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头两年衰减在2%以内的光伏组件基本很少?高达24%的发电损失去哪了?

国际太阳能光伏网  来源:太阳能光伏  日期:2017-10-31
   导读: 经常看到光伏电站的统计数据中,从光伏组件直流转换为电网交流的转换效率却低至74~80%。即使逆变器转换效率实际为98%,但是这个差额18~24%去哪里了?
 
  经常听到光伏部件出现种种创新,比如组件实验室效率24%、量产效率20%,而逆变器转换效率宣称99%。其中组件效率指的是光电转换效率,逆变器转换效率指的是从其直流输入转换为电网交流的工作效率。
 
  大家都知道电站“转换效率”非常关键,因为它直接影响到了发电收益。虽然上面提到的两个核心部件的转换效率已实现了跨越式突破,但还是经常看到光伏电站的统计数据中,从光伏组件直流转换为电网交流的转换效率却低至74~80%。即使逆变器转换效率实际为98%,但是这个差额18~24%去哪里了?
 
  有人可能怀疑是交直流电缆线损、直流汇流箱或交流配电柜损耗所导致,但是这部分损耗一般仅为1~3%左右,还是解释不了这么大的能量损失。其实,站在整体系统的角度考虑,“发电量损失”的根源正是“组件串联的木桶效应所导致的失配损失”,木桶效应是光伏发电损失的罪魁祸首,这也是本文所要讨论的核心问题。
 
  01光伏组件的伏安特性
 
  当前光伏发电市场的应用主流是晶硅组件,包含多晶和单晶。薄膜电池可弯曲性好、弱光发电能力较强,但相比较之下,晶硅组件性价比、能量密度更高及长期运行稳定性更好。所以,晶硅组件也成为本文的主要讨论对象。晶硅组件核心材料是量大价低的半导体硅,主要由电池片、焊带、背板、边框、及内含旁路二极管的接线盒等构成,如图1所示。
 
  图1 晶硅光伏组件的外形图
 
QQ截图20171031161211
 
  光伏组件内部电池片的等效模型如图2所示,其中Rs为组件串联阻抗、Rsh为组件自身阻抗。光伏电池本质上是一个电流源,只是这个电源流被二极管限定电压至0.5~0.7V。由于晶硅组件内部由多个电池片串联而成,因此组件输出电压大约为30~42V。
 
  图2 光伏组件内部电池片的等效模型
 
QQ截图20171031161218
 
  基于以上电池片等效模型,可以得到以下光伏电流和电压之间的数学函数关系式。根据高等数学的相关知识,从这个函数关系可以清楚看出,这两者之间是一种非线性关系。
 
  光照强度直接影响组件输出电流,以sunpower黑硅单晶组件为例,如图3所示(https://us.sunpower.com/sites/sunpower/files/media-library/data-sheets/ds-e18-series-225-solar-panel-datasheet.pdf)。光照强度为200w/m2时,组件电流为1.2A;如果光照强度增大至1000w/m2时,组件电流相应增大至6.0A,从而说明组件电流与光照强度成正比,反之亦然。
 
  图3 光伏组件的伏安特性曲线
 
QQ截图20171031161229
 
  由图3也可看到一个有趣并且重要的现象,即在标准测试条件(STC)下,每种光照条件的伏安特性曲线只有一个拐点,这个点就是光伏组件的最大功率点(MPP)。另外,如果STC中的环境温度由25C增大至50C时,同种光照强度下组件电流基本无变化,但组件电压会降低,从而说明环境温度直接影响光伏组件输出电压。
 
QQ截图20171031161235
 
  图4清楚说明了晶硅组件的温度特性:相对于25Co标准测试条件,温度每升高1Co,组件电流可增大0.067%,组件开路电压降低0.33%,组件最大功率降低0.43%。从而温度对组件电压影响较大,但对组件电流影响不大,基本可以忽略不计,因而温度每升高1Co,组件MPP电压降低0.43%。这里插个题外话,在组串中选择组件串联的个数时,需根据所选用的组件温度系数,仔细核算低温下组串电压不可超过逆变器的最大输入电压。

