光伏场站提质增效的研究

蔡小虎1  董兵2  唐元琦3

3中核坤华能源发展有限公司  浙江 杭州  311113

摘要：为了提升老旧光伏场站的收益率，本论文辅以实际案例，详实研究了一套如何开展提质增效技改方案的程序。从必要性、可行性到经济性，全流程论证实施此方案需要考虑的各方面的条件和因素，并为场站最大限度地通过提质增效技改项目获取最大的收益提供可靠的保障。

关键词：光伏场站;提质增效；必要性；可行性；经济性

引言

“3060”的“双碳”政策的提出，为新能源技术的发展提供了无限的想像空间。在此分享多年对光伏场站提质增效技术的研究成果。光伏场站的提质增效方案主要是针对当前运行场站的设计、设备水平与现有的设计、设备比较，性能严重落后或严重衰减。

1 一般程序

对于光伏场站的提质增效方案必须经过全面而规范的评价才能谨慎上马。例如：首先经过严格的必要性、可行性分析；然后再进行的合理的、规范的、详细的经济性核算；最终经过综合分析评价，确定提质增效实施的经济性指标，以不低于公司IRR为准；

1.1 必要性、可行性分析

对场站的现有运行水平与可研及设计性能进行对照，并挖掘当前系统与设备低效的根本原因，利用当前技术水平，编制一套完善的详细而具体的方案来进行补救[[1]]。

1.2 经济性核算

对于新能源场站的经济性核算，本来是建立在一个相当复杂的经济模型的基础上的专业性特别强的综合性核算过程，但为了便于非专业人员的理解和操作，在此对于光伏场站的提质增效方案的经济性核算可以简化为表1来为用户提供良好的决策。

表1 光伏场站低效能组件改造经济性测算模型

需填入数据		项目评价
投入（万元）	247
项目周期（年）	15	指含补贴周期，至多20年
基准电价+补贴（元/kwh）	0.93
组件首年衰减率	2.5%	一般为2.5%，详见组件技术规格书
组件次年之后年衰减率	0.55%	一般不超过0.6%
首年增发电量二：更新组件（万kwh）	56	更换组件电量提升填此空
自动输出值
项目总收益（万元）	629
IRR（内部收益率）	17%	IRR＞7%符合财务评价要求
ROI（投入产出比）	2.55
静态回收期（年）	5.0	静态回收期＜项目周期符合要求
动态回收期（年）	6.0	动态回收期＜项目周期符合要求

另外，通过此经济模型的分析，通过引入新技术对原有的设计（包括设备）水平有明显的提升。

1.3 项目评价

目的是基于业主方的利益出发，在不降低场站整体项目收益率的前提下，通过各方面的性价比及综合评价，给出不同的决策依据。

2 案例分析

在此以某场站为例，进行具体的案例分析，以分析此方案的可操作性。

某光伏场站2015年投产以来，年可利用小时数一直低于项目可研水平，场站的经济性也低于同期类似场站。对此， 2022年引入提质增效项目需求。

2.1 必要性的分析

项目组对场站的各方面进行了详细而全面的调研，并通过科学而专业的无人机红外热斑扫描检测技术对全部光伏组件的发电能力进行精细的进行分级测评，同时编写相应的专业检测报告，特别列出详细问题清单，样式如表2：

表2 无人机热斑检测结果：组件问题清单

序号	问题描述	故障区域	缺陷数量（块/处）
1	组件开路	15#	14
2	组件碎裂	32#	25
3	组件异常热斑	40#	69
..。。	。。。	。。。	。。。

其次，基于热斑扫描的结果，及EL光伏组件检测技术来具体定位组件的缺陷，并编写相应专业检测报告，特别要列出组件详细问题清单。最后，基于这两项专业检测和专项报告，详尽而清晰地掌握光伏组件的健康水平以及影响发电水平的直接原因或根本原因，从而得到可信的评价结果。

2.2 可行性的研究

针对场站现有的问题，一般的措施有三种：①用备件光伏组件直接替换严重衰减的缺陷组件；②采用项目翻新的方法全部用新技术和设备替换光伏组件；③提质增效的理念--保留健康的设备和设施，并采用集中整合，合理配置的方法。精细地挖掘场站的备用容量，在保持现有布局与结构不做明显调整的情况下，利用现有高效组件的特点，采购部分高效组件集中安装和组串，并把拆下来的健康组件替换空缺位置，从而避免混装引起的 “木桶效应”问题。

