王斯成:如何提高光伏电站的收益
发布时间:2015-04-09    编辑:zhangxiaomin   
本文摘要:今天的题目是提高经济效益和提高发电量,咱们就直奔主题,光伏效益的一个考量标准其实就是LCOE,就是它的规划的成本,这是我们评价光伏项目唯一的一个要素。


 
发改委能源研究所研究员

 
  非常高兴,刚才李主任一些精准的数据已经给咱们框出了一个未来的能源架构,其中光伏肯定是扮演非常重要的角色。
 
  今天的题目是提高经济效益和提高发电量,咱们就直奔主题,光伏效益的一个考量标准其实就是LCOE,就是它的规划的成本,这是我们评价光伏项目唯一的一个要素。因为我们有的时候也用内部收益率来算,那是有了电价的情况下我们算的收益率,但实际上电价这个东西始终是在波动的,而LCOE它是一个很客观的成本。它的真正的定义是整个寿命期的你的成本除以你的整个寿命期的发电量。寿命期比如20年,20年你所消耗的成本除以20年的发电量,每度电多少钱,但不是测算出来是前一、两年的,而是整个寿命期的。整个寿命期因为是几十年,所以你要真正详细计算还需要考虑它的贴现率,要折到现值给出LCOE,还要考虑税收,还要考虑性能衰降、折旧、贴现,所有的这些因素都要考虑进去。所以真正复杂的公式是在下面这个,我们现在简单的来讲,不考虑利息、贴现、折旧等等这些因素,算来算去就是每度电都是钱。这是我们所追求的目标,它是光伏电站经济性的一个唯一的考核标准。
 
  什么是影响LCOE的,我们降到最低是我们追求的目标,每度电最低的成本。影响它的因素有哪些?当然有你的整个寿命期的电站出投资,维护的成本,设备更新的费用。你的发电量,分子是成本,分母是发电量,怎么提高发电量,首先是太阳能资源,资源一定要考虑,资源多发电量就多。还有资本的配置,比如前面光伏的容量扩装等等,还有你的运行方式,要想提高发电量,自动跟踪非常有效,只要装自动跟踪发电量马上上去20%到30,但是你的出投资也会增加一些,有一个优化的问题,即提高发电量。
 
  再有就是你的能效比,你的各个环节的效率怎么样,你的运行维护,别限电很多。真正能效比这是一个PR,是判定整个光伏系统质量的唯一的一个参数。经济性就是LCOE,质量就是PR,PR值在过去也都讲过,它涉及的影响因素至少有十几项,要提高PR,PR就是能量效益,即输出能量除以你的输入能量。影响因素知道了,我在几次会议上都讲PR值,PR值是唯一的评估光伏质量的参数。它的公式输出能量除以输入能量,有些时候我们强调质量以后没有考虑经济因素。
 
  比如说光伏电站前面扩装以后,LCOE肯定是下来的,但是我的PR值不变,因为你增加了光伏组件,你的辐射量也相对增加了,你的发电量跟辐射量是等比例增加的,而你的太阳能资源是不变的,所以并不改变PR值。原来70%、80%不变,所以你的质量仍然是另外一个因素。还有自动跟踪,你的发电量增加了,当然你的辐射量也增加了,也是同比上升的,但是你的功率不变。所以这个也是改变不了PR值,但是你的效益是明显增加的。所以大家要区分开PR值就是单纯的质量怎么样,不考虑经济性的,LCOE才是我们最终追求的目标。当然PR值是直接影响到你的发电量的,PR值低了,整个效率就低了,所以直接影响LCOE。而我们最终追求的目标是LCOE,就是规划的度电成本,首先要把概念弄清楚。
 
  然后要降低度电成本有很多办法,一个是光伏逆变器的容量比,扩装多少再说。再有跟踪器,加太阳跟踪器以后马上发电量提高20%-30%,投入产出比要注意,别增加了发电量,出投资又增加了很多,那肯定是不行的。或者你的可靠性又失去了很多,你的PR值下来了,那也不行,所以增加高可靠低成本的太阳跟踪器,这个是能够大大的降低LCOE非常有效的途径。
 
  比如说组串式的分布式,提高PR值就变得有可能,也是现在比较流行的一个做法。另外智能化的运维,原来运维PR值涉及到可靠性。原来的运维靠人工出现了问题你根本不知道,如果是智能化的运维,我对所有的效率环节,所有的故障质量环节我都能够自动化的检出,自动化的检出故障和效率点,我就可以及时的排除故障,及时的发现问题,否则那么大一个电站靠人根本不可能。但是现在智能化的运维真正做得好的,我还真是没见到太多,起码是他没有全覆盖,你的所有的效率控制点和质量控制点没有全部覆盖,没有效率检出的功能,没有故障检出的功能,这个是不行的。你仅仅是数据采集,采集了以后摞在那,仅仅是大数据的数据输出是完全不够的,每一个效率点和质量点都要有故障分析和数据分析,这个才能真正说明你是智能化的运维。
 
