【CITPV】前三批领跑者基地实证平台建设及数据分析_中科院李红涛

前三批领跑者基地实证平台建设及数据分析 中国电力科学研究院有限公司国家能源太阳能发电研发（实验）中心张军军 2019.04 一、领跑者实证平台背景及意义二、领跑者实证平台建设内容三、领跑者实证平台数据分析四、未来光伏展望 光伏组件实验室测试标准 光伏组件经实验室测试后，每年在不同地区运行过程中仍然会发现各种问题，户外实证监测数据是实验室测试结果的重要补充。 1.1 光伏组件户外测试 2006脱层、光衰 2008组件背板黄变 2012PID 2013蜗牛纹 2014安装隐裂、热斑 试验项目 实验室试验条件 室外运行情况辐照度 1000W/m2 、800W/m2、200W/m2等固定点 从0W/m2~1300W/m2均有分布温度 环温：20℃、组件温度25℃ 温度随季节、天气而变化风速 1m/s 风速随环境变化光谱 标准太阳光谱 光谱受大气影响Air Mass AM=1.5 AM全年都在变化 n 欧美多国从上世纪80年代已陆续从国家层面推动建设了一批光伏系统户外实证性测试平台，通过对各类太阳能电池组件、BOS部件和光伏发电系统开展户外实证测试，获取大量第一手的实证数据，有力支撑了本国光伏发电产业的发展、产品应用的推广以及新技术、新材料、新工艺的实际运行工况验证。1.2 国外光伏组件实证测试发展 美 国 凤 凰 城 建 于 1948年 ， 面 积 15万 平 方米 国 际 干 热 气 候 基 准 点 美 国 迈 阿 密 建 于 1931年 ， 面 积 9万 平 方 米 国 际 湿 热 气 候 基 准 点 n 美国的亚利桑那州TüV 莱茵光伏测试实验室、PVUSA（Photovoltaic For Utility Scale Applications）项目、美国能源部SETP（Solar Energy Technologies Program）项目、ATLAS公司的凤凰城户外测试场等；德国的弗朗霍夫（Fraunhofer）太阳能发电系统研究所（ISE）、太阳能和氢研究中心（ZSW）；荷兰能源研究中心（ECN）；瑞士南方应用科技大学（SUPSI）建立的户外实证性测试场；美国杜邦公司光伏组件户外实证测试场等。 SETP， 2007年 美 国 能 源 部 发 起 杜 邦 户 外 组 件 实 证 场 1.2 国外光伏组件实证测试发展 1.2 国外光伏组件实证测试发展 NREL光 伏 组 件 新 兴 技 术 路 线 图 PHOTON 组 件 实 证 监 测 年 报 n 目前欧美中日等国对新型光伏组件材料的研究也走在前列。Wiley旗下的Solar RRL期刊持续跟进钙钛矿等光伏材料工艺进展。PHOTON实验室从2005年开展光伏组件实证监测，并持续发布年报。n 实证平台能为未来的新技术组件提供长期实证监测数据。 建设户外实证监测平台，采用长期运行监测手段，可有效对光伏电站关键部件能否满足领跑者性能要求进行长期监管，同时为提高光伏电站关键部件效率提供数据支撑。 l自2015年起，我国光伏产业发展迅速，新增装机容量和累计装机容量均全球首位，同时也出现了部分落后产能不能及时退出、先进技术产品无法进入市场、产业整体技术升级缓慢、工程质量存在隐患等问题。l自2015年起，同年我国开始实施光伏“领跑者”计划。2015至2017年共发布了三批次共计13GW领跑基地建设规模。 相关文件 多晶硅电池组件的光电转换效率 单晶硅电池组件的光电转换效率 逆变器效率 系统效率2015领跑者国能新能〔2015〕194号 16.5%以上 17%以上 含变压器中国加权效率≥96%，不含变压器中国加权效 率≥98%最高效率不低于99% ≥81%2016领跑者国能新能〔2016〕166号 多晶16.5%、单晶17%，新型高效电池加分。2017领跑者 国能发新能[2017]54号 17%以上（应用领跑） 17.8%以上（应用领跑） 18%以上 （技术领跑） 18.9%以上 （技术领跑） 1.3 国内光伏组件实证测试发展 领跑者基地实证测试平台 光伏领跑者基地的特殊性：n 光伏领跑者基地分布在我国不同气候类型地区，各基地气候类型差差异较大，仅采用实验室测试结果无法反映各气候类型下光伏系统运行情况；n 领跑者基地采用先进技术及工艺光伏组件，其实证性能缺乏长期运行监测数据。