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影响光伏电站综合效益的三个主要因素浅析

发表时间：2020/7/20 来源：《电力设备》2020年第8期作者：刘星雨

[导读] 摘要：影响光伏电站综合效益的因素较多，设计阶段的技术路线是影响光伏电站整体发电效能和经济效益的重要因素。

        （国家电力投资集团有限公司湖北分公司湖北武汉 430061）
        摘要：影响光伏电站综合效益的因素较多，设计阶段的技术路线是影响光伏电站整体发电效能和经济效益的重要因素。电池组件和逆变器的选型、组件阵列布置方式应该在设计阶段重点关注，综合考虑多种因素，科学施策，采用最优组合，能实现在成本可控的情况下有效提升光伏电站的发电效能，进而提升光伏电站的综合效益。
        关键词：光伏电站；电池组件；逆变器；组件阵列
        一、引言
        随着人类社会的发展，煤炭、石油、天然气等不可再生能源的储量愈来愈少，发展清洁、低碳、环保、可持续的新能源势在必行。光伏发电作为一种清洁的可再生能源，近年来发展迅速。国家能源局统计的数据表明，2019年全国新增光伏装机3011万KW，截至2019年底，全国光伏电站装机规模达到2.04亿KW，继续保持全球第一。光伏电站的综合效益受地理位置、气候特点、设备选型、运行方式、电压等级、电网因素、建设和运维等诸多因素影响，而设计阶段的技术路线遴选是影响电站发电效能的重要因素，对电站的综合效益影响较大。本文从光伏组件选型、逆变器选型、组件阵列布置三个方面，阐述了不同技术路线的优缺点，可为电站优化设计提供参考。
        二、光伏组件选型的影响
        光伏组件，是光伏电站最小的发电模块。利用光生伏特效应原理，通过光伏组件可将太阳辐射能量一定比例地直接转换成电能。根据制作电池片的材料来划分，可分为晶硅电池和非晶硅电池。商业应用的主要有多晶硅电池、单晶硅电池、薄膜电池，其中薄膜电池又可分为硅基薄膜电池和非晶硅薄膜电池。目前大型光伏电站主要以多晶硅和单晶硅组件为主。[1]
        （一）常见的三种组件类型
        1、单晶硅电池组件
        单晶硅电池组件是将单晶硅棒进行切割、打磨制成单晶硅片，在单晶硅片上印刷电极，封装制成的。目前，量产的单晶硅组件转换效率可达18%以上，通过改进工艺和应用新材料，单晶硅组件IBC的最高效率已超过25%。受单晶硅棒形状的限制，单晶硅片切割后呈圆形，再剪成四角带圆弧的近似方形，不能有效铺满光伏组件，并且对单晶硅棒纯度要求较高（99.999%），因而制作成本比多晶硅组件高，在一定程度上影响了其市场占有率。
        2、多晶硅电池组件
        多晶硅电池组件生产工艺与单晶硅组件基本相同，其使用多晶硅铸锭取代了单晶硅棒。多晶硅铸锭经过切割、打磨等工艺制成多晶硅片，进一步印刷电极、封装，制成电池。由于材质和晶界的影响，其转换效率略低于单晶硅组件。目前，量产的多晶硅组件转换效率可达17%以上。从制作工艺上来讲，可直接生产出大尺寸的方形硅锭，其生产过程设备简单，节省材料，节约能源，对材质要求低于单晶硅，有一定的成本优势，因此深受市场青睐。
        3、薄膜太阳能电池
        薄膜太阳电池又分为硅基薄膜电池和非晶硅薄膜电池，市场上常见的是硅基薄膜电池。硅基薄膜电池与单晶硅和多晶硅组件的制作方法不同，工艺过程简化，硅材料消耗少，电耗低。其主要优点是在弱光条件发电性能略好与晶硅组件，且受高温影响小，但光电转换效率偏低（国际先进水平为10%左右）。硅基薄膜电池所使用的硅材料少，效率衰减较慢，衬底材料廉价，制备成本较低。因此多晶硅薄膜电池将成为薄膜电池的主流路线。
        （二）三种组件类型的比较