  设计新概念就是前度扩装,以前是1:1,现在前度扩装已经成为了明显的世界潮流,我只增加光伏电池的投资,它的投资只是整个系统投资的50%,甚至更低,我就可以提高20%的发电量。明显的投入产出比是非常好的,过去是在欧美。真正要预测你应该是10%、15%、20%、25%,真正要预测你的最佳的配比的话,那当然还是比较复杂的。最重要的是你的日分配的曲线你要搞准,这样你才知道你的极光率是多少,逆变器要限功率运行,这就有极光,这个是跟日分布曲线有关系,日分布曲线很塌根本用不到极光,这个比率很大。如果日分布的曲线很尖,你的极光率就增加了,所以真正的优化设计一定是非常复杂的数学模型,但是现在我还没有看到国内或者国际上有没有这样一个优化的设计软件出来。这个是跟分布曲线直接相关的。
 
  这是一个趋势,而且前度扩装已经写到了IEC大型设备设计的技术规范里,前度扩装以后对逆变器提出了技术要求。当然有的时候电网说你们不能扩装,但实际上这已经成为全世界的趋势,而且已经被IEC写进了技术标准里,这是一个必然的结果。前度扩装是一个好的东西,但是对逆变器提出了一定的要求。
 
  另外一个办法是自动跟踪,自动跟踪可以非常明显的提高发电量。自动跟踪有哪些方式,有地平坐标,虽然是坡地,但前后光伏跟水平面的高度差是不一样的。还有方位角跟踪,方位角是要转的,是一种单轴的跟踪方式。还有一种方位角是不变的,但是整个的倾角一年调几次。另外就是地平双轴跟踪,参照系是太阳高度角和方位角,是地平坐标的一个典型的系统。还有赤道坐标系,就是我们所说的平单轴,是一个特例,有一个主轴旋转轴,然后还有一个方阵的倾角,它所跟踪的变量,它的坐标参照系是赤道平面跟地轴,不是太阳高度角和方位角,参照系不一样,所以跟踪的参数也不一样,它跟踪的是时角,地球一天24小时转360度时角的变化,还有一个赤纬角的变化,也能准确的跟踪。平单轴是没有倾角的,直接一个特例,只是东西向的跟踪时角,不跟踪赤纬角。还有斜单轴跟踪,赤纬角不跟踪。这是最普遍的一个方式,非常简单,但是发电量大大提高,而且不受纬度的限制,平单轴还受纬度的限制。双轴跟踪是两套坐标系都能够完全准确的跟踪太阳,这是毫无疑问的。
 
  这是赤道坐标双轴跟踪系统,但是是平板电池。所有的例子都有,在RETScreen只给出了三种不同的运行方式,地平坐标、双轴跟踪以及赤道坐标的斜单轴和平单轴这样的方式。PVSYST包括的比较全,把我上面所列出的各种跟踪方式都已经有了,但是他的数学模型没有公开,我没有看到他的数学模型是怎么做的。实际上地平坐标和赤道坐标我们完全可以推导出来整个一套的他的跟踪数学模型,地平坐标就是定位三角形,根据这个图就可以知道跟方阵的关系,方阵的方位角和倾角,包括太阳的高度角和方位角都体现在了定位三角形里面,那么你就可以推出相应的数学公式。
 
  赤道坐标系也同样的,它是站在外面看地球跟太阳的关系,同样它也可以在地面上找到天球上的对应的定位三角形。有了这些参数的对应,方阵的斜角,方阵的旋转角等等都在天球上有一个反映,从球面三角也可以推出全套的数学模型。我有1986年发表过的太阳学报,里面有详细的数学模型推导。这是两套坐标系跟踪的不同,所跟踪的参数也不一样。
 
  最近说到了占地,数学模型我们不说,数学模型搞清楚了我们对占地的计算就很容易了。占地计算实际上非常重要,占地如果算不好会浪费土地,这是不行的,算不好也有可能互相遮挡,那更要命,你根本发不了电。所以占地计算实际上是非常重要的一个事,国土资源部他们不会算,我就跟他们吹牛说两天搞定,结果一个月才把整个的一套数学模型全部推出来。
 
  我发现有几个点,一个是原来是有国标的,国标只对固定方式给出了一个计算的要求,就是前后遮挡,而且是一个简化公式。实际上那个是只对固定方阵。第二个是有问题的,因为不同纬度时间不一样,同样定在上午9点是不合适的,纬度低的地方6点钟就出太阳,到9点钟才不遮挡,这个显然是不太合理的,而且对于跟踪,国标里面没有给出任何的占地计算公式。一跟踪,就牵扯到东西向的间距,这个就变得复杂了,东西向跟南北向的间距计算是不一样的,所以要分别计算。冬至日的计算方法只能考虑到南北间距,但是东西向间距最大阴影是太阳从东面出来,方阵也是冲着东的时候,东西向的方阵的间距阴影才是最大的。所以说一定要分开计算。
 