领跑者基地建设地区 气候类型大同I期、大同II期、包头、乌海、张家口、白城、达拉特 寒温I寿阳、济宁、新泰、阳泉、芮城、渭南、海兴、两淮、长治、铜川 暖温格尔木、德令哈 寒温II泗洪、宝应、上饶 亚湿热 1.3 国内光伏组件实证测试发展 一、领跑者实证平台背景及意义二、领跑者实证平台建设内容三、领跑者实证平台数据分析四、未来光伏展望 2.1 实证平台系统架构 实证平台子系统名称 气象要素综合监测系统 光伏组件实证监测系统 光伏逆变器实证监测系统 光伏发电单元实证测试系统 系统配置 配置不同角度总辐照传感器、温度、风速、风向等气象要素传感器 配置不同倾角光伏组件支架（5°、45°、当地纬度、最佳倾角） 根据不同类型逆变器拓扑结构及运行方式在逆变器交直流侧加装电能计量柜 选取有代表性的光伏子系统，安装光伏发电单元效率链监测装置 系统功能 为实证平台中所有设备的运行性能评价提供准确的气象数据。通过对当地环境因素进行长期监测，评价当地环境因素导致光伏部件性能衰减。 可针对组件I-V特性、发电特性和衰减特性进行长期户外监测。通过对基地内各类型先进组件长期监测，验证长期运行过程中组件效率及衰减率是否满足领跑者要求。 对多种类型逆变器的中长期发电量、逆变器效率等性能参数进行长期实证监测。通过监测数据对比各种类型光伏逆变器运行性能、中国效率和综合效率。 对发电单元气象要素、光伏阵列、汇流箱、逆变器以及并网点等进行长期监测，评价光伏电站整体运行效率是否满足相关文件对电站效率要求，并对光伏电站效率影响因素进行诊断。系统照片集中型实证平台小微型实证平台第一、二批领跑者基地实证平台各监测系统在各个子站区域内建设第三批领跑者基地实证平台各监测系统在同一地块集中建设优点：所有组件、逆变器在同环境下横向比较优点：不同子站的同类型组件、逆变器可横向比较，更加精细化，降低建设成本 2.2 气象资源综合监测系统气象要素为评价光伏系统及其关键部件发电量多少的源头数据。同时，不同地区气象环境要素也是导致光伏部件衰减失效程度的重要原因。气象要素综合监测系统包含四种不同角度总辐照传感器、温度和湿度传感器、风速、风向传感器，为实证平台中所有设备的运行性能评价提供准确气象数据；此外，还包含黑白板温度传感器、红外辐照传感器、紫外辐照传感器、雨量筒以及气压计，可对当地环境因素进行长期监测，评价当地环境因素和光伏组件性能关系，如发电性能、耐候性、衰减率等。通过气象要素监测，可为光伏系统关键部件的选型和评价规范标准提供数据支持，为“领跑者”基地内电站高效运行提供支撑。 2.3 光伏组件实证监测系统光伏组件实证监测系统对组件运行性能长期实证测试包括：前期组件初始功率标定、组件长期在线测试、组件测试结果分析。光伏组件STC条件移动测试平台在进行组件运行性能长期实证测试前，对光伏组件初始功率进行STC条件标定，并对组件进行EL测试。 该移动测试装置还可为“领跑者”实证电站内运行的组件提供STC条件下功率标定，获取实验室检测的衰减率，结合实证监测衰减率进行综合比较分析。 2.3 光伏组件实证监测系统光伏组件实证监测系统配置不同倾角光伏支架（5°、45°、当地纬度、最佳倾角），可针对组件I-V特性、发电特性和衰减特性进行长期户外监测。系统对被测光伏组件配置I-V曲线在线监测装置和微型逆变器，组件与I-V曲线在线监测装置连接后再与微型逆变器相连，实现光伏组件长期在线监测。结合气象数据，对光 伏组件运行性能进行评估，为光伏组件的选型和评价、制定标准和监管提供数据支撑。光伏组件小微型系统实证每个角度至少安装4块同类型组件，被测组件为电站中随机抽取；被测组件按每种类型同期随机抽取4块作为备用。 组 件 在 线 监 测 系 统 ， 得 到 全 天 候 I-V曲 线 和 发 电 数 据 光伏逆变器实证监测系统针对光伏领跑技术基地内的所有类型光伏逆变器进行长期实证监测。根据不同类型逆变器拓扑结构及运行方式在逆变器交直流侧加装电能计量柜。逆变器实证监测系统具备高精度数据采集模块，实现逆变器中每个MPPT通道的独立测量，实现逆变器交流侧/直流侧的电压/电流独立测量，实现发电量、转换效率、最大效率的测量，具备电能质量分析功能。光伏逆变器小微型系统实证设施无需集中建设，须覆盖项目内全部类型光伏逆变器，每种逆变器随机抽 取2台进行监测，监测逆变器交、直流侧电量数据，对于集散式逆变器还应监测智能汇流箱输入/输出端电量数据，监测设施包括高精度传感模块、高精度数据采集模块、电能质量分析模块等。 逆变器类型 测试需求组串式逆变器 在直流侧需要对每一路MPPT模块进行单独测试集散式逆变器 除逆变器本体外，还需抽测智能汇流箱集中式逆变器 交/直流侧传感器有较宽的电流测量范围2.4 光伏逆变器实证监测系统 一、领跑者实证平台背景及意义二、领跑者实证平台建设内容三、领跑者实证平台数据分析四、未来光伏展望 3.1 气象数据分析综合气象要素数据分析针对4角度辐照量、日照时数、温湿度、风速风向等进行趋势分析和统计分析，能够对光伏电站的气象信息进行实时监测，为分析组件、逆变器及电站整体性能提供准确数据源。 