引言
隨著人類社會的發(fā)展，對于環(huán)境的要求也越來越嚴格，新能源現(xiàn)在成為世界關(guān)注的熱點。各國政府都在大力推廣新能源，而太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)則在新能源行業(yè)中占據(jù)了重要的位置。在經(jīng)歷了十多年的快速發(fā)展建設(shè)后，太陽能發(fā)電站目前在世界各地都已大面積鋪開，目前全球光伏裝機容量在200GW-300GW之間，各類光伏電站個數(shù)估計超過100萬。預計到2030年，新能源在總能源結(jié)構(gòu)中的占比將超過30%，其中太陽能發(fā)電量在世界總電力供應(yīng)中也會達到10%以上，并且還會持續(xù)保持增長態(tài)勢，到21世紀末，新能源占總能源結(jié)構(gòu)達80%，太陽能發(fā)電則在總電力供應(yīng)中占到60%。由此看出21世紀能源結(jié)構(gòu)的重大變革，將光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)提高到了能源領(lǐng)域的重要戰(zhàn)略地位。
我國光伏產(chǎn)業(yè)近年來發(fā)展迅猛，從2014年開始中國光伏新增裝機量就躍居世界首位，在2015年中國太陽能發(fā)電量已達全球光伏發(fā)電總量的四分之一。對于大批投產(chǎn)運營的光伏電站，電站運行狀況和維護則將成為工作重點。
PR(Performance Ratio),光伏電站系統(tǒng)效率是光伏電站質(zhì)量評估中最重要的指標，它是實際發(fā)電量和理論的發(fā)電量的比值，不論電站所處位置和太陽光輻照量的多少都不會對此產(chǎn)生較大影響。因此我們可以通過PR數(shù)值來比較全世界不同位置的光伏電站發(fā)電狀況，本文解釋了PR的概念和功能，并詳細講述如何計算光伏電站的系統(tǒng)效率及具體哪些因素會直接影響PR數(shù)值。
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1 什么是光伏電站系統(tǒng)效率
由于光伏電站會建設(shè)于地球上的任何位置，各地經(jīng)緯度不同，環(huán)境溫度不同，太陽光輻照度不同，氣象條件不同，安裝設(shè)備不同，因此同樣規(guī)模的光伏發(fā)電站之發(fā)電量也會不同，如果通過發(fā)電量來評估則是非常不公正的。如何評判電站質(zhì)量，那么一個不受外界因素干擾的量化數(shù)值就顯得尤為重要。光伏電站系統(tǒng)效率(PR)就是一個測量標準，通常作為電站質(zhì)量因素來評估電站，這是一個百分比數(shù)值，體現(xiàn)了光伏電站實際發(fā)電量和理論應(yīng)發(fā)電量的關(guān)系，也說明了電站在扣除了電能損耗(例如：發(fā)熱損耗和電纜輸電損耗)和運營時電能消耗后，實際有效供電的比例。
每個正在高效運營的光伏電站的PR最高理論數(shù)值都是100%，然而在實際運行中，100%這個數(shù)值是不可能達到的，因為光伏電站在運行過程中不可避免的會產(chǎn)生各種電能損耗(例如：光伏組件發(fā)熱而產(chǎn)生熱能損耗)。但是一個高品質(zhì)的光伏電站，其系統(tǒng)效率會超過80%，甚至接近90%。
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2 系統(tǒng)效率的作用
光伏電站系統(tǒng)效率數(shù)值能夠表明電站發(fā)電效率和可靠性有多高。通過系統(tǒng)效率數(shù)值可以讓一個光伏電站和其他光伏電站比較電力輸出能力，此外還可以進行長期監(jiān)控電站的性能狀態(tài)。
在一個固定時間段內(nèi)測定的系統(tǒng)效率值并不能完全代表比較的絕對性，不過數(shù)值可以告訴管理人員電站性能和輸出是否正常：假設(shè)一個光伏電站在試運行時狀態(tài)最佳，由此得出的電站系統(tǒng)效率PR值設(shè)定為固定參考值1，那么經(jīng)過一段時間的運行后，PR值就會小于1，如果這個數(shù)值偏差在一定范圍內(nèi)則是允許的，不過當PR值偏差超過正常范圍，則說明光伏電站可能開始出現(xiàn)故障了。
在后面我們會討論有關(guān)導致PR值偏差的因素。
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3 如何計算系統(tǒng)效率PR值
