光伏發(fā)電損失的罪魁禍?zhǔn)住就靶?yīng)

經(jīng)常聽到光伏部件出現(xiàn)種種創(chuàng)新，比如組件實(shí)驗(yàn)室效率24％、量產(chǎn)效率20％，而逆變器轉(zhuǎn)換效率宣稱99％。其中組件效率指的是光電轉(zhuǎn)換效率，逆變器轉(zhuǎn)換效率指的是從其直流輸入轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)交流的工作效率。

大家都知道電站“轉(zhuǎn)換效率”非常關(guān)鍵，因?yàn)樗苯佑绊懙搅税l(fā)電收益。雖然上面提到的兩個(gè)核心部件的轉(zhuǎn)換效率已實(shí)現(xiàn)了跨越式突破，但還是經(jīng)?？吹焦夥娬镜慕y(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，從光伏組件直流轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)交流的轉(zhuǎn)換效率卻低至74～80％。即使逆變器轉(zhuǎn)換效率實(shí)際為98％，但是這個(gè)差額18～24％去哪里了？

有人可能懷疑是交直流電纜線損、直流匯流箱或交流配電柜損耗所導(dǎo)致，但是這部分損耗一般僅為1～3％左右，還是解釋不了這么大的能量損失。其實(shí)，站在整體系統(tǒng)的角度考慮，“發(fā)電量損失”的根源正是“組件串聯(lián)的木桶效應(yīng)所導(dǎo)致的失配損失”，木桶效應(yīng)是光伏發(fā)電損失的罪魁禍?zhǔn)?，這也是本文所要討論的核心問題。

1、光伏組件的伏安特性

當(dāng)前光伏發(fā)電市場(chǎng)的應(yīng)用主流是晶硅組件，包含多晶和單晶。薄膜電池可彎曲性好、弱光發(fā)電能力較強(qiáng)，但相比較之下，晶硅組件性價(jià)比、能量密度更高及長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性更好。所以，晶硅組件也成為本文的主要討論對(duì)象。晶硅組件核心材料是量大價(jià)低的半導(dǎo)體硅，主要由電池片、焊帶、背板、邊框、及內(nèi)含旁路二極管的接線盒等構(gòu)成，如圖1所示。

光伏組件內(nèi)部電池片的等效模型如圖2所示，其中Rs為組件串聯(lián)阻抗、Rsh為組件自身阻抗。光伏電池本質(zhì)上是一個(gè)電流源，只是這個(gè)電源流被二極管限定電壓至0．5～0．7V。由于晶硅組件內(nèi)部由多個(gè)電池片串聯(lián)而成，因此組件輸出電壓大約為30～42V。

基于以上電池片等效模型，可以得到以下光伏電流和電壓之間的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系式。根據(jù)高等數(shù)學(xué)的相關(guān)知識(shí)，從這個(gè)函數(shù)關(guān)系可以清楚看出，這兩者之間是一種非線性關(guān)系。

由圖3也可看到一個(gè)有趣并且重要的現(xiàn)象，即在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件（STC）下，每種光照條件的伏安特性曲線只有一個(gè)拐點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)就是光伏組件的最大功率點(diǎn)（MPP）。另外，如果STC中的環(huán)境溫度由25C增大至50C時(shí)，同種光照強(qiáng)度下組件電流基本無變化，但組件電壓會(huì)降低，從而說明環(huán)境溫度直接影響光伏組件輸出電壓。

圖4清楚說明了晶硅組件的溫度特性相對(duì)于25Co標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件，溫度每升高1Co，組件電流可增大0．067％，組件開路電壓降低0．33％，組件最大功率降低0．43％。從而溫度對(duì)組件電壓影響較大，但對(duì)組件電流影響不大，基本可以忽略不計(jì)，因而溫度每升高1Co，組件MPP電壓降低0．43％。這里插個(gè)題外話，在組串中選擇組件串聯(lián)的個(gè)數(shù)時(shí)，需根據(jù)所選用的組件溫度系數(shù)，仔細(xì)核算低溫下組串電壓不可超過逆變器的最大輸入電壓。

2、組件和組串的內(nèi)部串聯(lián)結(jié)構(gòu)

經(jīng)常聽到晶硅組件60片、72片的說法，這個(gè)實(shí)際講的是組件內(nèi)部電池片串聯(lián)的個(gè)數(shù)，每個(gè)電池片是一個(gè)獨(dú)立的光伏電池單元。如圖5所示，每20片或24片光伏電池對(duì)應(yīng)一個(gè)子串，光伏組件由3個(gè)子串串聯(lián)而成，每個(gè)子串兩端反并聯(lián)一個(gè)旁路二極管，旁路二極管可減輕熱斑效應(yīng)。這3個(gè)子串的輸出線及旁路二極管在組件接線盒中用于電氣連接，再通過接線盒引出總的正負(fù)兩根出線，也就是光伏組件日常附帶的直流接頭和電纜。

