本系列介紹的是就固定價(jià)格收購(gòu)制度（FIT）下百萬(wàn)瓦級(jí)光伏電站的運(yùn)營(yíng)維護(hù)（O&M）狀況等，對(duì)以光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)建和維護(hù)等而著稱的Next Energy and Resources（長(zhǎng)野縣駒根市）的工作人員的采訪。前文介紹了關(guān)于監(jiān)控基本方法和運(yùn)用氣象傳感器的實(shí)例等。本文將介紹可把握十幾張?zhí)?yáng)能電池板發(fā)電情況的“組串監(jiān)控”以及利用獲得的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障的事例等。
——上次介紹的使用氣象傳感器的事例，是從百萬(wàn)瓦級(jí)光伏電站整體或每臺(tái)逆變器（PCS）所涉及的大的水平上來(lái)掌握是否在合理發(fā)電。那么要想掌握太陽(yáng)能電池板自身的發(fā)電故障，采用什么方法比較現(xiàn)實(shí)？
答：太陽(yáng)能電池板的故障只利用上次介紹的PCS輸出數(shù)據(jù)和氣象傳感器很難掌握。掌握太陽(yáng)能電池板的故障比較現(xiàn)實(shí)的方法，是利用以十幾張?zhí)?yáng)能電池板為單位掌握發(fā)電情況的組串監(jiān)控。
用“旁路二極管”難以發(fā)現(xiàn)發(fā)電故障
在百萬(wàn)瓦級(jí)光伏電站等大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)中，難以把握發(fā)生故障的太陽(yáng)能電池板，是因?yàn)槊颗_(tái)PCS連接的太陽(yáng)能電池板多達(dá)數(shù)十～數(shù)千張，從PCS的輸出數(shù)據(jù)無(wú)法發(fā)現(xiàn)幾張?zhí)?yáng)能電池板的輸出異常。
難以檢測(cè)電池板輸出異常還有一個(gè)原因，就是“旁路二極管”的機(jī)制。太陽(yáng)能電池板是串聯(lián)連接方形電池單元（發(fā)電元件）制成的，即使一個(gè)電池單元出現(xiàn)異常形成電阻，因有旁路二極管，電流也會(huì)繞過(guò)這個(gè)故障電池單元流過(guò)，因此發(fā)電量的降幅很小。這種機(jī)制原本是為了保障安全而設(shè)置的，用來(lái)防止異常電池單元因形成電阻而發(fā)熱（稱為熱點(diǎn)現(xiàn)象，如放任不管可能會(huì)造成起火和破損事故）。因這種旁路二極管安全裝置，太陽(yáng)能電池板雖然是串聯(lián)電池單元制成的，但數(shù)個(gè)單元的異常造成的輸出功率降幅非常小，所以難以發(fā)現(xiàn)。
但若以十?dāng)?shù)張電池板的組串為單位監(jiān)控發(fā)電量，則微弱的輸出異常也容易發(fā)現(xiàn)。具體來(lái)說(shuō)就是在接線盒內(nèi)各組串的布線上設(shè)置電流傳感器，以掌握各組串的發(fā)電量（圖1）。這樣就可以在百萬(wàn)瓦級(jí)光伏電站整體范圍內(nèi)比較各組串的發(fā)電量，能掌握發(fā)電量異常低的組串（圖2）。
圖1：集線箱內(nèi)安裝的組串監(jiān)控傳感器示例。用〇圈住的部分。
（出處：Next Energy and Resources）
圖2：上圖是根據(jù)日照傳感器的值推測(cè)的預(yù)計(jì)發(fā)電量（綠線）。黃色是整體的發(fā)電量測(cè)量值。橫軸表示時(shí)間，可以看出當(dāng)天從早上7點(diǎn)到下午4點(diǎn)多一直在發(fā)電。只看上圖，看起來(lái)基本正常，但從下圖的組串監(jiān)控傳感器的值可以看出，上午早些時(shí)候有幾個(gè)組串的輸出功率較低。這里是因?yàn)楸酬幍挠绊懀绻承┚植堪l(fā)電量異常，與其他組串一比較立即就能檢測(cè)出來(lái)。
掌握了發(fā)電量異常低的組串后，假如該組串由14張?zhí)?yáng)能電池板構(gòu)成，利用測(cè)量溫度的紅外傳感器攝像頭，幾分鐘就可以判斷其中的哪張電池板發(fā)生了故障。
因組串監(jiān)控的采用，20年的收入會(huì)多出約6000萬(wàn)日元
推薦采用組串監(jiān)控系統(tǒng)，是因?yàn)槟芤员容^現(xiàn)實(shí)的導(dǎo)入成本來(lái)把握這些故障。接線盒設(shè)置的傳感器的成本，幾年前為每個(gè)組串幾萬(wàn)日元，由設(shè)計(jì)的改進(jìn)及量產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在降到了每個(gè)組串1萬(wàn)日元以下。以每個(gè)組串有14張電池板、輸出功率4kW為例，每個(gè)組串一年的售電收入為16.8萬(wàn)日元，投資成本很容易就可收回。
以采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、輸出功率為2MW的百萬(wàn)瓦級(jí)光伏電站為例，假設(shè)太陽(yáng)能電池板的故障發(fā)生率為最近多家研究機(jī)構(gòu)發(fā)布的年均0.4％左右，據(jù)我們估算，采用組串監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)電站與不作維護(hù)的發(fā)電站在發(fā)電開(kāi)始后的20年內(nèi)會(huì)有約6000萬(wàn)日元的售電收入差額（圖3）。在估算中，組串監(jiān)控系統(tǒng)的導(dǎo)入費(fèi)用約設(shè)定為400萬(wàn)日元。導(dǎo)入成本在發(fā)電開(kāi)始后約5年就可由售電量之差收回。
