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          知識分享|存量光伏電站從運維端實現提效增發的常見措施
          根據國家能源局的統計數據,截止2018年底,我國光伏累計裝機容量達到了174.63GW,其中集中式電站占比71%,分布式光伏占比29%,金太陽項目累計裝機容量6.15GW,占比約3.5%。光伏電站在早期建設時由于存在粗放式增長、追求規?;?、趕工期等弊端,很多電站存在質量缺陷,同時光伏項目的建設缺乏全生命周期的理念,導致設計、施工與后期運維脫節。隨著存量電站的規模越來越大,部分地區的消納能力存在一定的制約,西部電站仍存在一定的棄光限電,雖然通過電力交易手段可以降低棄光率,但是大多數光伏企業是以低于政府批復電價的價格參與的電力交易,低于脫硫煤上網電價,另外新能源補貼拖欠的歷史遺留問題對發電投資企業也是帶來了一定的資金困境。在這種外界大環境下,對于存量光伏電站持有者而言,在關注政策變化、市場行情的同時,筆者認為更多的焦點還需要放在電站的運維管理上,盡可能的解決因前期設計施工遺留下來的問題,同時保障設備的安全穩定運行,每多發出一度電,就有多一度電的收益,并積少成多。
          光伏電站在25年及以上的運行期間,電站運營效率和效果直接影響電站的運行穩定性及發電量。依靠自動化系統、通訊技術、數字技術的發展,光伏電站的運維方式逐漸地由粗放、被動、人工的傳統運維方式向精細、主動、系統的智能運維方式轉變,運維企業并通過一支專業化的運維隊伍,在依據標準可落地的運營制度,進行精細化管理。在運維過程中,各家的運維工作的方式、操作內容、執行標準可能都有些差異。但不管如何,降低運維成本,提升發電量都是最為關心的話題,因為它直接影響到收益,也是對能源服務商的重要的考核指標之一。
          光伏電站的發電量和很多因素有關,如輻照量、系統效率、電站運維工作、設備穩定性、不可抗力的環境因素等。我們說光伏電站看天吃飯,因為天氣的好壞確實對電站的發電有很大影響,除了客觀因素,有些是可以通過日常的運維工作去改善,比如組件臟污、低效發電單元,這兩塊主要是發生在光伏場區直流側,在電站的多年運行當中需持續關注,對于整個電站的發電量或系統效率提升的可能性較大,給業主帶來的效益比較可觀。限于篇幅關系,筆者就組件臟污、低效兩個典型問題,以問答的形式進行闡述。
          Q:對于分布式電站而言,困擾業主的突出問題是什么?
          目前有些屋頂實際可利用面積有限或屋頂彩鋼瓦載荷能力不足,光伏方陣大部分采用了順著屋面平鋪的安裝方式,對于彩鋼瓦屋面,它的坡角一般在5度左右,有的甚至可能更低一些,那么基于這樣的客觀情況,晶硅邊框組件表面的灰塵污垢難以靠雨水自清潔,因此分布式電站組件清洗難度會比正常的大傾角安裝方式的組件要難的多。據不完全統計,一個20MW光伏電站每年因灰塵造成的損失至少在200萬元以上,同時,積灰帶來熱斑效應、腐蝕效應等,嚴重威脅光伏組件的使用壽命。因此探索高效、科學、經濟的光伏板清洗方案變得十分必要。
          Q:人工清洗的優點和缺點是什么?清洗時需要注意什么?
          人工清洗是目前比較普遍的清洗方式,優點是清洗較為干凈。缺點是需要較多的勞動力,人員成本較高,同時人員上屋頂清洗,存在一定的安全風險。對于分布式彩鋼瓦屋面,如果清洗不當,很可能對企業的屋頂產生潛在的漏水隱患,特別是在第三方企業的廠房做清洗工作,需要和業主進行溝通,能否清洗在很大程度上受制于業主,需要經過業主的同意。另外有些廠房,沒有爬梯,清洗工作很難開展。
          傳統的清洗計劃的制定策略較為粗獷,在沒有運營發電數據支撐的情況下,靠視覺感知組件表面的積灰情況,或者簡單的將組件清洗后和未清洗的組件進行電流對比來決定是否需要清洗,對于精細化運營管理來說,清洗工作需要考慮組件的積灰情況、發電數據、天氣情況、投入成本及可產生的收益來綜合判斷。
          對于組件最佳清洗時間節點的研究,國內外也有很多的文獻,比如基于灰塵遮蔽率、系統效率的判斷或積灰損失的動態監測,也有提出了在光伏場區安裝一套組件清洗系統,含灰塵監測裝置,根據對標清洗組件和未清洗組件的直流發電量來精確分析。筆者認為,主要是考慮兩種情況,第一是運維人員到現場巡查,用肉眼就可以看出來灰塵的覆蓋情況,比如灰塵很厚,幾乎看不到組件,這種情況下需要立即清洗。其次,對于肉眼難以判斷,模棱兩可的情況,就需要數據支撐,重點分析因灰塵遮蔽所帶來的發電損失。
          Q:組件清洗機器人有哪些特點?發電量提升效果如何?