以上說明了晶硅組件內(nèi)部由3個(gè)子串串聯(lián)而成，其實(shí)當(dāng)前光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏組串也是由多個(gè)組件串聯(lián)而成，如圖5所示。不管是集中式逆變器的直流匯流箱、還是組串式逆變器的直流輸入端，都會(huì)接入光伏組串，組串一般由20～24個(gè)組件串聯(lián)而成。所以，當(dāng)前所有光伏發(fā)電本質(zhì)上都是把多個(gè)電池片串聯(lián)使用，以生成光伏組串的直流高壓，便于逆變器實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)交流發(fā)電。由初中物理知識(shí)可知，電路中不允許多個(gè)電流源串聯(lián)，否則總電流由最小電流的電流源決定。另外在這里偷偷說一句，幾個(gè)組串并聯(lián)也存在能量損失，由于線路阻抗的存在，并聯(lián)電壓源的總電壓由最低電壓的電壓源決定。

3、光伏組件的木桶效應(yīng)

參考度娘百科，盛水的木桶是由多塊木板箍成的，盛水量也是由這些木板共同決定的。若其中一塊木板很短，則此木桶的盛水量就被限制，該短板就成了這個(gè)木桶盛水量的“限制因素”（或稱“短板效應(yīng)”），如圖6所示。若要使此木桶盛水量增加，只有換掉短板或?qū)⑵浼娱L(zhǎng)才行。

一個(gè)水桶無論有多高，盛水量取決于其中最短的那塊木板，人們把這一規(guī)律總結(jié)為“木桶原理”或“木桶效應(yīng)”，又稱“短板理論”。其核心內(nèi)容為一只水桶盛水的多少，并不取決于桶壁上最長(zhǎng)的那塊木塊，而恰恰取決于桶壁上最短的那塊。根據(jù)這一核心內(nèi)容，“木桶效應(yīng)”還有兩個(gè)推論其一，只有桶壁上的所有木板都足夠高，那水桶才能盛滿水。其二，只要這個(gè)水桶里有一塊不夠高度，水桶里的水就不可能是滿的。

為了讓水桶盡量多裝水，必須要找出薄弱環(huán)節(jié)（短板），并且改進(jìn)該環(huán)節(jié)把這個(gè)短木板加長(zhǎng)。命苦不能怨政府，幸福的家庭是相似的，而不幸的家庭各有各的不幸。很不幸光伏組件串聯(lián)或內(nèi)部串聯(lián)子串都存在木桶效應(yīng)，甚至可以說木桶效應(yīng)已充滿光伏發(fā)電系統(tǒng)中。

由于組件內(nèi)部串聯(lián)子串或組串中多個(gè)組件串聯(lián)的本質(zhì)特性相似，以下以組串為例說明。如圖7所示，由3個(gè)光伏組件串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)組串，每個(gè)組件電流相同時(shí)，構(gòu)成組串的總電流也相同，實(shí)際上組串總電流等于每個(gè)組件電流。這種工作狀況下，每個(gè)組件的MPP完全一致，當(dāng)然這是一種非常理想而實(shí)際中并不存在的情形。

理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)太骨感。實(shí)際上，組串中每個(gè)組件MPP不可能完全一致，如圖8所示的第3個(gè)組件（PV3）由于種種原因MPP發(fā)生變化，而第1、2個(gè)組件（PV1、2）仍然可實(shí)現(xiàn)MPP。這種情況下如果這3個(gè)組件仍然串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)組串時(shí)，組串的總電流不可能達(dá)到理想數(shù)值，也不可能繼續(xù)最大功率輸出。組串最大輸出功率受逆變器的MPPT算法限制，既可能工作于受電流源串聯(lián)物理原的影響而電流限制在PV3的小MPP電流，也可能工作于PV1、2近似最大功率點(diǎn)而PV3旁路二極管導(dǎo)通的狀態(tài)（即圖8所示）。

4、木桶效應(yīng)導(dǎo)致組件失配

上一節(jié)提到，當(dāng)組串中組件PV3的MPP變小時(shí)，組串最大輸出功率受逆變器的MPPT算法限制，既可能工作于受電流源串聯(lián)物理原的影響而電流限制在PV3的MPP，此時(shí)的直觀狀態(tài)是組串電壓高而功率??；也可能工作于PV1、2近似最大功率點(diǎn)而PV3旁路二極管導(dǎo)通的狀態(tài)，此時(shí)的直觀狀態(tài)是組串電壓低而功率大。