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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?

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

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

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

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。

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。

图4 晶硅组件的温度特性

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