如何从设计角度提升光伏电站的效率

如何从设计角度提升光伏电站的效率

李小永1张振洲2

（陕西光伏产业有限公司陕西西安710075）

摘要：随着光伏技术持续的突破，成本的逐渐降低，光伏发电作为一种清洁、可再生的电力资源逐渐被大众熟悉，如何进一步降低度电成本（LCOE），是光伏发展的终极目标，光伏系统效率地提升是降低度电成本的重要手段之一，本文将从设计角度阐述如何进一步提升光伏系统的效率，从而降低系统的度电成本。

关键词：光伏：系统效率：度电成本

光伏系统的效率主要取决主要设备的选型和系统的优化配置，所以在设计阶段我们要从项目的踏勘、产品的选型、系统的优化配置等多个方面综合考虑，本文将从如下几方面讲述在设计中如何有效地提高光伏系统的效率。

一、详实的项目踏勘

科学设计的前提是对项目现场要有详实的了解，项目踏勘时应严格按照GB50797-2012《光伏发电站设计规范》和JGJ203-2010《民用建筑太阳能光伏系统应用技术规范》中的要求进行项目前期资料的收集。

二、科学的主要设备选型

1、组件选型

光伏组件应根据类型、峰值功率、转换效率、温度系数、组件尺寸和重量、功率辐照度特性等技术条件进行选择。在辐照量高、直射分量较大的地区宜选用晶体硅光伏组件或聚光组件；辐照量较低、散射分量较大的地区宜选用薄膜光伏组件。晶体硅组件由于其成熟的技术和较高的效率，在行业内得到了广泛的应用，近年来PERC技术、黑硅技术、多主栅线技术、Bistar技术、N型衬底双面发电技术大大提升了光伏组件的效率，如在“领跑者”应用中单晶的效率达到18.9%（60片），多晶的效率达到18%（60片）。对于一定容量的电站，使用高效组件可降低BOS成本中的支撑结构、直流电缆、汇流箱及发电场安装成本。组件选型时还应考虑比如：单晶组件的弱光性较多晶组件有明显优势，在高温、高湿环境中由于单晶组件机理、安装方式容易诱导PID现象的发生。

2、逆变器选型

选择逆变器时应按最佳容配比按需配置时的额定输出功率、逆变器效率、输出电压的调整性能、满足多负荷连续启动的性能、多路MPPT可以降低组件失配的影响特性、更高的直流传输电压，可降低传输损耗，降低了系统成本的特点、以及电能质量、可靠性、环境适应性等因素进行选择。

目前行业内主流的逆变器有3种类型：集中式、组串式、集散式。

（1）集中式光伏逆变器

优点：采用集中放置，其安装相对简单，方便维护；采用单级式控制方式，控制相对简洁，相关技术比较成熟，单位系统造价低。

缺点：仅具备一路MPPT路数，针对光伏组件之间存在的匹配偏差，一路MPPT无法做到对每一光伏组串精确地跟踪控制，因此，该方案存在组件“失配”损失，降低了部分组件的发电能力，造成组件利用效率降低。

应用场所：大型平整地面光伏电站，各类型水面光伏电站；

（2）组串式光伏逆变器

优点：小容量多路MPPT较好地解决了大型光伏电站的光伏组串“失配”损失问题，单台设备故障影响范围较小，设备本体体积小，重量轻，安装无需吊装设备。

缺点：对于目前大型山地电站逆变器，组件的容配比经常会高于1:1.1，组串式方案并不经济，且存在交流并联导致的电网系统振荡风险。

应用场所：山地光伏电站，各类型水面光伏电站，屋顶分布式光伏电站

（3）集散式光伏逆变器

优点：具备集中式逆变系统的所有优点，同时其前端的MPPT优化单元也解决了集中式光伏逆变系统存在的光伏组件功率“失配”的问题，由于这种方案中采用了直流并联方案，也克服交流多机并联的技术难题；另外从光伏控制器输出电压抬升到820Vdc，相较组串式逆变器降低了交流线缆损耗，相较集中式逆变器降低了直流线缆损耗。