2.3 光伏组件的选型与安装

原则上不得影响支架可靠性及对组件产生明显遮挡。因此需考虑：①光伏组件的安装满足原支架尺寸，组串电压满足逆变器的经济接入电压；②组件阵列的间距要避免明显的遮挡；③组件对支架的正向、背向、侧向受力，应该有严格的受力分析，不得损坏支架；④组件的安装倾角，不得降低PR值。综合评价确定组件的规格型号和相关参数，从而确定最终新装的最大容量。此外，还需要至少完成以下3个方面的验证：

（1）支架受力分析验证

对原始支架的材质、规格型号、以及桩基的受力设计进行研究；

桩基的最大拉力或压力受力分析F；

支架的最大不变形/损坏的最大应力范围F1；

光伏组串的受力面积及支架上安装了光伏组件的总重量G0，内陆一般以12级风的风力复核在光伏板上的施加的风力F0；

验证：为了确保设计的可靠性（建议可靠系数K的选择≥1.3），最终结果必须满足：F≥F1≥1.3*（F0+G0）

如果没有基础设计数据，对于F、F1必须要重新计算，在此不详细述说。

（2）组串之间不产生异常遮挡的验证：

当地地理坐标，主要是纬度角Ф；

当地冬至日9：00-10：00的太阳高度角β；

当地最佳光伏组件倾角θ；

组件阵列前后排的间隔d；

组件保持最佳倾角θ安装的高度H；

根据以下方程式计算最小不遮挡的间距D与现场实际间距d进行比较，原则上d≥D，否则需要根据结果对设备的安装尺寸或方式作微调或修改。

图1 光伏组串间隔遮挡距离计算方程参数物理意义示意图

（3）光伏分支组串电气参数的验证：

目标项目为组串式逆变器，对于各分支组串的电压和电流有严格的要求；如果是集中式逆变器则要求接入同一个汇流箱的各分支组串的电压、电流均要有严格的要求等，同时还需要对接入同一个逆变器的各汇流箱的接入直流电压差有严格的要求，如果电压差太多，各分支之间易形成环流而严重影响光伏组串的效率；

2.4 光伏组件的替换案例

经检测近2000片PS285WM-60组件因严重衰减，根据安装尺寸、输出功率、开路电压、短路电流，初选目标组件型号为-345，机械结构参数及电性能参数图2和图3所示。

经全面验证，安装尺寸能最优替换。电压和电流尽管比原组件高，但在同一个逆变器下的各分支回路，不会有问题。

2.5 逆变器和箱变电气性能的验证

为了确保设备的稳定、可靠，对接入的逆变器和箱变的电气性能进行验证，现场的逆变器容量没有足够的备用容量，而变压器还有足够的备用容量，因此可更换大容量的逆变器仍接入原箱变位置。

原组串逆变器下安装的容量为：8*22*285=50.016KW；

新组件替换后的目标容量为：8*22*345=60.720KW；

为了新的逆变器接入回路后更可靠，新旧逆变器的主要电气参数必须要适配，关键参数至少包括：最大输入电压、额定输入电压、额定输出功率、额定输出电压等。

3 财务评价

按照前方提供的专业经济核算模型，经过严格的分析，主要评价如下：

(1)项目总收益629.88万元

(2)项目内部收益率16.95%

(3)项目回收期

(4)静态回收期4.96年

(5)动态回收期6.00年

经过综合评价及现场运行，最终验证本次光伏场站的提质增效技改项目很好地完成了公司的经济收益和安全、稳定运行目标，为一个典范的提质增效技改方案。

4 结语

总的说来，本文通过详细的案例，能很好地为读者理解如何实施对光伏场站进行提质增效。鉴于当前很多光伏场站因建站时的技术水平的限制，资源的可利用率与现阶段进行比较知偏差，相信此方案对场站的收益率能起到较好的借鉴意义。

参考文献：

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[[1]] 辛增裕.太阳能发电技术的综合评价及应用前景研究[D].华北电力大学（北京），2015