计量表后上到电网中。 电能 在直流 电缆 和交流电缆中传输就会发生损耗，而损耗的多少则 取 决于电缆的材料类型 、 粗细及长度 ， 通常来讲铜缆损耗少于铝缆，电缆越粗越短则损耗越少。 还有系统 中 电缆 接头的类型 、 数量和大小也
25、会影响整个线路的损耗。 有关 电缆配线 总 损耗在光伏电站设计规范中是有要求的， 国内 一般在 2%-3%以内 ，国外 要求在 1%-2%以内 。 电缆损耗 的 多少会 直接造成 PR值相应 降低。 组串 连接失配损耗 由于 生产工艺的原因，组件 内 电池片都是 按照 电流精度分档装配，各个组件之间的电压偏差在 3%左右，而电流 偏差约 在 1%左右。单个 电池 组件对系统的影响非常小，但是并网光伏电站则是由很多电池组件串联后再并联进行 发 电量汇集 ， 因此多个 偏差 叠加 会 造成较大的损耗。 逆变器 效率损耗 逆变器 本身就是电气设备，在运行时是需要耗 能 的，这包括直流转交流损耗，待机
26、损耗，夜间损耗等。通过逆变器效率特性曲线 可以看出 ， 逆变器的最大效率目前可以达到 98%以上， 然而 由于逆变器并不是长期处于最大效率时所需的功率负荷状态，因此实际转换效率会比理论 值 要低， 此外不同厂家的逆变器 的 效率特性曲线不同， 对汇集来的电能中电压和电流 响应 也 不同 (不同 厂家的组件、不同的串联数量、不同的 并联 数量均会产生不同的效率 )，以致 转换 效率有 差异 。 另外 在输入 超出逆变器 最大 功率或超过工作电压范围的 情况下 ， 同样 会产生较大的 能量 损耗。 其他 电气设备 效率 损耗 ，如 变压器、 断路器 、计量 传感、 保护设备 等 在 整个光伏电站系
27、统中，还有其他 很多 电气设备 自身 会消耗能量 ，例如：直流侧的汇流箱 (铜排 、断路器 )； 交流侧的汇流柜 /配电柜 /并网柜 /计量柜等， 这些柜体内均 布置 了多种 会 产生能量 损耗 的电气设备 、 电9 | P a g e 缆或铜排 ；此外 还有单元升压变压器和主变压器， 效率在 95%-98%之间， 这是 因为 其 运行时 有 能量损耗 ，还有 夜间空载损耗。 施工 不当造成的材料设备额外 功率 损耗 该 因素也可以 归纳 为系统可利用率，主要受设备的可靠性、系统设计 、 施工质量 及 运营维护 的 影响 。一个 高 品质 且 运维优良的光伏电站其寿命 可以 很长，各项设备材料
28、都会比正常衰减要慢，这样就会使得 PR值 会比预期要高。 5 结语 本文 详细阐述了有关光伏电站系统效率 Performance Ratio(PR)的 计算方式及对 PR 值 有影响的各个因素， 这 对光伏 电站 建设 和 运维维护有 重要 的技术指导作用， 当 了解了 PR的 详细定义 和影响 因素，就能针对各个因素 采取 相应的措施 来 提高 PR值 ， 并 避免或减少发电系统 和发电 过程 中的损耗，增加发电收益 。有关 如何提高 PR值 的具体措施这里就不再 详细叙述 ， 归纳 起来 最 重要的 四点 就是：主要发电设备材料的选取，电站系统的 优化 设计， 建设 施工质量的把控和细致有
29、序的运营维护 。 前面 三点 是 高 品质电站建成的基础，最后一点则是保持电站长期稳定高效 产生 收益的关键，这其中 如果 拥有 优秀 的监控系统 则 能对运维工作 起到重要的辅助功效。 另外 ， 系统 效率 PR在 一定程度上反应了设备和系统的性能，但是高性能通常也代表了高成本，作为一个 投资 光伏电站 的 业主来说，高性价比才是其最关心的，所以如果一味的追求高 PR值 ，所获得的投资收益却不一定 能达到 预期 ， 因此我们在电站建设初期要根据 自有 资金 规模， 以及 电站建设占地面积等因素，提前 做好 PR的 前期分析及 初步 确定投资收益比，再综合考虑选材、设计 及 施工，并 按照 预
30、期 完成 电站的建设。 同样， 运维工作也 需要 考虑高性价比，例如组件清洗虽然可以大大提高发电量，但清洗的次数过多则会 提高 运维成本及 对 光伏组件 的 寿命产生影响。 随着 光伏系统的 不断 发展， 技术 水平 越来越高， 设备 材料成本也 在 一直在下降 ， 选取 合适 的设备，进行优化设计， 加上 高质高量 的 施工，相信 未来 建设一个 高 PR值 的光伏发电站也 将 不会花费更多的成本。 参考文献 ： 1 GB/T / IEC, “光伏 系统性能检测 、 测量、数据 交换 和分析 导则， GB/T 20513-2006 / IEC 61724： 1998”, 2006. 中国 国
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