并网光伏电站发电量的计算

华中未名

第五部分光伏系统、平衡部件及并网工程·1347·
并网光伏电站发电量的估算
杨金焕
(上海电力学院太阳能研究所，上海200090)
摘要评价并网光伏电站的效益时，全年发电量是最重要的指标之一。分析影响并网光伏电站发电量的
因素，大体可以归纳成：电站装机容量、系统综合效率和太阳辐照量三部分。有些因素(如气象、地理条件等)
虽然无法改变，但可以将方阵调整到最佳倾角，使得方阵面上全年能接收到最多太阳辐照量。还可以通过采
用高质量的部件、进行优化设计、精心安装、妥善维护等方法来尽量降低损耗，改善系统综合效率，从而达到
提高光伏电站发电量的目的。
关键词并网光伏电站；发电量；综合效率；太阳辐照量；最佳倾角
Estimation of Generating Capacity of Grid-Connected PV Power Plant
Yang Jinhuan
(Shan【ghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China)
Abstract When evaluation of the effectiveness of grid·connected photovoltaic power station，the annual
generating capacity is one of the most important indicators．Analyze the influencing factors of generating
capacity of grid·connected photovoltaic power station，and then it can be roughly summed up three parts as：
power station installed capacity；systems integration efficiency and the amount of solar radiation．Although
some factors(such as weather，geographic conditions，etc．)can not be changed，photovoltaic array can be
adjusted to the optimum angle，in order to make sure that the surface of array will receive the most amount
of annual solar radiation．By using the methods of introducing high-quality components，optimizing the de·
sign，carefully installing and properly maintaining and so on，it can also minimize loss and improve the inte—
gration efficiency of system and boost the purpose of generating capacity of photovoltaic power station．
Keywords grid-·connected photovoltaic power station；generating capacity；performance ratio；solar radia··
tion；optimum angle
1 引言
进入2l世纪以来，人们对于保护生态环境，
应对气候变化的认识逐渐提高。同时由于社会的
发展，并网光伏应用技术的不断提高和光伏发电
成本的逐步降低，并网光伏系统的应用范围和规
模迅速扩大，到2001年全球并网光伏系统的安装
量就超过了离网光伏系统，此后差距逐渐拉大，现
在由于大型光伏电站的数量快速增长，全球安装
的光伏系统中并网系统已经占绝大多数[1]。
在建造并网光伏电站，分析评估其经济和社
会效益时，其全年发电量是最重要的指标之一。
由于其牵涉的因素很多，关系非常复杂，所以必须
以科学的方法，合理地估算并网光伏电站的发电
量。当前有不少资料为了强调光伏电站的效益，
收稿日期：2010—07—19