  02组件和组串的内部串联结构
 
  经常听到晶硅组件60片、72片的说法,这个实际讲的是组件内部电池片串联的个数,每个电池片是一个独立的光伏电池单元。如图5所示,每20片或24片光伏电池对应一个子串,光伏组件由3个子串串联而成,每个子串两端反并联一个旁路二极管,旁路二极管可减轻热斑效应。这3个子串的输出线及旁路二极管在组件接线盒中用于电气连接,再通过接线盒引出总的正负两根出线,也就是光伏组件日常附带的直流接头和电缆。
 
  图4 晶硅组件内部的3个子串及其旁路二极管
 
QQ截图20171031161246
 
  以上说明了晶硅组件内部由3个子串串联而成,其实当前光伏发电系统的光伏组串也是由多个组件串联而成,如图5所示。不管是集中式逆变器的直流汇流箱、还是组串式逆变器的直流输入端,都会接入光伏组串,组串一般由20~24个组件串联而成。所以,当前所有光伏发电本质上都是把多个电池片串联使用,以生成光伏组串的直流高压,便于逆变器实现并网交流发电。由初中物理知识可知,电路中不允许多个电流源串联,否则总电流由最小电流的电流源决定。另外在这里偷偷说一句,几个组串并联也存在能量损失,由于线路阻抗的存在,并联电压源的总电压由最低电压的电压源决定。
 
  图5 多个组件串联的组串式或集中式光伏发电系统
 
QQ截图20171031161255
 
  03光伏组件的木桶效应
 
  参考度娘百科,盛水的木桶是由多块木板箍成的,盛水量也是由这些木板共同决定的。若其中一块木板很短,则此木桶的盛水量就被限制,该短板就成了这个木桶盛水量的“限制因素”(或称“短板效应”),如图6所示。若要使此木桶盛水量增加,只有换掉短板或将其加长才行。
 
  图6 木桶效应示意图
 
QQ截图20171031161302
 
  一个水桶无论有多高,盛水量取决于其中最短的那块木板,人们把这一规律总结为“木桶原理”或“木桶效应”,又称“短板理论”。其核心内容为:一只水桶盛水的多少,并不取决于桶壁上最长的那块木块,而恰恰取决于桶壁上最短的那块。根据这一核心内容,“木桶效应”还有两个推论:其一,只有桶壁上的所有木板都足够高,那水桶才能盛满水。其二,只要这个水桶里有一块不够高度,水桶里的水就不可能是满的。
 
  为了让水桶尽量多装水,必须要找出薄弱环节(短板),并且改进该环节把这个短木板加长。命苦不能怨政府,幸福的家庭是相似的,而不幸的家庭各有各的不幸。很不幸光伏组件串联或内部串联子串都存在木桶效应,甚至可以说木桶效应已充满光伏发电系统中。
 
  由于组件内部串联子串或组串中多个组件串联的本质特性相似,以下以组串为例说明。如图7所示,由3个光伏组件串联构成一个组串,每个组件电流相同时,构成组串的总电流也相同,实际上组串总电流等于每个组件电流。这种工作状况下,每个组件的MPP完全一致,当然这是一种非常理想而实际中并不存在的情形。
 
  图7 组件MPP一致情况下的组串电气特性
 
QQ截图20171031161310
 
  理想很丰满,现实太骨感。实际上,组串中每个组件MPP不可能完全一致,如图8所示的第3个组件(PV3)由于种种原因MPP发生变化,而第1、2个组件(PV1、2)仍然可实现MPP。这种情况下如果这3个组件仍然串联构成一个组串时,组串的总电流不可能达到理想数值,也不可能继续最大功率输出。组串最大输出功率受逆变器的MPPT算法限制,既可能工作于受电流源串联物理原的影响而电流限制在PV3的小MPP电流,也可能工作于PV1、2近似最大功率点而PV3旁路二极管导通的状态(即图8所示)。
 
  图8 组件MPP不一致情况下的组串电气特性

QQ截图20171031161318

  04木桶效应导致组件失配
 
  上一节提到,当组串中组件PV3的MPP变小时,组串最大输出功率受逆变器的MPPT算法限制,既可能工作于受电流源串联物理原的影响而电流限制在PV3的MPP,此时的直观状态是组串电压高而功率小;也可能工作于PV1、2近似最大功率点而PV3旁路二极管导通的状态,此时的直观状态是组串电压低而功率大。
 