為了計算光伏電站系統(tǒng)效率PR值，就需要各種參數(shù)值。首先要獲取光伏電站當?shù)靥柟廨椪斩葦?shù)值，這個可以在電站使用相關(guān)測量儀來測量入射光輻照度。另外，我們還需要知道光伏電站組件總的標稱功率容量值，以及測量時間段內(nèi)光伏電站總的實際關(guān)口計量發(fā)電量值，這些數(shù)據(jù)我們都可以根據(jù)單個組件標稱功率和數(shù)量輕易計算出來和在關(guān)口計量表處讀取到。
當使用測量儀來測量直接入射光輻照度時，測量儀的安裝角度及方向必須和組件安裝一致，這樣才能正確的計算PR值，另外還要確保測量儀安裝于光伏陣列中間，以使得測量儀和光伏組件能接收到相同量的光照射和與組件處于相同環(huán)境溫度中。
電站系統(tǒng)效率PR值的最佳評估期間是一年。當然也可以選擇較短的時間段，例如，當需要和其他光伏電站做比較時，最少的評估期也需要一個月，這樣一些不適合的環(huán)境條件，像短期陰雨天氣、低溫、某一時間陰影遮蓋組件或光輻照測量儀等情況就不會對計算產(chǎn)生較大的影響。
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實測PR值的計算：
光伏發(fā)電站在運行時，根據(jù)在一段時間內(nèi)的實際各項相關(guān)測量值進行計算。依據(jù)GB/T 20513-2006/ IEC61724:1998 之規(guī)范，基本評估方式有日平均發(fā)電量(Daily Mean Yield, DMY)、系統(tǒng)性能比(Performance Ratio, PR)和系統(tǒng)效率(System Efficiency, ηtot)，公式如(1)~(3)所示：
EAC：測量期間電站輸入電網(wǎng)計量發(fā)電量值(kWh)
P0：電站組件裝機的標稱容量值(Wp)
AA：組件面積(m2)
Day：統(tǒng)計天數(shù)
HI：測量期間總輻照量值(kWh/m2)
G0：標準輻照量值STC(1000W/m2)
這里面的系統(tǒng)性能比(PR)，就是我們通常所述的電站系統(tǒng)效率，而上面計算公式所提及的系統(tǒng)效率(ηtot)，則指的是系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換效率。
??? 通過上述公式我們可以開始計算一個時間段內(nèi)的電站系統(tǒng)效率(PR)，但是這還需要獲取兩個量值，一個是測量期間的總發(fā)電量(電站計量表總度數(shù))，另外一個是測量期間光伏陣列上的總輻照量。測量輻照量通常可以使用兩種方式，最主要最常見的方式是利用安裝于光伏陣列中，且與光伏組件相同傾角的總輻射計進行測量，該總輻射計需要符合ISO 9060 Class 2規(guī)范的DELTA OHM LP PYRA 03；另外一種就是選用與光伏電站相同材質(zhì)的符合規(guī)范認可的標定太陽能電池板進行測量。
此外，國外某些電網(wǎng)公司還會使用其他計算公式，例如如下的有關(guān)電站系統(tǒng)效率(PR)的計算方式：
EAC：測量期間I電站輸入電網(wǎng)計量發(fā)電量值(kWh)
P0：電站組件裝機的標稱容量值(Wp)
HI：測量期間I總輻照量值(kWh/m2)
G0：標準輻照量值STC(1000W/m2)
β： ?組件功率溫度影響系數(shù)(%/℃)
Tmod：組件標稱工作溫度(℃)
TmeasI：測量期間I通過組件背板溫度計測量出的組件平均溫度(℃)
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通過以上公式計算的PR值，將更能體現(xiàn)出組件在系統(tǒng)中的性能狀況。
目前在光伏電站的監(jiān)控系統(tǒng)中均有PR值的自動計算。一個高階的電站監(jiān)控系統(tǒng)，能夠比較準確的計算出每個設(shè)定時期的PR值，并統(tǒng)計列表以供運維人員和業(yè)主參考。
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預期理論PR值的計算：
在每個光伏電站項目建設(shè)前，我們都會對該項目編制可研報告并對項目進行各方面評估，報告中經(jīng)濟性評估就有有關(guān)電站發(fā)電量預期的計算及電站系統(tǒng)效率(PR)的演算。那么一個還未建設(shè)的光伏電站，我們?nèi)绾斡嬎愠?/span>PR值呢？