        表 1 各种类型太阳能电池组件的对比
        总之，作为光伏电站的核心部件，光伏组件的转换效率，衰减速率等指标直接影响光伏电站的发电效能。因此，选型时要解决的关键问题，就是在提高转换效率和降低成本方面找到一个最佳平衡。
        如表1所示，单晶硅组件光电转换效率最高，但价格略高于多晶硅组件，硅基薄膜组件转换效率约为单晶硅组件的一半，但成本较低，可应用范围更广泛。对于地面光伏电站来说，随着技术进步，晶硅组件单体容量在不断增大，因而可以减少桩基、支架、线缆、土地的使用，从而降低单瓦造价。同时，随着组件数量减少相应的连接点减少，线缆减少，线损也相应减少，维护工作量和维护成本也可相对减少。
        三、逆变器选型的影响
        逆变器是将直流电转换成交流电的设备，在光伏发电系统中至关重要。逆变器选型对光伏电站的发电效能的影响也不容小觑。当前，地面光伏电站逆变器主要有以下三种类型。
        （一）常见的几种逆变器类型
        1、集中式逆变器
        集中式逆变器单台功率可达500KW以上，目前有2.5MW成熟产品，主要用在容量较大的光伏发电系统中。集中式逆变器的发电系统如图1所示，组件产生的电能通过一级汇流到直流汇流箱，再二级汇流到直流配电柜，再通过直流电缆或铜排连接到逆变器，逆变成低压交流电，再经过升压变压器转换成高压交流电。

        图1 集中式逆变器光伏发电系统基本原理图
        采用集中式逆变器的光伏电站有以下优点：逆变器数量少，便于管理；谐波含量和直流分量小，电能质量高；逆变器集成度高，单位建设成本低；有功率因数调节和低电压穿越功能，电网调节性能好。其缺点：MPPT电压范围窄，组件配置不灵活，阴雨天和雾天发电时间短；逆变器自身耗电和箱体通风散热耗电多；发生故障时影响容量多；抗热斑和抗阴影能力差，系统功率失配现象严重；高电压直流电缆安全风险大。
        2、组串式逆变器
        组串式逆变器在中小型和大型光伏发电系统中均可采用，其单台逆变器的功率可从几千瓦到上百千瓦。组串式逆变器的发电系统如图2所示，通过直流电缆将光伏组串连接到逆变器，将直流电转换成交流电，再通过交流电缆汇流到交流汇流箱，再经过二级汇流连接到箱变升压为高压交流电。采用组串式逆变器的光伏发电系统结构相对较复杂，电气设备数量多。

        图2 组串式逆变器光伏发电系统基本原理图
        采用组串式逆变器的大型光伏电站有以下优点：减少了组件最佳工作点和逆变器不匹配的情况，可提高发电量；不因个别组件遮挡、脏污或热斑而影响整个系统的发电效率；可以采用不同朝向布置组件，适合复杂地形；逆变器自耗电少；故障影响容量小；更换维修方便，修复周期短；体积小、重量轻、易搬运和安装。其缺点：功率器件电气间隙小，不适合高海拔；直流分量大，对电网影响大；多台并联总谐波高；多台并联时零电压穿越、无功和有功调节功能较难实现。
        3、集散式逆变器
        集散式逆变器实质上是采用了分散MPPT寻优，集中并网发电的一种方案，由集中式逆变器和带有DC/DC升压及MPPT优化功能的智能汇流箱相结合而成。在汇流箱内部增设多路独立MPPT控制单元，可实现对组串的分散控制，有效降低组件差异、阴影、灰尘、劣化等因素导致的效率损失，通DC/DC升压功能，可降低线损和减少电缆成本。集散式逆变器的发电系统如图3所示，集成在智能直流汇流箱内的多路MPPT控制器分别对应不同的组串。[2]

        图3 集散式逆变器光伏发电系统基本原理图
        集散式逆变器集中了以上两者的优点。和集中式相比，多路MPPT跟踪减少了失配几率，提升了发电量；和组串式相比，智能汇流箱具有升压功能，可降低线损。
        （二）三种类型逆变器的比较
        从表2对三种逆变器的比较结果可以看出，在选择逆变器时需要重点考虑的因素有地形地貌特征、气候特征、建设成本、可靠性和运维成本等。