作者简介：杨金焕(1939一)，男，江苏常州人，教授。主要从事太阳能光伏应用技术研究。
E-mail：yang_．jinhuan@hotmaik tom
·1348· 第十一届中国光伏大会暨展览会会议论文集
往往不切实际地夸大光伏电站的发电效果，这种
倾向应当加以纠正。
2影响发电量的因素
影响并网光伏电站发电量的因素大体可以归
纳为以下3个方面。
2．1并网光伏系统装机容量
通常所谓光伏电站装机容量是指系统中所有
太阳电池组件峰值功率之和，显然，这对于并网光
伏电站的发电效果是起决定性作用的，在其他条
件相同时，并网光伏电站装机容量(功率)越大，无
疑发电量也越多。
2．2综合效率(PR)
1．PR的定义
PR是一个衡量光伏系统性能的重要指标，
定义为光伏系统输出给电网的能量与方阵接收到
的太阳能量之比，它与光伏系统的容量、安装地点
的太阳辐射情况以及方阵的倾角和朝向等条件
无关[2l。
PR=Yf／yr (1)
式中：yt是光伏电站单位功率的发电量。
Yf=EP、，／Po(kWh／kW) (2)
式中：Epv为光伏电站逐月或逐年的发电量；Po为
光伏电站的额定容量。
y，是当地水平面上的峰值日照时数。
Y，一H／G(h) (3)
式中：H为当地水平面上逐月或逐年的总辐照
量；G为标准测试条件下，地面太阳辐射强度，
G=1000 W／m2。
2．影响因素
并网光伏电站中PR的大小与系统设计、安
装、部件质量的好坏、平衡部件(包括逆变器、控制
设备等)的效率和连接线路等造成的损失，以及运
行维护情况等很多因素有关，大致可以分为以下
几个方面。
(1)失配损失
并网光伏电站的太阳电池方阵由大量太阳电
池组件组成，即使全部采用相同功率的组件，各个
组件的最佳工作电压和电流不一定完全相同，原
则上在安装过程中将组件连接时，应该事先经过
挑选，将工作电流基本相同的串联在一起，再将组
件串中工作电压基本相同的并联在一起。但在实
际安装时，往往由于组件数目很多，来不及进行挑
选，只好随意连接，这样整个方阵的总功率就会小
于各个组件的功率之和。
(2)连接损失
组件之间或组件到接线盒以及到平衡部件都
需要用导线连接，由于导线本身具有电阻，加上有
大量的连接点，安装时稍有不慎，就会造成接触不
良。有些使用的连接导线线径太细，就会造成较
大的线路损耗。
(3)衰减损失
太阳电池在工作一定时间后，由于电池性能
的衰减，其输出功率会有所下降，通常认为对于晶
体硅太阳电池其年衰减率为1％左右，如果是非
晶硅太阳电池，其衰减率可能更大一些。此外由
于封装材料的老化等原因，也会造成太阳电池方
阵输出功率的减少。
(4)遮蔽损失
在运行过程中，方阵表面会沉积灰尘，由于并
网光伏系统的太阳电池方阵倾角比较小，往往不
能仅仅依靠雨水冲刷来清洁方阵表面。如果没有
及时清洗，会影响光伏系统的发电量。此外，有些
太阳电池方阵前面有树木或建筑物遮挡，这些都
会造成遮蔽损失。
(5)温度影响
太阳电池组件的额定功率是在标准测试条件
下测定的，如果在运行时，太阳电池的温度高于
25℃，太阳电池的输出功率会减少，因此，特别是
在南方，夏天温度比较高时，太阳电池方阵的输出
功率会有显著的下降。
(6)平衡部件的效率
在光伏电站中，除了太阳电池方阵以外，还要
配备控制、逆变器、升压变压器等平衡部件，这些
部件也要消耗部分能量。
此外，在光伏电站运行期间，如有部件发生故
障，或者操作失误，以至发生停电等情况，都要影
响光伏电站的发电量。
2．3太阳辐照量
这无疑是影响光伏电站发电量的另一个决定
第五部分光伏系统、平衡部件及并网工程
性因素，同样功率的光伏方阵，安装在不同地区，
发电量就不相同。
照理，光伏电站建成后，所发出的电量取决于
运行时方阵面上所接收到的太阳辐照量，因此，如
果能够得到运行期间的太阳辐射数据，就可确定
光伏电站的发电量。然而，由于太阳辐射的随机
性，一般无法精确预测运行时每天的太阳辐照量。
所以在设计光伏电站时，通常只能采用当地太阳
辐射的历史资料作为参考依据，为了尽量接近实
际情况，应当用当地多年(至少10年)太阳辐射的
数据取平均值。
这里还要指出，如深入研究历史气象资料，可
以发现：即使取平均值，当地太阳辐照量还是有变
化的，多数地区近年来的太阳辐照量都在变小。
作者对国家气象中心提供的有完整气象资料的中
国62个气象观测站，1961--1980年和1982—
2000年2组实际测量数据，进行了整理和比较，
发现绝大多数地区，后20年的平均太阳辐照量，