          清洗機器人的優點是無人值守,可遠程操作,并通過后臺進行集中式管理,但是長期運行的可靠性還有待于驗證。
          組件清洗機器人的提升效果與項目地組件的安裝方式、組件積灰情況、灰塵性質、降雨量等都有關系。組件清洗機器人一般是使用干洗方式,清洗效果總體是低于人工水洗方式的,對于一些粘性的頑垢是很難清除的。如果選擇在雨天或剛下完雨以后再清洗,效果就會比干洗好的多。我們曾經做過相關的試驗,對于分布式平鋪組件,灰塵污漬較多,經過清潔后,實際的發電量提升比例能達到8%以上。假設電量損失率8%,按一個20MW光伏電站25年的使用壽命,降塵總損失約為(保守測算):
          不考慮組件衰減:1300小時(可研利用小時)*20兆瓦(電站規模)*25年(工作年限)*1元/度(平均電價)*8% (降塵損失的效率)=5200萬元。
          考慮組件衰減:假設逐年衰減率0.7%,那么25年的總損失為4785.7萬元。
          從以上數據可以看出灰塵很大程度影響了光伏電站的發電收益。
          Q:光伏電站的組件失配效應有哪些影響因素?
          光伏電站組件的數量是最多的,且每一片光伏組件的輸出特性也是不盡相同的,如果組件原材料性能好,生產工藝水平很高,組件出廠的電性能偏差比較小,衰減一致性好,那么在實際成串的時候就可以達到非常低的失配損失(小于標準的1%以下),但縱觀現實情況,我們發現經過幾年的運行,組件會出現不同程度的功率衰減,從而帶來了較大的失配損失。另外,對于分布式電站所依附的屋頂的周邊環境是相對比較復雜的,如女兒墻、空調風機、附樓、氣窗,臨近廠房后建的高大建筑物等,不可避免帶來一定的陰影遮擋。由于傳統的組串式或集中式逆變器的最大功率點跟蹤是針對組串而言,當組串中的某一片或若干片存在低效、或者陰影遮擋,就會產生木桶效應。
          我們曾經在已經運行若干年的分布式電站做過抽樣檢測,檢測結果顯示,由于前期施工不當、組件選型問題及后期未給予組件足夠的維護(如清洗),那么組件內部可能一開始就存在隱裂、裂片等問題,組件長期暴露在室外,經過環境溫度的冷熱交替,這些隱性的問題就極有可能被放大;組件表面污垢長期殘留,由于污垢灰漬主要是來源于大氣環境、屋頂周邊環境等,對組件的玻璃或多或少會有些影響,再者不及時清洗會帶來熱斑效應,發生熱斑的區域局部受熱,長期以往,組件的原材料因高溫受熱會老化,也會在一定程度上降低了材料的性能,間接影響了組件的功率輸出。
          失配的原因從內因和外因角度可總結為:組串本身問題(組件低效,產生木桶效應)、前后左右遮擋; 環境因素,如雜草、樹木遮擋、組件表面灰塵污漬嚴重等。
          Q:對于光伏陣列前后陰影遮擋帶來的失配如何處理?
          大型地面電站縱向雙排安裝的陣列,一般接線方式可能是U型或直線型兩種,如果是U型接線,一個支架單元的上下兩排連接成一串,如果下面一排受到陰影遮擋,那么上面一排就會受到短板效應,帶來發電損失。對于此種接線,建議采用直線型,即相鄰支架單元的上一排組件連接成一串,下面一排組件連接成一串,這樣可有效的降低下一排組件對上一排組件的失配影響。對于新建電站,可采用組件橫向三排安裝的方法來減少陰影遮擋帶來的失配損失。對于組串式逆變器,還可以繼續優化組串的MPPT來降低失配損失,對于不同類型的組串,建議使用不同的MPPT,這樣也可以從一定程度上降低因為上述接線方式不同帶來的電流失配影響。
          另外對于發生陰影后,方陣的I-V曲線反映為多峰特性,這個時候逆變器的最大功率點跟蹤算法需要使用多峰掃描功能,避免在局部電壓范圍內尋找,以免產生錯誤判斷,帶來MPPT跟蹤損失。
          如新疆某電站,由于前后間距不足,C型接線方式造成前排對后排組件帶來遮擋影響,發電損失約1.65%。將接線方式改成直線型,每臺逆變器日均提升電量約2度,提升比例1.5%,全年提升電量66萬度,年收益約62萬元,改造費用30萬元,半年左右即可收回成本。
          小結
          光伏組件臟污、組件低效、組件失配、陰影遮擋等問題在運維當中是比較常見的,也是難以避免的一些問題,隨著技術的發展,目前也有了較成熟的解決方案,筆者從實際出發,總結了一些個人的看法和心得。
          從光伏電站運維的特點來說,運維工作是長期的、持續性的工作,涉及到的內容眾多繁雜,從筆者多年的運維經驗,其實真正運維好,事無巨細,要想運維做的比別人優秀,要想爭做行業的運維標桿,就一定要在運維的細節小事上多下點功夫,做事需要精益求精,把每一件簡單的事情重復做,并持續性地做好,如組件清洗、組件低效、失配等都是發生在直流側,直流側的特點是組件或組串的數量眾多,不管是低效統計、損失電量分析,還是組件最佳清洗節點,都需要輔以大量的數據支撐,需要精細化的思維模式,如果人腦算不過來,就靠運營分析平臺幫助來算,從數據量化分析、電站癥結診斷、驅動運維作業、運維閉環反饋、發電效果跟蹤等這個連貫的運維過程中,在每一個環節都值得我們用心思去研究。
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