本系列介紹的是就固定價格收購制度（FIT）下百萬瓦級光伏電站的運營維護（O&M）狀況等，對以光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)建和維護等而著稱的Next Energy and Resources（長野縣駒根市）的工作人員的采訪。前文介紹了關(guān)于監(jiān)控基本方法和運用氣象傳感器的實例等。本文將介紹可把握十幾張太陽能電池板發(fā)電情況的“組串監(jiān)控”以及利用獲得的監(jiān)控數(shù)據(jù)及時發(fā)現(xiàn)故障的事例等。

——上次介紹的使用氣象傳感器的事例，是從百萬瓦級光伏電站整體或每臺逆變器（PCS）所涉及的大的水平上來掌握是否在合理發(fā)電。那么要想掌握太陽能電池板自身的發(fā)電故障，采用什么方法比較現(xiàn)實？

答：太陽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。掌握太陽能電池板的故障比較現(xiàn)實的方法，是利用以十幾張?zhí)柲茈姵匕鍨閱挝徽莆瞻l(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

在百萬瓦級光伏電站等大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)中，難以把握發(fā)生故障的太陽能電池板，是因為每臺PCS連接的太陽能電池板多達數(shù)十～數(shù)千張，從PCS的輸出數(shù)據(jù)無法發(fā)現(xiàn)幾張?zhí)柲茈姵匕宓妮敵霎惓！?br />
難以檢測電池板輸出異常還有一個原因，就是“旁路二極管”的機制。太陽能電池板是串聯(lián)連接方形電池單元（發(fā)電元件）制成的，即使一個電池單元出現(xiàn)異常形成電阻，因有旁路二極管，電流也會繞過這個故障電池單元流過，因此發(fā)電量的降幅很小。這種機制原本是為了保障安全而設(shè)置的，用來防止異常電池單元因形成電阻而發(fā)熱（稱為熱點現(xiàn)象，如放任不管可能會造成起火和破損事故）。因這種旁路二極管安全裝置，太陽能電池板雖然是串聯(lián)電池單元制成的，但數(shù)個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)。具體來說就是在接線盒內(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）。這樣就可以在百萬瓦級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的預(yù)計發(fā)電量（綠線）。黃色是整體的發(fā)電量測量值。橫軸表示時間，可以看出當(dāng)天從早上7點到下午4點多一直在發(fā)電。只看上圖，看起來基本正常，但從下圖的組串監(jiān)控傳感器的值可以看出，上午早些時候有幾個組串的輸出功率較低。這里是因為背陰的影響，如果某些局部發(fā)電量異常，與其他組串一比較立即就能檢測出來。

（出處：Next Energy and Resources）

掌握了發(fā)電量異常低的組串后，假如該組串由14張?zhí)柲茈姵匕鍢?gòu)成，利用測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年的收入會多出約6000萬日元

推薦采用組串監(jiān)控系統(tǒng)，是因為能以比較現(xiàn)實的導(dǎo)入成本來把握這些故障。接線盒設(shè)置的傳感器的成本，幾年前為每個組串幾萬日元，由設(shè)計的改進及量產(chǎn)的實現(xiàn)，現(xiàn)在降到了每個組串1萬日元以下。以每個組串有14張電池板、輸出功率4kW為例，每個組串一年的售電收入為16.8萬日元，投資成本很容易就可收回。

以采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計、輸出功率為2MW的百萬瓦級光伏電站為例，假設(shè)太陽能電池板的故障發(fā)生率為最近多家研究機構(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)電站與不作維護的發(fā)電站在發(fā)電開始后的20年內(nèi)會有約6000萬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)入費用約設(shè)定為400萬日元。導(dǎo)入成本在發(fā)電開始后約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)電站和不實施維護的發(fā)電站在開始發(fā)電20年后會有約6000萬日元的售電收入差。

（出處：Next Energy and Resources）

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年開始也紛紛來咨詢，很多光伏電站都在準(zhǔn)備導(dǎo)入。

只憑顯示器上的顯示無法發(fā)現(xiàn)逆變器停止

——在遠程監(jiān)控系統(tǒng)的導(dǎo)入和運用中，發(fā)電運營商需要做什么？

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。下面介紹兩個例子。

一個是2012年開始發(fā)電的中等規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)。這個光伏發(fā)電系統(tǒng)在開始發(fā)電半年以后的約半年時間里，4臺PCS中因有1臺發(fā)生無法自動恢復(fù)的故障而停機，但發(fā)電運營商卻沒有注意到。

這個光伏發(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PCS因為故障已經(jīng)完全不輸出了。在這個例子中，如果改進遠程監(jiān)控系統(tǒng)的顯示，至少顯示PCS的錯誤代碼，應(yīng)該也會立即發(fā)現(xiàn)故障。本公司是推薦O&M客戶顯示PCS錯誤代碼的，但這個例子是客戶指定不顯示的。

雷擊也會造成遠程監(jiān)控系統(tǒng)和警報裝置停機

另一個是輸出功率約為2MW的百萬瓦級光伏電站的例子。這電站所在的地區(qū)在發(fā)電開始后的2012年8月15日遭到了雷擊。受雷擊的影響，百萬瓦級光伏電站內(nèi)所有的PCS都停機了。不僅PCS停止運轉(zhuǎn)，連遠程監(jiān)控系統(tǒng)和警報系統(tǒng)也停止了。

8月15日，日本的企業(yè)大多都在休盂蘭盆假。但這座百萬瓦級光伏電站的運營商在第二天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？因為這座百萬瓦級光伏電站運營商的專務(wù)養(yǎng)成了每天早上用智能手機確認(rèn)發(fā)電情況的習(xí)慣，所以立即發(fā)現(xiàn)了（圖4）。接到報告后，本公司立即通過遠程監(jiān)控系統(tǒng)確認(rèn)了情況，并派技術(shù)人員前往現(xiàn)場解決了問題。

 

圖4：采用智能手機的發(fā)電量遠程監(jiān)控系統(tǒng)示例

（出處：Next Energy and Resources）

像這樣僅是使用了警報系統(tǒng)和遠程監(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運營商展開合作等。