        表2 三种类型逆变器的情况对比
        四、组件阵列布置方式的影响
        在设计光伏电站时，组件阵列运行方式主要有跟踪式和固定式两种。不同的布置方式直接影响到组件接受的太阳辐射量，对全年的发电量影响明显。固定式常见的为固定倾角安装，还可设计为倾角可调固定式。跟踪式主要分为平单轴跟踪、斜单轴跟踪、双轴跟踪。
        （一）组件阵列的布置方式
        1、固定倾角布置方式
        固定倾角布置是将电池组件按照一定的对地固定倾角和固定方向进行安装。在设计之初应结合当地的地理环境、气候特性，提前计算最佳倾角，该布置方式目前使用最为广泛。为了提高发电量，固定式还可改良为倾角可调固定式，计算出每个季节的最佳倾角，人为定期调整，以期获得更多的辐射量。固定式结构简单，技术成熟，安装方便，土建工程量小，成本低，单位容量占地面积少，维护量小，地面适应性强，可适用于地形复杂的丘陵、山地和沙漠等恶劣气候环境。因太阳直射角度随着早中晚和季节而变化，其全年累计发电利用小时数比跟踪式低。
        2、平单轴跟踪方式
        平单轴跟踪方式是将电池组件的固定转轴和地面平行的方式进行安装，组件可借助转轴在东西方向一定角度范围内转动，来跟踪太阳的方位角，以期获得较高的辐射量。平单轴跟踪系统由跟踪装置来控制，可通过控制连杆和驱动臂实现单排、双排、多排一起联动。平单轴跟踪系统的电池板法线和太阳入射线始终会存在一个夹角，高纬度地区该夹角较大，并且和季节有关，一天之内也在变化，因此并不能最大限度接受太阳辐射。另外，和固定式相比这种跟踪方式成本高，抗风性能差，占地多，仅适合于平坦的地形。
        3、斜单轴跟踪方式
        斜单轴是将电池组件的固定转轴和地面成一定固定角度的方式进行安装。组件可随转轴在东西方向一定角度范围内转动，跟踪太阳方位角，同时因转动轴存在一定的倾角，可有效减小光伏板法线和太阳入射线的夹角，更大程度上接受太阳的辐射。斜单轴安装在高纬度地区对提升电量更加明显。与固定式相比，斜单轴同样存在成本高，抗风性能差，占地多，对地形要求高的问题。
        4、双轴跟踪方式
        双轴跟踪式是方位角和倾角都能运动跟踪的一种布置方式，借助高度轴和方位轴同时转动对太阳光线进行实时跟踪，光伏组件可以最大程度地获得太阳辐射量。这种跟踪方式适用于任何维度的地区。
        （二）几种跟踪方式的比较
        对光伏组件阵列布置方式的选择需要考虑的因素很多，主要有地形地貌特征、气候特征、所处维度、初期投资、运维成本等方面。
        表3为最佳倾角固定式、倾角可调固定式、平单轴、斜单轴、双轴跟踪等5种布置方式的比较。

        表3 几种常见光伏阵列布置方式的比较
        从表3可以看到，同等条件下跟踪式全年累计发电量高于固定式，但双轴跟踪系统机构较复杂，初始投资和运维成本偏高，业内更乐意采用单轴跟踪方式。在低纬度地区宜采用平单轴跟踪方式，在维度稍高的地区采用斜单轴跟踪方式对电量提升更加有利。虽然跟踪系统增加了建设和运维成本，但是从整个电站全寿命周期的综合效益来看，往往是采用跟踪系统的电站发电量提升带来的收益高于由此增加的成本。因此，在设计组件阵列布置方式的时候，要么是选择价格较低的固定式支架以缓解建设期的资金压力，要么是选择跟踪式支架，以求全寿命期更高的综合效益。
        五、结语
        随着技术的不断进步和建设成本的持续下降，光伏发电平价上网已是大势所趋。光伏电站只有有效提升发电效能，才能更好地应对收益率的降低的风险。因光伏电站的发电效能，受组件选型、逆变器选型和阵列布置方式影响较大，要想获得全寿命期最大的综合效益，以上三者的最佳结合是光伏电站设计的关键。在光伏组件选型时一般应该考虑单体容量大，技术成熟的类型，其综合效益较好。每种逆变器都具有独特的优缺点，选型时应结合电站的建设条件，充分考虑建设成本和运营期收益。组件阵列布置方式的选择，要综合考虑建设条件、建设成本、发电量和后期运维等多种因素，综合比较后确定最佳方案。
        参考文献：
        [1]GB/T 50797-2012，光伏发电站设计规范[S]．北京：中国计划出版社，2012.
        [2]程卫民，刘海波，赵鑫.高效光伏发电工程设计技术[M].武汉：长江出版社，2018.
        作者简介：
        刘星雨（1974），男，河南驻马店人，东北电力大学毕业，本科，学士，国家电投湖北分公司，研究方向：光伏电站开发、建设和生产运营。