  影响的因素,影响日地关系的因素,包括太阳赤纬角,太阳时角,包括地理纬度,影响占地的自身因素,包括你的方阵的方位角,方阵的斜角、方阵前后高度差、组件的效率、安装运行方式、跟踪的坐标系、方阵的长宽比,甚至方阵最大的机械可能的倾角。因为跟踪的时候倾角不可能倾到90度,最大的倾角能到多少,这个也是决定了阴影的计算跟整个发电量的计算。当然拉的很宽那就绝对不遮挡,当然了占地也是有费用的,所以占地跟发电量是一对矛盾的,甚至我可以牺牲一点发电量,把倾角调低,肯定我的占地就小了。所以要有一个优化的过程,有经济因素在里面。
 
  我们现在先不考虑经济因素,只是考虑这样一个数学模型。固定安装的大家都知道国标已经给出了,但是国标里给出来的这个公式没有给出原始公式,给出的是一个直接有数字的公式,只是一个纬度的因素在里面,把高度角、方位角全变了。所以它的约束条件要清楚,第一是固定安装,第二是冬至日,第三是上午9点到下午3点不遮挡,第四方阵是朝南的,不是任意朝向的。第五前后方阵没有高度差。所以五个约束条件任何一个约束条件一变这个公式就不能用,所以国标的公式还是要改进的,要给出原始公式,一步一步推,给出国标的公式怎么来的。下一次在制定国标的时候,我们需要把它改进,我也给出了前后高度差的模型,也给出了一个通用公式任意朝向的遮挡公式。以后你是坡地,还是任意朝向,都用统一的公式就可以解决问题,不用采用国标,国标那个是简化公式,是有五个约束条件。五个约束条件有一条不满足,公式算出来就不对了。
 
  另外就是跟踪方式,跟踪就赤道坐标系,平单轴,东西向的这样一个间距的计算,给出了公式。南北向的在追踪赤纬角的时候,南北向不是平单轴,有一个倾斜角度,在主轴上的间距也有,占地实际上就是东西向间距乘上南北向间距就是你的实际占地,这个公式也都推出来了。当然它的地理关系,以及为什么是这样计算的,在外面,比如倾一个纬度角,我们的方阵就是跟地球平行的,一个旋转角的十字垛原理就可以算出来,方阵一定是跟地球平行的,在地球外看方阵,只要跟上时角,跟上赤纬角,一定是准确跟踪态。
 
  双轴跟踪赤道坐标,一年倾角的变化是正负,从纬度加23度半,到减23度半,一定是这样的趋势。一定能够往这边倾,也一定能够往这边倾,才能够准确的跟踪太阳高度。
 
  地平坐标是非常复杂的,我做了一个仿真,阴影遮挡,笔触冬至日最长的阴影是在早晨9点,当然你也可以到早晨8点,这个阴影就会更长。随着方阵向南转的时候,它的阴影逐渐缩短,真正在长的时候,我们这个方阵没有必要一直要按照这样一个角度来,方阵跟它错开也是不遮挡的。所以有一个错开间距,而错开间距在南北向的间距是从一个最小值一直到无穷大,而阴影是从最大值一直到相对的小到正午,所以它们一定是有一个交点,这个交点是我们确定南北向间距的。东北向是一个道理,有错开间距和轴间距,有可能错开间距是落在了轴间距的外面,这个时候方阵的高比较高,宽比较窄,所以错开间距是要收回来,要比阴影长度的十字方阵框要小,这个时候我们一般采用倾上方这样的间距,最长阴影间距的正方形来定义,来确定我们的轴间距。也有可能是落在里面,当方阵比较宽而高度比较矮的时候,这个时候一般采用的是错开间距来确定方阵的轴间距。要告诉大家一点,南北向轴间距的确定跟东西向轴间距的确定不是都是冬至日,是不同的日期,不同的高度角来计算,要分开计算,这样才能确定南北向跟东西向的轴间距,而且一定要保证这个全部不会遮挡,这个东西向方阵、南北向方阵都不遮挡,同时要满足倾上方的方阵不遮挡。

  这个是给出的原则,当错开间距落在最长阴影方阵的外面的时候,我们应该怎么确定,落在最长阴影方阵的内侧怎么确定,我都给出了确定的原则。
 
  还给出了一些结果,固定方阵一定是效率相关跟纬度相关的,效率越高占地越小,纬度越高占地越大,基本上符合这样一个规律。也给出了一个算例,水平轴东西向的,当然不是按照冬至日9点,应该是最靠近正东的方向来计算它的占地,因为只需要考虑东西向的间距,不需要考虑南北向,因为平单轴。最后我给出了一些比例,这只是一个算例,真正的项目是需要优化的,东西向间距跟南北向间距要分开计算,而且要根据你的发电量。约束条件不一样的情况下完全不同,最大的倾角可以到70度,你也可以放到60度到45度,这又会影响,所以整个计算占地不是一个结果,有无穷多的结果,你一定要根据你的实际情况,还有土地的费用来优化你的设计。我仅给出一个简单的一套的计算模型,这是固定的,这是平单轴,这是斜单轴,这是赤道坐标双轴,还有地平坐标双轴,看起来地平坐标双轴占地大于其他的,也不是大的那么可怕,其实还不到3倍。当然这只是一个特定的条件下,掌握了这套计算方面有利于推进我们跟踪系统的推广,这样你的这套计算方法,既保证你既不多占地,也不互相遮挡,是效益最大化。谢谢大家!
 
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