各 月 四 角 度 辐 照 量 各 月 日 均 日 照 小 时 数综 合 气 象 传 感 平 台 能 有 效 评 估 光 伏 组 件 户 外 运 行 特 点 各 月 风 速 风 向 玫 瑰 图综 合 气 象 传 感 平 台试验项目 实验室试验条件 室外运行情况辐照度 1000W/㎡ 、800W/㎡ 、200W/㎡ 等固定点 从0W/㎡ ~1300W/㎡ 均有分布温度 环温：20℃、组件温度25℃ 温度随季节、天气而变化风速 1m/s 风速随环境变化光谱 标准太阳光谱 光谱受大气影响Air Mass AM=1.5 AM全年都在变化 光伏组件长期实证监测系统覆盖4角度21种类型114块组件。针对组件的发电性能、性能参数、效率、衰减率等多个指标进行分析。对于同类型组件分组进行对比分析，从而准确评估户外实证条件下组件性能。VocVpp和 背 板 温 度 关 系 IscIpp和 背 板 温 度 关 系基 于 实 证 数 据 的 组 件 性 能 参 数 提 取功 率 和 辐 照 度 关 系 功 率 和 背 板 温 度 关 系 3.2 组件数据分析1. 功率 VS 辐照度2. 背板环境温度差 VS 辐照度3. 功率 VS 背板温度4. VmpVoc VS 背板温度5. ImpIsc VS 背板温度6. 填充因子 VS 背板温度 1. 对比单晶组件2. 对比多晶组件3. 对比PERC组件4. 对比黑硅组件5. 对比同种功率组件 组件日均满发时长=组件总发电量/组件初始功率/统计天数。采用PERC技术的组件发电量排名整体靠前。3.3 特定类型组件性能分析-以PERC为例 大同实证平台组件日均满发时长 PERC组件月报排名-山西大同实证平台数据 最佳倾角共32块组件，其中PERC技术5块，除去双面组件，保留前13名。PERC组件在 弱光月份 日均满发时长 更为靠前。 各月日均满发时长排名 3.3 特定类型组件性能分析-以PERC为例 典 型 月 组 件 转 换 效 率单 晶 效 率 整 体 高 于 多 晶PERC整 体 靠 前 组 件 功 率 衰 减 绝 对 值单 晶 部 分 高 于 多 晶 组 件 衰 减 率单 晶 部 分 高 于 多 晶 组 件 能 效 比单 晶 部 分 高 于 多 晶PERC能 效 比 较 高 光伏组件长期实证监测能够针对同一角度下不同组件的转换效率、名义功率偏差和组件发电能效比（MPR）进行分析。可以分析气象条件不同的各个时间段组件的性能差异。能够有效指导不同类型气象资源区的光伏组件选型。3.4 组件实证监测性能指标 3.5 实证电站监测数据展示 光伏实证系统大数据分析平台包含物联网监测系统、测试数据库、运行监测数据库、数据存储分析模块、数据展示模块等。u 实现多个光伏实证电站气象、组件发电量、组件IV曲线、逆变器转换电量和效率等信息参数的同步监控；u 实现多个光伏实证电站系统效率和满发时长对比，实现电站运行性能横向比较。 光 伏 实 证 电 站 大 数 据 分 析 平 台 界 面 3.5 实证电站监测数据展示 各 年 度 每 日 发 电 量 变 化 趋 势 各 月 气 象 变 化 统 计 一、领跑者实证平台背景及意义二、前两批领跑者实证平台总结三、第三批领跑者实证平台工作四、结论与展望 目前正在开展内蒙达拉特旗、陕西渭南、青海德令哈、青海格尔木、江西上饶的小微实证平台建设。4.1 第三批“领跑者”基地小微实证平台 国家863计划项目“大型并网光伏电站关键技术研究与设备研制”我国首座百兆瓦太阳能光伏发电实证基地2016年10月顺利验收青海省海南州共和县国家科技支撑计划项目 “太阳光伏系统户外试验场技术研发与示范”张北风电试验基地2017年底结题河北省张家口市张北县 芮城光伏领跑者基地先进技术实证平台山西省运城市芮城县山西芮城县国家生态光伏领跑者示范基地国家领跑者计划项目2018年5月顺利验收 4.2 实证平台技术里程碑 国家领跑者计划项目大同光伏“领跑者”基地先进技术实证平台2017年7月顺利验收山西大同采煤沉陷区国家先进技术光伏示范基地山西省大同市 5MW可重构实证平台七大典型气候区典型气候条件下光伏系统实证研究和测试关键技术国家重点研发计划1.92019年开展平台建设 领跑者小微型系统实证平台内蒙、陕西、青海、江西第三批领跑者小微型实证平台，达旗、渭南、德令哈、格尔木、上饶国家领跑者计划项目2018年9月开展平台建设 2 6 谢谢大家！