王憶麟

(特變電工新疆新能源股份有限公司，西安 710119)

0 引言

隨著技術(shù)不斷進(jìn)步和成本不斷降低，我國光伏行業(yè)已經(jīng)在全球光伏行業(yè)中占據(jù)了舉足輕重的地位。另外，由于我國光伏政策逐步開始向“去補(bǔ)貼”和光伏發(fā)電平價(jià)上網(wǎng)過渡，當(dāng)前光伏行業(yè)正在加速進(jìn)入平價(jià)上網(wǎng)時(shí)代，發(fā)展平價(jià)光伏發(fā)電項(xiàng)目的需求越來越強(qiáng)烈。在光伏組件成本大幅下降及發(fā)電效率不斷提升的同時(shí)，國家電網(wǎng)也做出了可再生能源發(fā)電“雙降”的承諾。與光伏行業(yè)相關(guān)的各個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈為了提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率和降低成本，都在不斷的加大研發(fā)創(chuàng)新的力度，為實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電平價(jià)上網(wǎng)時(shí)代的需要，光伏電站的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)也需要向精細(xì)化發(fā)展。

隨著針對平價(jià)上網(wǎng)時(shí)代降低光伏電站度電成本的研究越來越多，主流的系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)也開始逐漸向跟蹤系統(tǒng)的運(yùn)行方式轉(zhuǎn)變。由于跟蹤光伏支架的成本在系統(tǒng)成本中的占比比固定光伏支架的占比大，因此，降低跟蹤光伏支架的成本成為降低光伏電站度電成本的研究熱點(diǎn)。而對于如何降低跟蹤光伏支架的成本，一方面可以研究探索降低跟蹤光伏支架自身成本的技術(shù)，另一方面也可以從光伏電站中光伏組件串聯(lián)數(shù)的設(shè)計(jì)入手，通過合理優(yōu)化串聯(lián)數(shù)的數(shù)量來減少跟蹤光伏支架的使用量，從而達(dá)到降低支架成本的目的。

目前，行業(yè)內(nèi)大部分設(shè)計(jì)院在對光伏電站的光伏方陣進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，采用的計(jì)算光伏組件串聯(lián)數(shù)的觀點(diǎn)較為陳舊，設(shè)計(jì)粗糙，在精細(xì)化設(shè)計(jì)方面略顯不足。但也有少數(shù)光伏行業(yè)內(nèi)的設(shè)計(jì)院已經(jīng)關(guān)注到了這個(gè)問題，開展了關(guān)于“光伏組件串聯(lián)數(shù)”方面的課題研究，其主要研究路線是利用光伏組件p-n結(jié)的結(jié)溫來修正光伏組件工作條件下的溫度。

隨著光伏發(fā)電技術(shù)的不斷提升，通過提升光伏組件轉(zhuǎn)換效率的方式來降低光伏電站平衡系統(tǒng)(Balance of system，BOS)成本的方式已得到行業(yè)內(nèi)廣泛認(rèn)知。單晶硅光伏組件憑借其較高的轉(zhuǎn)換效率已逐步趕超了多晶硅光伏組件，行業(yè)內(nèi)多個(gè)一線廠家都已開始重點(diǎn)研發(fā)高效單晶硅光伏組件。本文以寧夏回族自治區(qū)鹽池地區(qū)采用單晶硅光伏組件的某光伏電站為例，利用氣象數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，結(jié)合氣象學(xué)的理論進(jìn)行了新的思考，通過分析光伏電站在實(shí)際工作環(huán)境下光伏組件的工作溫度，提出了計(jì)算光伏組件串聯(lián)數(shù)的新觀點(diǎn)，從而可提升電站效率并降低度電成本。

1 計(jì)算案例的情況介紹

本文以寧夏回族自治區(qū)鹽池地區(qū)的某光伏電站為例，該電站為1500 V系統(tǒng)，光伏組件采用某一線廠家生產(chǎn)的型號為LR4-72HPH420M的單晶硅光伏組件。該單晶硅光伏組件在標(biāo)準(zhǔn)條件(STC)下的相關(guān)參數(shù)如表1所示。逆變器擬采用某廠家生產(chǎn)的型號為TC3125KFT的1500 V光伏逆變器，其主要參數(shù)如表2所示。