缺点：MPPT汇流箱结构相比直流汇流箱更加复杂，控制系统相对也更加复杂，设备故障率更高，运维工作量相比集中式再次增加，集散式产品其成熟度及应用时间低于前2种。

应用场所：大型平整地面光伏电站，山地光伏电站，各类型水面光伏电站；

对比三种类型逆变器在某地区的发电情况，如表（3-1）（数据来源于：企业公开资料）：

结论：集散式方阵发电量相比集中式同比上升4.6%，集散式方阵发电量相比组串式同比上升0.95%。

三、系统的优化配置

1、合理的阵列设计

（1）合理的间距设计

光伏方阵各排、列的布置间距，无论是固定式还是跟踪式均应保证全年9:00～15:00时间段内前、后、左、右互不遮挡。

①一般平整场地。固定式布置的方阵间距计算按照GB50797-2012《光伏发电站设计规范》中间距计算公式计算。

②正北坡场地。正北坡场地地势由南向北均匀缓慢降低，且东西向为同一等高线，常见于坐北朝南的民用建筑物或厂房的屋面，如图（3-1）

（2））倾角的设计

在不考虑其他因素时，倾角选择时应确保方阵面全年能接收到最大辐照量，但据研究表明，光伏方阵斜面接受辐射量最大化与电站整体投资效益最大化并不一致，其主要原因就是土地成本的增加、支架、电缆的用量的增加，当土地面积一定时，方阵倾角不同，阵列的间距、电站安装的容量也不同，方阵倾角变化，辐射量也变化，发电量也有差异，系统投资成本也不同，因此在方阵倾角选择时要考虑多个因素，寻找一个平衡点，可通过技术经济分析来确定经济最有倾角，从而提高光伏电站的整体效益。

（3）支架方案的选择

支架的选择主要有双轴、斜单轴、平单轴、固定倾角、固定可调五种方式，不同方式适用场所有差异，双轴、斜单轴系统宜安装在中、高纬度地区；平单轴宜安装在低纬度地区；固定倾角（可调）方式适用灵活。不同方式对发电量的提升和系统的成本增加也不同，如以下图形数据（数据来源企业公开资料）

如上表分析：每个单元节省了7个阵列，支架钢材用量变化不大，但基础投资会减少约8%;每个单元节省了14个支路，可节约1个汇流箱。

3、逆变系统的优化

3.1、逆变器容配比选择

逆变器容量配比指逆变器的额定功率与所带光伏组件容量的比例。光伏组件所发电能输送至逆变器时，中间已经过电缆、汇流箱等损耗，且逆变器、箱变等设备大部分时间是没有办法达到满负荷运转的，因此，光伏组件容量应略大于逆变器额定容量。根据经验，在太阳能资源较好的地区，逆变器容配比一般取1.2。

由于P损=I2R电缆，又R电缆=ρL/S，直流电缆的L变为原来的0.67、0.5倍，所以R电缆（1500Vdc）＜0.67R电缆（1000Vdc），因此，直流部分的1500V的P损在1000V的P损的0.67倍以内。

4、合理的接入选择

合理的接入电压等级和接线方式的选择，不仅能确保电站稳定运行，也能提高光伏电站的效率。当光伏电站安装容量小于或等于1MW时，与建筑结合的光伏系统能就地消纳，为了降低造价和运营费用，可采用0.4kV。当不能就地消纳时，也可采用10kV；当光伏电站安装容量大于1MW且小于30MW时，一般采用10kV~35kV，接线方式在满足安全经济运行的要求下，一般采用单母线接线。当光伏电站安装容量大于30MW时，母线电压一般采用35kV，如果一次建成投产，在一条并网进行、一个并网点的情况下，可采用单母线接线。反之，则采用单母线分段接线。

四、总结

光伏电站的效率提升，除了采用高效的设备外，电站的选择、系统的匹配、电站的优化设计、以及后期的施工，都会对系统效率有显著的影响，因此提高光伏效率的效率需从项目实施的每个环节把控。

参考文献：

[1]李文婷.荒漠并网光伏电站光伏阵列优化设计[J].青海科技，2010（1）：25-27.

[2]肖景良，徐政等.局部阴影条件下光伏阵列的优化设计[J].中国机电工程学报，2008,29（2）：119-124.

[3]崔容强，赵春江，吴达成。并网型太阳能光伏发电系统[M].化学工业出版社，2007.

[4]赵为．太阳能光伏并网发电系统的研究．【博士论文]．合肥：合肥工业大学，2003．

[5]周长友，杨智勇，杨胜铭,北坡场地光伏电站阵列间距设计.华电技术。2013.

作者简介：

李小永（1980—），男，汉族，陕西西安，现为陕西光伏产业有限公司电气工程师