都要比前20年的平均太阳辐照量少，只有5个地
区稍有增加。这与一些国外的测量和分析结论相
符。这种现象看起来似乎与全球气候暖化的结论
相矛盾，一种可能的解释是由于大气污染，天空中
尘埃颗粒增多，使得大气透明度下降；同时由于气
候变暖，海水蒸发量增加，使得云层变厚，因此照
到地面的太阳辐射量有所减少。
1．太阳电池方阵的倾角
如何最大限度地增加太阳电池方阵表面上所
接收到的太阳辐照量，这是光伏电站设计时，需要
着重考虑的问题。在当地太阳辐照条件一定的情
况下，可以通过调整太阳电池方阵与地面的倾角
来增加接收到的太阳辐照量，以达到提高光伏系
统发电量的目的。
为了光伏方阵表面能接收到更多太阳的能
量，根据日地运行规律，方阵表面最好是朝向赤道
(方位角为o。)安装，即在北半球朝向正南，南半
球朝向正北，并且应该倾斜安装。
太阳电池方阵的倾角不同，各个月份接收到
的太阳辐照量也不一样。对于并网光伏系统，由
于所产生的电能可以全部输入电网，能够得到充
分的利用，因此，确定太阳电池方阵的倾角就比较
简单，只要取方阵面上全年能接收到最大辐照量
所对应的倾角，就是太阳电池方阵的最佳倾角。
有些文献提出并网光伏方阵的安装倾角等于
当地纬度，其实这是不恰当的。实际上，即使纬度
相同的两个地方，其太阳辐照量及其组成也往往
相差很大，如我国的拉萨和重庆地区纬度基本相
同(仅差0．05。)，而水平面上的太阳总辐照量却
要相差一倍以上，拉萨地区的太阳直射辐照量占
总辐照量的67．7％，而重庆地区的直射辐照量只
占33．8％，显然加上相同的角度作为方阵倾角是
不合适的。
根据计算，除了个别地区，并网光伏方阵的最
佳倾角都要小于当地纬度[3]。
2．倾斜面上太阳辐照量的计算
一般气象台站提供的只是水平面上的太阳辐
射资料，需要通过比较复杂的计算来确定倾斜面
上的太阳辐照量。
不过在计算太阳辐照量的平均值时，首先要
选取合适的时间间隔。对于一般的光伏系统而
言，不必考虑瞬时(或是逐小时或逐日)太阳辐射
通量，因为要计算逐小时或逐日的太阳辐照量，既
十分复杂，也没有必要。正确的方法是进行逐月
的太阳辐照量平均值计算，因此要将水平面上的
月平均太阳辐照量换算成倾斜面上月平均太阳辐
照量。现在国际上采用的是Klien和Theilacker
在1981年提出的计算方法[4]，只是计算公式相当
复杂，一般需要编制专门的软件来进行计算。
在光伏系统安装时，特别是在光伏与建筑一
体化(BIPV)系统中，太阳电池方阵由于受到建筑
物方向的限制，往往不能全部朝向赤道，可能会有
几种不同的方位，形成多个子方阵。方位角不同，
太阳电池子方阵的最佳倾角也不一样，这时就要
对于每一种方位角的子方阵，分别计算其全年能
接收到最大太阳辐照量所对应的角度，作为该子
方阵的最佳倾角。
以上这些影响因素，有些是无法通过人为方
法加以控制的(如太阳辐照量等)，而多数是可以
通过选用高质量的部件、进行优化设计、精心安
装、妥善维护等手段来减少光伏系统发电量的
损失，特别是要通过仔细计算，确定方阵的最佳
倾角，从而使得太阳电池方阵全年能够接收到
最大的太阳辐照量。因为如果方阵倾角选择不
当，即使影响1％，对于一个MW级光伏电站，
每年就会损失上万kWh的电能，所以绝不可掉
以轻心。
·1350· 第十一届中国光伏大会暨展览会会议论文集
3发电量估算
综上所述，并网光伏电站每年的发电量可以
用简单的公式进行估算：
Eo。=H；·Po·PR (4)
式中：Eo。为并网光伏电站全年输出的能量，单位
是：kWh／y；Ht为光伏方阵面上全年接收到的太
阳总辐照量，单位是：kwh／m2／y；P0为光伏系统
额定功率，单位是：kw；PR为综合效率。
同样也可以根据月平均太阳总辐照量，计算
出光伏电站各月发电量。
3．1 PR的确定
对于不同的光伏电站，情况千变万化，因此综
合效率PR也各不相同。国际能源署(1EA)光伏
发电项目(PVPS)Task一2对于并网光伏系统做了
大量调查和分析，得出的结论是全球典型的并网
光伏系统的平均综合效率PR呈上升趋势，从
1991年的64％至2005年增加到74％[5]，原因是
由于技术的进步，使得逆变器等部件的效率有了
提高；加上检测设备性能的改进，使得由于故障造
成的停机频率和时间缩短}方阵的结构考虑了通
风降温以及对于组件性能的更加精确的分类等因
素有关。最新的研究指出，对于一般按照最佳倾