表1 STC條件下單晶硅光伏組件的相關(guān)參數(shù)Table 1 Parameters of monocrystalline silicon PV module under STC condition

表2 逆變器的相關(guān)參數(shù)Table 2 Parameters of inverter

項(xiàng)目所在地的鹽池地區(qū)屬于我國北方地區(qū)(鹽池氣象站為國際共享站，其氣象數(shù)據(jù)可在互聯(lián)網(wǎng)下載)，氣象極限高溫為40 ℃，氣象極限低溫為-26.11 ℃。

2 光伏組件串聯(lián)數(shù)的計(jì)算依據(jù)

目前，對光伏電站的光伏方陣進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，計(jì)算光伏組件串聯(lián)數(shù)通常依據(jù)GB 50797-2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》中第6.4.2條款，具體為：光伏方陣中，同一光伏組件串中各光伏組件的電性能參數(shù)宜保持一致，光伏組件串的串聯(lián)數(shù)應(yīng)按下列公式計(jì)算[1]：

式中，Kv為光伏組件的開路電壓溫度系數(shù)；K′v為光伏組件的工作電壓溫度系數(shù)；N為光伏組件的串聯(lián)數(shù)，N取整數(shù)；t為光伏組件工作條件下的極限低溫，℃；t′為光伏組件工作條件下的極限高溫，℃；Vdcmax為逆變器允許的最大直流輸入電壓，V；Vmpptmax為逆變器MPPT電壓最大值，V；Vmpptmin為逆變器MPPT電壓最小值，V；Voc為光伏組件的開路電壓，V；Vpm為光伏組件的工作電壓，V。

由于GB 50797-2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》屬于國家現(xiàn)行規(guī)范，不同于國家推薦規(guī)范，設(shè)計(jì)原則上一般是不能違反國家現(xiàn)行規(guī)范的，但是筆者認(rèn)為，行業(yè)人員對于該規(guī)范的理解存在差異。

3 光伏組件串聯(lián)數(shù)的常規(guī)計(jì)算方式

光伏電站在設(shè)計(jì)之前會對項(xiàng)目進(jìn)行前期的資料收集。根據(jù)GB 50797-2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，計(jì)算光伏方陣中光伏組件串聯(lián)數(shù)通常需要根據(jù)光伏組件參數(shù)、逆變器電氣參數(shù)，以及項(xiàng)目所在地的水文氣象資料來確定。

光伏組件串聯(lián)數(shù)的常規(guī)設(shè)計(jì)原則主要有以下幾點(diǎn)：

1)光伏組件串聯(lián)后的開路電壓應(yīng)小于直流系統(tǒng)電壓，并小于匯流箱、逆變器允許的最大直流輸入電壓；

2)光伏組件串聯(lián)后的最低工作電壓應(yīng)大于逆變器允許的最低直流輸入電壓，并小于逆變器MPPT電壓范圍的上限；

3)系統(tǒng)啟動時(shí)，光伏組件串聯(lián)后的最低工作電壓應(yīng)大于逆變器的最小啟動電壓，以確保系統(tǒng)啟動時(shí)所要求的太陽輻照度盡可能小，從而增加逆變器的全天工作時(shí)長。

根據(jù)常規(guī)對GB 50797-2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》的理解，在計(jì)算光伏組件串聯(lián)數(shù)時(shí)，t值通常會直接采用氣象極限溫度。由此，利用式(1)可計(jì)算得到本光伏電站中N≤26.81，即光伏組件串聯(lián)數(shù)不得多于26塊；根據(jù)式(2)可計(jì)算得到23.392≤N≤28.214，即光伏組件串聯(lián)數(shù)不得多于28塊，不得少于24塊；綜合式(1)、式(2)的計(jì)算結(jié)果，可以得出該光伏電站設(shè)計(jì)的光伏組件串聯(lián)數(shù)為26塊。

以上設(shè)計(jì)過程雖然簡單、方便，但是由于光伏發(fā)電平價(jià)上網(wǎng)時(shí)代的到來，光伏電站的設(shè)計(jì)需要更精細(xì)化。因此，本文在上述常規(guī)計(jì)算方式的基礎(chǔ)上提出了新的設(shè)計(jì)思路，修正光伏組件串聯(lián)數(shù)的設(shè)計(jì)。