我們知道一個光伏電站所使用的設(shè)備材料繁多，從光伏組件板到最后并網(wǎng)發(fā)電計量設(shè)備，每個環(huán)節(jié)都會有一定的能量損耗。這樣對每一主要設(shè)備我們測量和評估預測其損耗后，將所有損耗計算統(tǒng)計就可以得出預期理論的PR值。有關(guān)影響PR值的因素，也就是說有關(guān)各因素造成的大致?lián)p耗情況，我們將在后面論述。
下面我們看一組公式，來理解預期理論PR值是如何倒推計算及各因素的關(guān)聯(lián)性：
PR：PerformanceRatio系統(tǒng)效率，PR= Yf / Yr，以發(fā)電設(shè)備溫度為25℃時的損耗計算
其他公式(只適用于并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng))：
溫度矯正系數(shù)：kT = YT / Yr
發(fā)電矯正系數(shù)：kG = Ya / YT
逆變器效率：? nI ?= Yf / Ya
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根據(jù)以上知道的有關(guān)PR計算的相關(guān)內(nèi)容，就可以進行預期理論PR值的計算?，F(xiàn)在已經(jīng)有非常好的軟件系統(tǒng)來幫助我們進行此種計算，例如：PVsyst，PV-sol，Solargis，RETScreen (見圖2 – 圖5)等等。這些軟件擁有龐大的數(shù)據(jù)庫，包括全球各地天氣，光伏組件參數(shù)，逆變器，電纜等數(shù)據(jù)庫，其中光輻照量以往年平均數(shù)值作為基礎(chǔ)，其他主要設(shè)備均設(shè)定了相關(guān)損耗參數(shù)，在計算時還可以手動調(diào)整某些相關(guān)損耗數(shù)值。根據(jù)各個軟件要求填入相應(yīng)預建設(shè)電站的地理位置、電站規(guī)模、組件信息、逆變器信息等后，軟件就可以自動模擬計算出包括PR值在內(nèi)的光伏電站各種數(shù)據(jù)。
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4 影響系統(tǒng)效率PR值的因素
系統(tǒng)效率是一個純粹的可變基本定義，在一定因素影響下，PR值甚至有可能超過100%，這是因為在PR計算中所用的光伏組件性能特性參數(shù)是基于標準測試條件下(輻照度為1000W/m2，AM 1.5，組件功率測試溫度為25±2℃)得出的，而在實際運行條件環(huán)境中是不一致的，因此會影響系統(tǒng)效率。
以下因素對PR值能夠產(chǎn)生影響：
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光電轉(zhuǎn)換期因素
–?????? 光伏組件的溫度損耗
–?????? 光輻照測量儀偏差(陰影，灰塵、雪、污物等遮蓋，計量不準確等)
–?????? 光伏陣列組件被陰影，灰塵、雪、污物遮蓋
–?????? 低照度弱光損耗
–?????? 相對透射率損耗(組件玻璃對光的反射、散射、折射致光接收損耗)
–?????? 電池片導線、組件電纜、二極管損耗
–?????? 組件中電池片功率失配損耗
–?????? 組件實際功率與標稱偏差損耗
–?????? 組件電池片與光輻照測量儀電池片技術(shù)不同
–?????? 組件與光輻照測量儀傾角、方向偏差損耗
–?????? 光伏組件轉(zhuǎn)換效率因素
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系統(tǒng)因素
–?????? 統(tǒng)計記錄時間段誤差
–?????? 交直流電力電纜傳輸及接頭損耗
–?????? 組串連接失配損耗
–?????? 逆變器效率損耗
–?????? 其他電氣設(shè)備效率損耗
–?????? 施工不當造成的材料設(shè)備額外功率損耗
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4.1 光電轉(zhuǎn)換器因素
光伏組件的溫度損耗
??? 溫度對光伏組件的作用主要是對太陽能電池片效率性能的影響，組件特性參數(shù)中功率溫度系數(shù)是一個負值，說明當光伏組件處于低溫狀態(tài)時的發(fā)電效率就會提高，這是因為溫度低輸出電壓升高，電流減少，發(fā)電量增加，因此在低溫環(huán)境中組件發(fā)電初始PR值會較高，而當其工作一段時間后，隨著溫度的提高，其效率也就逐漸下降。
光輻照測量儀偏差(陰影，灰塵、雪、污物等遮蓋，計量不準確等)
