太阳能光伏发电系统故障分析与解决探析

重庆劲科电力设计有限公司 黄 馨 李喜龙 赵 彬 李 燕

城市化建设过程中，人们对能源的需求不断增加，但能源问题日益突出，开发新能源势在必行，在此基础上，本公司积极投入到光伏发电技术的开发应用中。作为一种清洁型能源，太阳能在诸多领域中得到广泛应用，但在实际应用过程中，还需要结合实际情况，展开综合性分析，从而打造出高质量、高效率、稳定性的发电系统。本文针对本公司技术选型与需求分析等的技术手段展开细节性分析，对太阳能光伏发电系统的故障进行分析与解决。此外，在本公司落实太阳能光伏发电技术过程中还存在诸多问题，需要结合实际问题展开进一步分析，以求从侧面助力国家能源转型发展。

1 本公司太阳能光伏发电系统

1.1 技术选型与需求分析

本公司位于北纬30°、东经120°，年平均日照时间为2000h，太阳能资源丰富，年平均日照时间长，具备安装太阳能光伏发电系统的良好条件。本公司的用电需求主要集中在白天，尤其是高峰时段。考虑到这些因素，根据本公司的历史用电数据预测未来的用电需求，如表1所示，并结合地理位置和气候条件，确定系统的装机容量。根据本公司近三年的用电数据，日均峰值负荷约为500万kWh，年总用电量约为120万kWh。最终选择600kW 的光伏发电系统，以满足本公司在高峰时段的用电需求，并配备120kWh 的储能设备，以确保在连续阴雨天气下也能满足至少3天的用电需求[1]。

表1 太阳辐射统计

1.2 技术选型

基于上述数据，本公司选择转换效率达到20%的多晶硅光伏电池板，其开路电压为40V，短路电流为10A，该电池板具有优异的抗衰减性能，预计25年后的功率衰减不超过20%。此外还引入100kW的集中式逆变器，其最高效率可达98%，并具有智能最大功率点跟踪（MPPT）功能，能够根据光照条件实时调整工作点，提高发电效率。使用的锂电池储能系统单体电池容量为10kWh，能量密度为250Wh/kg，具有快速充放电能力，可在30min 内充满80%的电量，放电深度可达80%。

1.3 系统设计

在光伏电池板的排列方式和角度设计上，本公司采用专业的光伏设计软件进行优化。通过模拟不同排列方式和角度下的光照情况，确定最佳的排列方式和角度，以最大化接收太阳光。这不仅提高系统的发电效率，还降低光伏电池板的占地面积。公式（1）为光伏方阵阵列间距，式中：φ为维度；H为电池板固定后的投影高度。

电缆布局和连接方式的设计对于电能的高效传输至关重要。本公司根据系统的规模和用电需求，选择合适的电缆规格和布局方式，同时还采用防水、防尘、防雷击等措施，确保电缆的安全运行[2]。

为确保安全性，本公司设计全面的监控系统，可以实时监测系统的运行状态、发电量、储能电量等数据。同时还配置安全防护设备，如防雷器、过流过压保护器等，以确保系统在恶劣天气或故障情况下能够安全运行。

光伏电池板排列采用30°倾斜角安装，以最大化接收太阳光。根据本公司模拟结果，此安装角度下年平均日照量可提高5%左右。电缆选型与布局选用120mm2的铜芯电缆，其载流量为300A，能够满足系统满负荷运行时的传输需求。电缆采用地下直埋方式，减少占地面积，并增强防盗性能。数据采集单元负责实时采集光伏电池板电压、电流、发电量等数据，并通过通信模块上传至上位机软件进行分析和展示。上位机软件具有数据存储、图表展示、故障报警等功能，方便运维人员实时解系统运行状态。本公司配置的防雷器最大通流容量可达100kA，能够有效防止雷击对系统造成损害。同时还配置过流过压保护器，当系统出现过流或过压时能够自动切断电源，保护设备安全。

1.4 安装与调试

在安装与调试阶段，本公司将技术数据与实际操作相结合，以确保太阳能光伏发电系统的性能达到最优。支架选用铝合金材料，其抗腐蚀性能强、强度高，能够承受各种恶劣天气条件。支架的安装精度要求极高，垂直度和水平度偏差不超过±0.5°。为确保支架的稳定性，本公司还进行负载测试，确保其承重能力满足要求。电池板的安装角度和间距对发电效率有着直接影响。经过详细的模拟计算，本公司确定30°的最佳安装角度，并保持1m 的合理间距。这不仅提高发电效率，还避免电池板之间的阴影遮挡。

此外，电池板与支架之间的接口采用专用的防水密封胶进行密封处理，确保系统具有良好的防水性能。逆变器和储能系统的安装位置需考虑到通风散热和安全性。本公司选择室内通风良好的位置，并使用专业的抗震支架进行固定。在安装过程中严格遵守设备制造商的安装规范，确保每个连接部位紧固可靠。逆变器的转换效率经过测试达到98%，储能系统的充放电效率也达到90%以上[3]。