角安装在屋顶和地面的并网光伏系统，推荐分别
用PR----75％和PR=80％来进行计算[6]。
3．2太阳辐照量日。
如上所述，首先要根据气象台提供的当地长
期水平面上太阳辐照量的资料，应用Klein．S．A
和Theilaeker．J．C所提出的计算方法，算出不同
倾斜面上的太阳辐照量并进行比较，才能得到当
地全年能接收到的最大太阳辐照量H。，其相应的
倾角即为方阵最佳倾角。同时可以得到各个月份
太阳电池方阵面上所接收到的太阳辐照量，和全
年接收到的太阳总辐照量H。。
将倾斜面上太阳辐照量的单位换算成
kwh／m2·Y一，即为全年峰值日照时数。但要特
别注意，这并不是通常气象台提供的日照时数。
如果太阳电池方阵不是朝向赤道，即方位角
不为零时，其方阵最佳倾角就要另行计算，当然当
地全年能接收到的最大太阳辐照量H，也不一样。
算出方阵面上当地各个月份的平均太阳辐照
量后，通过式(4)，即可计算出光伏电站各个月份
的发电量。
光伏电站如果是由不同朝向的若干子方阵组
成，这时就要分别确定各个子方阵的最佳倾角及
其所接收到的太阳辐照量，然后根据公式(4)求出
各个子方阵的逐月发电量，相加后即为该光伏电
站的全年发电量。
4案例分析
计划在上海地区的厂房屋顶上建造一座
1 MW并网光伏电站，试确定光伏方阵安装的最
佳倾角，并估算各月的发电量。
根据上海地区的气象资料，算出不同倾斜面
上的太阳辐照量并进行比较，得到上海地区在朝
向正南时，全年能接收到的最大太阳辐照量所相
应的倾角为22。，此即为方阵最佳倾角。由此计
算得出倾斜面上各个月份的平均太阳辐照量，同
时依据式(4)，取PR—o．75，计算出并网光伏电
站各个月份的发电量，数据见表l。
表1上海地区各月太阳辐照量及1 MW并
网光伏电站发电量
水平面上22。时倾斜
太阳辐照量面上太阳
平均每天平均该月发
H 辐照量H。
发电量Ed 电量Em
(kWh／d) (kWh／m)
(kWh／fn2·d-1) (kWh／m2·d-J)
1月2．079 2．481 1 861 57 683
2月2．598 2．926 2 195 61 446
3月2．974 3．138 2 354 72 959
4月4．036 4．050 3 038 91 125
5月4．652 4．485 3 364 104 276
6月4．164 3．963 2 972 92140
7月4．864 4．635 3 476 107 764
8月4．611 4．550 3 413 105 788
9月3．816 3．962 2 972 89145
10月3．144 3．483 2 612 80 980
11月2．442 2．907 2 180 65 408
12月2．114 2．620 1 965 60 915
将各月的发电量相加，即可得全年总发电量
为989 629 kWh。可见平均每1 W装机容量，在
第五部分光伏系统、平衡部件及并网工程· 1351 ·
上海地区每年可以发电将近1 kwh。
5 结论
相同容量的并网光伏电站，即使安装在同一
地点，发电量也可能相差很大，必须加以仔细分析
研究。影响并网光伏电站发电量的因素很多，这
些因素中有些可以采取一定的措施，加以改进。
并网光伏电站的发电量主要与光伏方阵的装
机容量、方阵面上接收到太阳辐照量以及光伏系
统的综合效率有关。
光伏系统的综合效率是在光伏系统组合过程
中，由于各种因素所造成的能量损失，这是可以通
过人为手段加以控制的，如选用高质量的部件、进
行优化设计、精心安装、妥善维护等方法来尽量降
低损耗和停机时间。
当地的太阳辐射情况等自然条件是不受人们
控制的，然而可以通过计算得出太阳电池方阵的
最佳倾角，使得方阵面上全年接收到太阳辐照量
最多，从而提高并网光伏电站的发电量。
总之，在建造并网光伏电站的过程中，要重视
每个具体步骤，使得光伏方阵面上尽量接收到最
多的太阳辐射能量，同时想方设法减少各个环节
的能量损失，通过努力将各种允许人为控制的条
件尽量完善，促使并网光伏电站能够发挥最大的
经济和社会效益。
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并网光伏电站发电量的估算
作者： 杨金焕
作者单位： 上海电力学院太阳能研究所,上海 200090
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