??? 由于光伏電站建設(shè)的位置不同，附近建筑物、高大設(shè)備和植物均會產(chǎn)生陰影，從而部分或全部遮蓋住光輻照測量儀，尤其在太陽位置較低時，物體產(chǎn)生的陰影更長，覆蓋面積更大。此時因為臨時或長期處于陰影中的測量儀讀取的數(shù)值會使得PR值計算超過100%，另外灰塵、雪或污物附著在測量儀上也會發(fā)生相同的結(jié)果。
光伏陣列組件被陰影，灰塵、雪、污物遮蓋
??? 與輻照測量儀一樣，如果光伏陣列中較多組件被陰影、灰塵、雪或污物長期附著，則會讓光伏組件的轉(zhuǎn)換效率下降，此時計算的PR值會比正常值偏低。
低照度弱光損耗
??? 這與光伏組件自身特性有關(guān)，薄膜組件的弱光發(fā)電性能較強，而晶硅組件則在低照度弱光狀態(tài)下產(chǎn)生的發(fā)電量損失較大。另外不同廠家生產(chǎn)的相同類型組件也會有不同的弱光發(fā)電損耗，這個差距甚至可以達到2%。
相對透射率損耗(組件玻璃對光的反射、散射、折射致光接收損耗)
??? 地球的自轉(zhuǎn)使得陽光照射的角度一直在變化，而光伏組件表面的玻璃會對入射光產(chǎn)生反射、散射和折射，因此安裝時使用不同類型的支架和不同的支架角度造成的損耗也會不同。從類型來講，固定式損耗最大，雙軸跟蹤式損耗最小。針對固定傾角的安裝模式，最佳傾角朝南向(處于北半球)時損耗最小。
電池片導線、組件電纜、二極管損耗
??? 光伏組件中有集電銀柵線，二極管和輸出直流電纜，這些材料在電力傳輸過程中是有損耗的，不同公司的產(chǎn)品因選材不同，損耗也會有一些區(qū)別，但數(shù)值不大。
組件中電池片功率失配損耗
??? 組件中的電池片都是按照電流分檔的，但是由于每一片電池片的輸出電流和電壓是不同的，分檔間隔有公差，其中電壓偏差會引起平均值變化，而電流偏差則引起短板效應(yīng)以致功率損耗。
組件實際功率與標稱偏差損耗
??? 組件標稱功率是有正負偏差標識的，但是計算時只以標稱數(shù)值為計算量，因此當有正偏差時，會提升PR數(shù)值，當組件有負偏差時則會降低PR值。
組件電池片與光輻照測量儀電池片技術(shù)不同
??? 目前市面常用的電池片有3種：多晶硅、單晶硅和薄膜類型，如果光伏電站中組件陣列和光輻照測量儀所使用的電池片不一致，則會造成系統(tǒng)效率PR的計算結(jié)果產(chǎn)生偏差。
組件與光輻照測量儀傾角、方向偏差損耗
??? 光伏電站中所使用的光輻照計量儀，如果其安裝的方向及傾角與光伏陣列組件安裝不一致，那么因為在同一時刻所接收的太陽光輻射量不同，則也會造成PR值的計算結(jié)果產(chǎn)生偏差。
光伏組件轉(zhuǎn)換效率因素
??? 光伏組件的轉(zhuǎn)換效率對電站系統(tǒng)效率PR值的影響也是一個因素，在相同環(huán)境條件下使用較高轉(zhuǎn)換效率的組件會得到較高的PR值，這是因為高轉(zhuǎn)換效率的高功率組件輸出發(fā)電量與標稱功率比值會比低功率組件發(fā)電量與標稱功率的比值要高。
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4.2 系統(tǒng)因素
統(tǒng)計記錄時間段誤差
??? 在做PR值測算時，數(shù)據(jù)測算統(tǒng)計記錄的時間段需要有足夠的長度。如果測算期間太短(例如少于1個月)，則計算系統(tǒng)效率PR值的測量數(shù)據(jù)是非常不可靠的，在這個期間出現(xiàn)的短暫極端天氣狀況，低溫或高溫及臨時陰影遮蓋等因素都會嚴重影響計算結(jié)果。
交直流電力電纜傳輸及接頭損耗
??? 光伏組件產(chǎn)生的電能在傳輸?shù)诫娋W(wǎng)公司的電力計量表的過程中，首先會經(jīng)過直流電纜到逆變器，再經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)化后通過交流電纜最終匯集到關(guān)口計量表后上到電網(wǎng)中。電能在直流電纜和交流電纜中傳輸就會發(fā)生損耗，而損耗的多少則取決于電纜的材料類型、粗細及長度，通常來講銅纜損耗少于鋁纜，電纜越粗越短則損耗越少。還有系統(tǒng)中電纜接頭的類型、數(shù)量和大小也會影響整個線路的損耗。有關(guān)電纜配線總損耗在光伏電站設(shè)計規(guī)范中是有要求的，國內(nèi)一般在2%-3%以內(nèi)，國外要求在1%-2%以內(nèi)。電纜損耗的多少會直接造成PR值相應(yīng)降低。
組串連接失配損耗