1.5 调试与优化

在系统调试阶段，本公司对光伏电池板的输出电压和电流进行精确测量，确保其处于正常范围内。同时，本公司还对逆变器的各项参数进行详细调整，以获得最佳的发电效率。储能系统的充放电性能也经过严格的测试，确保其能够稳定可靠地工作。在调试过程中，根据系统的实际运行情况进行优化调整。例如，在光照不足的情况下，通过调整逆变器控制策略提高其输出电压和电流，从而增加发电量。

此外，本公司还根据环境温度和散热情况，优化散热设备的运行策略，确保系统温度始终处于合理范围内。严格的安装与调试过程使本公司的太阳能光伏发电系性能统色，实际运行中，系统的发电效率稳定且高效，为用电需求提供可靠的保障。

2 太阳能光伏发电系统故障分析与解决方案

然而，本公司太阳能光伏发电系统在实际应用中也面临一些挑战和问题。例如，设备故障、系统效率低下、运维成本高等问题仍然存在。此外，太阳能光伏发电的间歇性和不稳定性也是制约其发展的因素之一。

2.1 问题描述

在本公司太阳能光伏发电项目中，系统出现发电量下降的问题。原本该系统在标准测试条件下，即光照强度1000W/m2、温度25℃时每天可发电约300kWh，但在某日的午后开始发电量急剧下滑，实际日发电量仅能达到约90kW 时，为原来的三分之一。这一异常现象持续数天，严重影响该系统的正常供电和经济效益。

2.2 故障排查

为找出问题的根源，本公司首先对系统进行全面的故障排查。在STC 条件下对电池板进行效率测试，发现平均效率由原先的18%下降至13%，发现部分电池板存在污渍和灰尘覆盖，厚度约为0.5mm。通过IV（电流－电压）曲线分析，确定电池板内部可能存在隐裂或老化现象。后续检查中，发现逆变器在运行过程中温度持续超过85℃，远超推荐的最大工作温度。逆变器日志显示，过热报警触发的时间与发电量下降的时间高度一致。在标准条件下测试，逆变器功率损失由原先的3%增加到8%。后续检查中，储能电池的充放电效率由原先的90%下降至80%，且部分电池内阻明显上升，表明可能存在电池老化现象[4]。

2.3 解决方案

针对上述排查结果，本公司使用专业清洗设备对电池板进行清洗，去除污渍和灰尘，对于存在隐裂或老化的电池板进行更换，并立即更换故障风扇，确保逆变器散热良好，同时调整逆变器的散热策略，如增加散热时间、降低最大工作负荷等。清洗后，电池板效率恢复至17%，更换老化电池板后，整体效率进一步提升至18%，逆变器运行温度稳定在70℃以下，功率损失降低至4%。

3 太阳能光伏发电技术在电力企业的实践与分析

在全球能源结构转型和环保呼声日益高涨的背景下，太阳能光伏发电技术以其清洁、可再生、无污染的特性，逐渐成为电力企业实现绿色、可持续发展的重要选择。作为一名在电力企业工作多年的工程师，笔者有幸参与本公司的一个太阳能光伏发电项目，以下是我对该项目的深入分析和实践体会。

3.1 电气一次侧设计

电气一次侧是光伏发电系统的核心部分，负责将太阳能转换成电能并输送至电网。在本公司的项目中，电气一次侧设计主要包括光伏组件的串并联组合、逆变器的选型与配置以及直流汇流箱的选择。本公司选用转换效率高达22%的光伏组件，通过串并联组合形成多个光伏阵列。每个光伏阵列配备一台100kW 的逆变器，将直流电转换为交流电并输送至电网。

3.2 主要设备布置

在项目现场，本公司合理规划设备的布置位置。光伏组件按照最佳倾角和方位角安装在地面上，确保能够充分接收太阳能辐射。逆变器、直流汇流箱等设备则安装在附近的设备间内，方便运维人员进行日常维护和检修。

3.3 电气二次侧设计

电气二次侧设计主要包括交流配电系统、保护与控制系统等。本公司配置多台交流配电柜，用于将逆变器输出的交流电进行分配和输送。同时，本公司还配置多种保护设备，如过流保护器、防雷器等，确保系统的安全运行。在控制系统方面，本公司采用智能化的监控系统，可以实时监测光伏阵列的发电情况、逆变器的运行状态等关键参数。通过数据分析，本公司可以及时发现并处理潜在的安全隐患，确保系统的稳定运行[5]。

3.4 发电效益分析

自光伏发电站投运以来，本公司对其发电效益进行持续的监测和分析。数据显示，该光伏发电站年平均发电量达到1200万kWh 以上，满足企业约30%的用电需求。与传统的火力发电相比，光伏发电不仅减少大量的二氧化碳排放，还为企业节省大量的电费支出。据初步估算，企业每年可节约电费约200万元以上。此外，随着国家对可再生能源的支持力度不断加大，光伏发电的上网电价也在逐年提高。这将进一步增加企业的发电收益，推动企业实现绿色发展[6]。

4 结语

太阳能光伏发电技术作为全球能源转型的关键一环，正逐渐崭露头角并展现出其巨大的潜力。通过对太阳能光伏发电技术的深入分析，优化光伏电池的结构和设计，提高光伏材料的转换效率。未来还需要进一步改进逆变器和储能系统的技术，提高系统的稳定性和可靠性。在此基础上，根据本公司经验来看，还需进一步强化智能化运维和数据分析，以求降低运维成本并提高系统的运行效率。