微型逆变器系统：组件功率是否越大越好？

在光伏发电系统中，太阳能光伏组件是实现光能到电能转化的基本门户，太阳能光伏组件的功率大小、 转换效率及电池片材质等对于能量的转换输出起着决定性的作用。本文通过分析安装于美国华盛顿州实际 运行 1 年以上且太阳能光伏组件功率为 280W 的系统的长达一年的详细监控数据，分析了同一型号太阳能 光伏组件之间在实际运行中的差异性，在一年不同月份、不同的光照条件下太阳能光伏组件实际输出功率 与其标称值之间的关系以及同一型号的大组件在实际运行过程中发电量上的提升分析。 1、系统分析 1.1 系统简介 本报告共选取 4 套位于美国华盛顿州的微型逆变器系统作为分析入口，系统基本情况如下表 1.1 所示： 表 1.1 华盛顿州微型逆变器系统基本简介 1.2 气象分析 分析数据分别从每套系统中取 2 块电池板为采样点完成数据分析。 表 1.2 华盛顿州的 NASA 气象数据 注：每日的太阳辐射-水平线/倾斜及可理解为每天峰值日照时数; 峰值日照时数：通常表示日照辐射量达到 1000W/m⊃2;时所持续或等效持续的时间。 2 、数据分析 2.1 同一台逆变器的 2 块直流输入端的发电差异分析 通过对比同一台逆变器下 2 块板子之间的累计 1 年的发电量的数据分析，可以看出同样的板子，在同 样的安装条件下，相互之间的发电量依然存在 3%左右的发电量的差异，这是组件本身所无法避免的差异 性，也是组串逆变器无法改变的发电差异损失。 表 2.1 4 台微型逆变器(抽取)每个直流输入端发电量差异 2.2 光伏组件发电功率占比分析 通过分析 4 套系统 2015 年 7 月份~2016 年 6 月份，每一天中每 5 分钟的功率数据，以月份为单位整 理出各月份太阳能光伏组件在各功率段工作时间的占比情况数据表及柱形图分别如下表 2.2 和图 2.2。 表 2.2 光伏组件每月各功率段的工作时间占比表 注：百分比：4 套系统的平均占比值，统计了 2015 年 7 月至 2016 年 6 月，其中 2016 年 6 月份只取 到半个月的数据。 263W 表示逆变器满功率输出且不存在由于功率限制导致的能量损失时，此时太阳能组件最大直流输 出功率值。 图 2.2 太阳能光伏组件每月各功率段输出的占比柱形图 通过以上表图可以看出，光伏组件在一定光照条件下，组件的实际输出功率值可以达到甚至超过组件 STC 条件下的标称值的 93.93%;从观测一整年的数据来看，280W 的组件在华盛顿州地区的光照条件下，超 过 95%以上的时间工作在逆变器的满功率输出要求的直流输入功率范围以内，平均超过 263W 的工作时间 占到全年有效的工作时间的 0.64%，按照理想情况下计算得出由于逆变器的功率限制导致的发电量损失的 占全年发电量的 0.134%。 光伏系统的发电量的主要贡献点不在于组件的最大功率极限值在实际应用中能达到多少;而在于非峰 值日照条件下，光伏组件对外输出功率的能力。 2.3 不同功率组件的年发电量对比 通过对比华盛顿州地区不同组件功率输出的多套系统每块光伏组件每月的发电量数据，记录了时间曲 线从 2015 年 7 月 1 日到 2016 年 6 月 14 的全部发电量数据，从发电量曲线中可以明显看出 280W 组件相对 于 250W 组件来说，其发电量在不同月份表现出来的明显的发电量提升。 图 2.3 不同功率光伏组件每月的发电量曲线图 注：数据来源于 EMA 监控数据 对比以上数据可知，280W 组件一年的实际发电量比 250W 组件一年的实际发电量高出 12.19%。在实际 的发电过程中，发电量与实际功率并非一种线性关系，而光伏系统发电量受光照条件、温度、遮挡、设备 损耗、线损等多种因素影响，从这套实际的数据对比可以看出在同样的光照条件下，在一定的功率范围内， 功率较大的组件发电量越多。