??? 由于生產(chǎn)工藝的原因，組件內(nèi)電池片都是按照電流精度分檔裝配，各個組件之間的電壓偏差在3%左右，而電流偏差約在1%左右。單個電池組件對系統(tǒng)的影響非常小，但是并網(wǎng)光伏電站則是由很多電池組件串聯(lián)后再并聯(lián)進行發(fā)電量匯集，因此多個偏差疊加會造成較大的損耗。
逆變器效率損耗
??? 逆變器本身就是電氣設(shè)備，在運行時是需要耗能的，這包括直流轉(zhuǎn)交流損耗，待機損耗，夜間損耗等。通過逆變器效率特性曲線可以看出，逆變器的最大效率目前可以達到98%以上，然而由于逆變器并不是長期處于最大效率時所需的功率負荷狀態(tài)，因此實際轉(zhuǎn)換效率會比理論值要低，此外不同廠家的逆變器的效率特性曲線不同，對匯集來的電能中電壓和電流響應(yīng)也不同(不同廠家的組件、不同的串聯(lián)數(shù)量、不同的并聯(lián)數(shù)量均會產(chǎn)生不同的效率)，以致轉(zhuǎn)換效率有差異。另外在輸入超出逆變器最大功率或超過工作電壓范圍的情況下，同樣會產(chǎn)生較大的能量損耗。
其他電氣設(shè)備效率損耗，如變壓器、斷路器、計量傳感、保護設(shè)備等
??? 在整個光伏電站系統(tǒng)中，還有其他很多電氣設(shè)備自身會消耗能量，例如：直流側(cè)的匯流箱(銅排、斷路器)；交流側(cè)的匯流柜/配電柜/并網(wǎng)柜/計量柜等，這些柜體內(nèi)均布置了多種會產(chǎn)生能量損耗的電氣設(shè)備、電纜或銅排；此外還有單元升壓變壓器和主變壓器，效率在95%-98%之間，這是因為其運行時有能量損耗，還有夜間空載損耗。
施工不當造成的材料設(shè)備額外功率損耗
??? 該因素也可以歸納為系統(tǒng)可利用率，主要受設(shè)備的可靠性、系統(tǒng)設(shè)計、施工質(zhì)量及運營維護的影響。一個高品質(zhì)且運維優(yōu)良的光伏電站其壽命可以很長，各項設(shè)備材料都會比正常衰減要慢，這樣就會使得PR值會比預期要高。
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5 結(jié)語
??? 本文詳細闡述了有關(guān)光伏電站系統(tǒng)效率Performance Ratio(PR)的計算方式及對PR值有影響的各個因素，這對光伏電站建設(shè)和運維維護有重要的技術(shù)指導作用，當了解了PR的詳細定義和影響因素，就能針對各個因素采取相應(yīng)的措施來提高PR值，并避免或減少發(fā)電系統(tǒng)和發(fā)電過程中的損耗，增加發(fā)電收益。有關(guān)如何提高PR值的具體措施這里就不再詳細敘述，歸納起來最重要的四點就是：主要發(fā)電設(shè)備材料的選取，電站系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，建設(shè)施工質(zhì)量的把控和細致有序的運營維護。前面三點是高品質(zhì)電站建成的基礎(chǔ)，最后一點則是保持電站長期穩(wěn)定高效產(chǎn)生收益的關(guān)鍵，這其中如果擁有先進的監(jiān)控系統(tǒng)則能對運維工作起到重要的輔助功效。
??? 另外，系統(tǒng)效率PR在一定程度上反應(yīng)了設(shè)備和系統(tǒng)的性能，但是高性能通常也代表了高成本，作為一個投資光伏電站的業(yè)主來說，高性價比才是其最關(guān)心的，所以如果一味的追求高PR值，所獲得的投資收益卻不一定能達到預期，因此我們在電站建設(shè)初期要根據(jù)自有資金規(guī)模，以及電站建設(shè)占地面積等因素，提前做好PR的前期分析及初步確定投資收益比，再綜合考慮選材、設(shè)計及施工，并按照預期完成電站的建設(shè)。同樣，運維工作也需要考慮高性價比，例如組件清洗雖然可以大大提高發(fā)電量，但清洗的次數(shù)過多則會提高運維成本及對光伏組件的壽命產(chǎn)生影響。
??? 隨著光伏系統(tǒng)的不斷發(fā)展，技術(shù)水平越來越高，設(shè)備材料成本也在一直在下降，選取合適的設(shè)備，進行優(yōu)化設(shè)計，加上高質(zhì)高量的施工，相信未來建設(shè)一個高PR值的光伏發(fā)電站也將不會花費更多的成本。
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原文始發(fā)于微信公眾號（坎德拉學院）：【金筆征文】并網(wǎng)光伏電站系統(tǒng)效率分析