  为了清楚解释这个问题,先得从光伏逆变器的内部构造说起。所有类型的光伏逆变器的功率回路由组件或组串、输入开关、EMI滤波、逆变电路、交流滤波、及输出开关构成,而信号回路由交直流采样、驱动电路、LCD显示、及控制构成,如图9所示。
 
  图9 光伏逆变器的内部构造
 
QQ截图20171031161328
 
  除了实现直流-交流功率变换和并网控制外,逆变器的关键功能之一是MPPT跟踪,其目的是通过组串电压扰动找到组串的最大功率点。具体控制策略主要使用爬山法、导纳法、神经网络等,当前产品化主要使用爬山法。这些MPPT算法可以寻找到光伏组串的最大功率点,但是无法找到每个组件的最大功率点,下面以图10中两个组件串联为例说明。
 
  图10 两个组件串联构成的一个组串
 
QQ截图20171031161334
 
  这个组串由两个组件串联构成,两个组件分别为I、II,使用第1节的组件等效模型和数学函数关系式,两个组件MPP一致时,组串电压分别与组串功率、电流的函数曲线只有一个转折点,也就是最大功率点;但第I个组件由于种种原因MPP发生变化,而第II个组件仍然可实现MPP时,组串MPP点出现了双峰,如图11所示的A、B点。山峰太多平时看起来很壮观、很漂亮,但是一旦出现在组串上,逆变器的MPPT算法就会搞晕,既可能呆在A点、也可能留恋B点。A点的电压低而功率大,实质上是组件I的旁路二极管导通了,不然组件I将承受反向电压而发生热斑效应而挂掉,这样损失了组件I的输出功率,因为其或多或少还是有输出功率的。而B点的电压高而功率小,实质上是组串电流等于组件I电流,而组件I电流远小于组件II,这样损失了组件II的部分功率。
 
  图11 两个组件串联构成的组串电气特性
 
QQ截图20171031161342
 
  光伏逆变器的常规MPPT算法是从组串的开路电压开始跟踪组串最大功率,因此最有可能的是可以找到B点。近年来国外有些老牌厂商也提出了MPPT的多峰算法,有可能可以找到A点,但是这种多峰算法实际中很少使用。为什么呢?只因为MPPT速度太慢,很可能由于使用这个算法而导致更多的光伏能量损失。
 
  光伏组件MPP变小的直接原因是遮挡,也就是组件的光照强度下降。图12所示为单个电池片遮挡对组件功率影响的实验数据,如果单个电池片的遮挡面积为25%,组件功率损失为8.3%;如果电池片遮挡面积达到93.5%,组件功率损失为87.3%。这个木桶效应的影响非常大,因为组件内部存在60、或72个电池片,结果显示某个电池片被遮挡,光伏组件基本已经没有功率输出,而这个电池遮挡面积仅占整个组件的1.55%!
 
  图12 单个电池片遮挡对组件功率的影响
 
QQ截图20171031161349
 
  图13所示为单个组件遮挡对组串功率影响的实验数据,如果单个组件的遮挡面积为25%,组串功率损失为12.21%。这个木桶效应的影响非常大,因为这个组串由20个组件串联构成,而这个组件遮挡面积仅占整个组串的1%!
 
  图13 单个组件遮挡对组串功率的影响
 
QQ截图20171031161357
 
  木桶效应是光伏电池串联必须导致的结果,但是从经济性考虑,组件串联提高直流电压后才可降低电缆、逆变器等造价。

  当然创新是无止境的,国外也有厂商把晶硅组件采用了类似碲化镉薄膜组件技术,把组件内部的电池片做成矩阵式结构,如图14所示。但是这种电池片矩阵式结构虽然消除了电池片级的木桶效应,但是并没有改变组件串联构成组串的悲催现实,这样光伏组串仍然存在木桶效应而导致组件失配的能量损失。除非把组件串联改成并联结构,这样直流母线电压将会很低,可以完全消除传统光伏系统的木桶效应问题,但会导致电缆、逆变器的损耗增大、造价增加。在这里呼吁一下愿意制造这种矩阵式电池片的组件厂,茂硕电气配合研发低压逆变器,我们在深圳等您。
 