实际的多发电量远大于由于逆变器设备的功率限制而导致的发电量损失，整 体呈现多发电的趋势。 2.4 不同功率组件理想情况下线性推演 表 2.4.1 理想情况下不同标称功率组件对于微逆系统的年发电量提升及超限损耗分析表 表 2.4.2 投资收益分析表 注： 1)对于同样数量组件的光伏系统而言，组件功率不同，前期的投资成本亦不同，投资成本差异主要在 组件的成本差异，本表格组件成本按照 0.75$/W(2016 年 7 月的组件美国市场价格)计算。 2)25 年发电量预测，第二年系统衰减按照 1%计算，以后每年按照组件的线性衰减率 0.86%估算得出 25 年的发电量，通过不同的 FIT 值计算得出 25 年的净收益情况。 结合以上 4 套华盛顿州地区光伏系统的实际年发电量和当地的气象数据来看，在每年的 4 月份~9 月 份，平均每天峰值日照时数在 4 小时以上时，光伏系统的发电量在此阶段有明显提升，同时该阶段也是光 伏系统可能产生超限损失的主要阶段。从上表可以看出，在理想情况下，光伏系统的发电量随着所使用组 件的功率值的增大而不断提升，同时超限损失也随组件的功率值增大而不断增大，总体而言，整个年发电 量的提升值要远大于超限损失值。通过计算不同组件的度电收益情况分析前期投入和后期回报的关系。 2.5 不同组件的发电量提升及超限损失占比分析 图 2.5 不同功率组件对于发电量提升及系统超限损失占比图 从上图可以明显看出，相对 250W 的组件，在标准情况下，当组件标称功率增加时，发电量也不断提 升，功率越大，发电量的提升量越大;发电量的提升远大于系统超限的损失量。 2.6 投资收益分析 图 2.6 不同功率组件累计 25 年发电净收益 从上图可以看出，当组件价格一定，由于大组件的多发电优势，投资者均可以在有限的时间内收回前 期多投入的组件成本，并且大组件的多发电优势持续存在，使得整体的光伏系统投资收益率持续提高。 备注： 以上案例为美国华盛顿地区实例，具体光伏系统的光照条件、投资回报与实际安装环境、各 区域上网电价有关。 3 、结论总结 综合上述图表分析，可以得出以下结论： 1)同一型号的组件，在同样的地点、同样的安装条件下，相互之间依然存在不可避免的差异性，从发 电量来看，平均相互之间发电量相差 2.37%左右，这是组串逆变器无法改变的问题; 2)在华盛顿州，一定的光照条件下，组件实际输出的功率值是可以达到 STC 标测情况下功率值的 93.93%; 3)在华盛顿州的光照条件下，4 月份~9 月份是光照条件最佳的阶段，发电量明显提升; 4)280W 组件在该地区全年超过 95%的发电时间工作在 263W 以内，即逆变器达到满功率输出时对于直 流输入端的限值，经平均值估算得出，280W 的直流输入要比 250W 的直流输入要多发电 12.19%，而逆变器 由于超配而导致的实际发电损失仅占总发电量的 0.134%，组件超配而损失的发电量微乎其微，整体而言， 微逆系统在大组件的配置下，系统的发电量有着明显的提升。在长期看来，大组件的配置可以获得比前期 投入高很多的投资收益; 5)通过理想情况下的线性推演可以看出，随着组件功率的不断增加，光伏系统的发电量不断提升，组 件功率越大，发电量的提升也越大;光伏系统的发电提升量远大于超配限制损失的电量，整体体现出系统 光伏组件功率越大，发电量越高的特点。 6)通过不同的度电收益，演算出使用不同功率组件的光伏系统前期投入和后期收益的时间关系，当 Fit=0.2 美金/度时，使用 300W 以上的大组件相比于 250W 的组件，可以在 3 年左右的时间收回前期的投 资成本，并且由于后期大组件的多发电优势，整个光伏系统的投资收益率是持续提高。