圖3：橫軸為年數(shù)，縱軸為輸出不良造成的售電收入減少。假設(shè)太陽(yáng)能電池板的故障率為年均0.4％左右，則采用組串監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)電站和不實(shí)施維護(hù)的發(fā)電站在開(kāi)始發(fā)電20年后會(huì)有約6000萬(wàn)日元的售電收入差。
如上所述，因采用的成本已比較親民，歐洲已經(jīng)普遍采用組串監(jiān)控系統(tǒng)，日本的采用也在增加。本公司的客戶從2013年開(kāi)始也紛紛來(lái)咨詢，很多光伏電站都在準(zhǔn)備導(dǎo)入。
只憑顯示器上的顯示無(wú)法發(fā)現(xiàn)逆變器停止
——在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的導(dǎo)入和運(yùn)用中，發(fā)電運(yùn)營(yíng)商需要做什么？
答：要使監(jiān)控內(nèi)容便于查看、構(gòu)建經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)等容易查看的顯示系統(tǒng)，并定期確認(rèn)顯示內(nèi)容，等等。下面介紹兩個(gè)例子。
一個(gè)是2012年開(kāi)始發(fā)電的中等規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)。這個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)在開(kāi)始發(fā)電半年以后的約半年時(shí)間里，4臺(tái)PCS中因有1臺(tái)發(fā)生無(wú)法自動(dòng)恢復(fù)的故障而停機(jī)，但發(fā)電運(yùn)營(yíng)商卻沒(méi)有注意到。
這個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)是在商業(yè)設(shè)施中設(shè)置的。因此，為了向顧客大力宣傳，商業(yè)設(shè)施內(nèi)還利用顯示器顯示發(fā)電情況等。即便如此，卻沒(méi)有注意到發(fā)生了故障。
之后，本公司在檢查中發(fā)現(xiàn)，這臺(tái)PCS因?yàn)楣收弦呀?jīng)完全不輸出了。在這個(gè)例子中，如果改進(jìn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的顯示，至少顯示PCS的錯(cuò)誤代碼，應(yīng)該也會(huì)立即發(fā)現(xiàn)故障。本公司是推薦O&M客戶顯示PCS錯(cuò)誤代碼的，但這個(gè)例子是客戶指定不顯示的。
雷擊也會(huì)造成遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)和警報(bào)裝置停機(jī)
另一個(gè)是輸出功率約為2MW的百萬(wàn)瓦級(jí)光伏電站的例子。這電站所在的地區(qū)在發(fā)電開(kāi)始后的2012年8月15日遭到了雷擊。受雷擊的影響，百萬(wàn)瓦級(jí)光伏電站內(nèi)所有的PCS都停機(jī)了。不僅PCS停止運(yùn)轉(zhuǎn)，連遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)和警報(bào)系統(tǒng)也停止了。
8月15日，日本的企業(yè)大多都在休盂蘭盆假。但這座百萬(wàn)瓦級(jí)光伏電站的運(yùn)營(yíng)商在第二天8月16日早上就發(fā)現(xiàn)了前一天的發(fā)電量異常，并報(bào)告了本公司
為什么能在盂蘭盆假期中迅速發(fā)現(xiàn)故障呢？因?yàn)檫@座百萬(wàn)瓦級(jí)光伏電站運(yùn)營(yíng)商的專務(wù)養(yǎng)成了每天早上用智能手機(jī)確認(rèn)發(fā)電情況的習(xí)慣，所以立即發(fā)現(xiàn)了（圖4）。接到報(bào)告后，本公司立即通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)確認(rèn)了情況，并派技術(shù)人員前往現(xiàn)場(chǎng)解決了問(wèn)題。
圖4：采用智能手機(jī)的發(fā)電量遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)示例
像這樣僅是使用了警報(bào)系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，也并非能夠發(fā)現(xiàn)所有的異常。還需要建立運(yùn)行方面的體制，確保每天有人確認(rèn)發(fā)電情況，并與O&M運(yùn)營(yíng)商展開(kāi)合作等。
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