  另外,SNEC2017上看到有的组件厂推出了半片技术,有的也推出了每个电池片反向并联旁路二极管技术,半片技术、更多旁路二极管在一定程度上可以减轻木桶效应,只是要评估价格的增加幅度。
 
  图14 矩阵式电池片结构的组件并联系统
 
QQ截图20171031161408
 
  05导致木桶效应的根本原因
 
  导致木桶效应的根本原因基本上可以分为两类:
 
  一个是因为组件本身原因
 
  另一个是使用组件的外部环境
 
  一般人比较关注光伏组件的衰减和老化及制造过程的离散性,比如很多组件厂承诺头两年衰减不超过2%,10年内不超过10%,25年不超过20%。但是据统计,头两年衰减在2%以内的光伏组件基本很少。
 
  另外,标称功率偏差也是光伏组件的一个重要参数,一般±3%以内是可以接受的,当然大厂做得更好也更有担当,只有正偏差而没负偏差。这个参数也说明,虽然组件的标称参数相同,但实际上输出功率曲线却有差异。但是更重要的是,每个电池片、组件的衰减速度、老化程度及功率偏差不可能完全相同,因此这样的电池片串联构成组件、这样的组件串联构成组串必然存在木桶效应。比如,60个电池片串联时,其中某个电池片提前老化了,那么就会造成整个组件的功率失配损失;20个组件串联时,其中某个组件功率是负偏差,虽然其他组件功率都是正偏差,这样也会造成整个组串的功率失配损失。
 
  与组件本身原因相比较,使用组件的外部环境更加复杂,并且更容易导致木桶效应,而光伏电池串联系统容易发生木桶效应,其直接原因是组件内部每个电池片、或组串内部每个组件的光照不均匀导致的输出功率不相同。如图15所示,存在太多的外部环境容易使电池片、或组件之间的光照不均匀,比如屋顶发电的女儿墙对电池片、组件的部分遮挡;地面电站前后排组串的阴影;光伏组件表面的灰尘、积雪、脏污不一致;地面电站组件旁边的杂草;光伏组件的倾角不一致;组件老化不均匀;同一处光伏电站所使用的组件温度还有可能不一样;当然天上的朵朵白云也导致组件光照不一致。
 
  图15 导致木桶效应的外部环境
 
QQ截图20171031161416
 
  因此,导致木桶效应的部分原因是可以解决的,比如阴影、杂草遮挡等,甚至现在组件出厂时还可以分级筛选,把性能相近的组件归到同一组串,但是这种措施没考虑到几年后组件的不均匀老化问题。但是,更多导致木桶效应的原因却难以解决,比如人们还控制不了云彩,也不可能让灰尘和积雪完全一致,更关键的是无法达到相同的组件衰减率。
 
  06总结
 
  为什么一再旗帜鲜明地不看好当前1500Vdc光伏系统呢,原因是没改变组件内部的电池片串联结构,主要是1500Vdc组串中组件串联的数量更多了,进一步提高了木桶效应出现的机率,并且组串MPP点出现山峰更多,从而木桶效应变得更加严重。
 
  汇总全文内容,其实归根结底就是以下几句话:
 
  1)、光伏组件由多个电池片串联构成,组件内部存在木桶效应;

  2)、光伏组串由多个组件串联构成,组串内部存在木桶效应;

  3)、造成光伏木桶效的根因部分容易处理,而更多的外部因素无法解决;

  4)、矩阵化电池片的组件并联技术可消除木桶效应,但需评估效率和成本;

  5)、电池半片、更多旁路二极管可减轻木桶效应,但需评估成本和工艺;
 
  木桶效应所导致的组件失配会造成发电收益降低,并且降低的幅度高达18~24%。本来组件的光电转换效率已经够低了,就这么低的直流电力还不能实现全部的并网发电,即使逆变器转换效率高达98、99%也是枉然。
 
  从根本上说,木桶效应的本质是低的组件利用率,而组件利用率既不是组件厂的技术范畴,传统逆变器公司也是无能为力,可以说还是一个空白区。为了提高组件利用率、消除木桶效率,优化器、微逆是其中切实可行的改进措施,并且这个是咱们电力电子人可以做的事情,也是本系列后续重点讨论的内容。
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