4 光伏組件串聯(lián)數(shù)計(jì)算的新思路

4.1 關(guān)于“光伏組件工作條件下的極限高溫”的新解讀

筆者認(rèn)為，GB 50797-2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》中描述的“光伏組件工作條件下的極限高溫”不應(yīng)該籠統(tǒng)的理解為氣象極限高溫。通常，光伏電站工作時(shí)，光伏組件的工作溫度與環(huán)境溫度是不一致的，而影響光伏組件工作溫度的因素除了環(huán)境因素外，還包括太陽輻照度、風(fēng)速及太陽光入射角等因素；另外，光伏組件并不能100%將光能轉(zhuǎn)化為電能，還會將一部分光能轉(zhuǎn)化為p-n結(jié)的結(jié)溫，導(dǎo)致光伏組件在工作時(shí)發(fā)熱。所以筆者認(rèn)為，光伏組件在工作時(shí)，其內(nèi)部的溫度會比環(huán)境溫度更高。

文獻(xiàn)[2]針對熱帶地區(qū)的光伏電站，提供了一種預(yù)測光伏組件的表面、背板與環(huán)境溫度、太陽輻照度關(guān)系的公式，將該研究得到的公式[2]進(jìn)行合并，可表示為：

式中，th為時(shí)刻；Tc為光伏組件工作溫度，℃；Ta為環(huán)境溫度，℃；k為系數(shù)范圍，取值范圍為 0.016～0.020；G為太陽輻照度，W/m2。

通常，氣象極限高溫是出現(xiàn)在當(dāng)天太陽輻照度最強(qiáng)時(shí)，從式(3)中可以看出，當(dāng)太陽輻照度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)輻照值1000 W/m2時(shí)，光伏組件溫度要比環(huán)境溫度高出16～20 ℃；而考慮風(fēng)速時(shí)，空氣的流通會使光伏組件溫度明顯降低。因此規(guī)范中“光伏組件工作條件下的極限高溫”的取值，應(yīng)考慮當(dāng)天無風(fēng)時(shí)的極端情況。另外，光伏組串的電流不一致和陰影遮擋均會造成光伏組件的工作溫度升高。

綜上所述，筆者認(rèn)為當(dāng)在光伏組件與逆變器容配比為1.0:1.1的情況下，標(biāo)準(zhǔn)輻照值1000 W/m2可以修正到900 W/m2，所以，光伏組件工作條件下的極限高溫通常會比氣象極限高溫高14～18 ℃。

4.2 關(guān)于“光伏組件工作條件下的極限低溫”的新解讀

筆者認(rèn)為，GB 50797-2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》中描述的“光伏組件工作條件下的極限低溫”同樣不能籠統(tǒng)地理解為氣象極限低溫，因?yàn)闅庀髽O限低溫會出現(xiàn)在氣象極限低溫日的夜間，而夜間光伏組件處于不工作的狀態(tài)，所以光伏組件工作條件下的極限低溫應(yīng)該出現(xiàn)在氣象極限低溫日的次日清晨，即光伏組件工作條件下的極限低溫應(yīng)該采用次日逆變器啟動時(shí)刻的環(huán)境溫度。

國內(nèi)光伏電站采用的光伏組件大部分為晶體硅半導(dǎo)體材料，在有太陽光或有光照射的情況下，半導(dǎo)體p-n結(jié)會產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)。根據(jù)光伏電站的實(shí)際功率數(shù)據(jù)可知，每天清晨當(dāng)太陽輻照度達(dá)到一定程度時(shí)，串聯(lián)后的光伏組件的開路電壓逐步升高到逆變器的啟動電壓后，逆變器開始工作，啟動MPPT尋找最大功率點(diǎn)，光伏組件此刻轉(zhuǎn)為工作狀態(tài)，其開路電壓也變?yōu)楣ぷ麟妷骸Ｓ捎诓煌夥娬镜哪孀兤髟O(shè)置的啟動電壓不同，光伏電站的啟動時(shí)間也不同，通常為當(dāng)?shù)卣嫣枙r(shí)07:00～08:00。

筆者認(rèn)為，光伏組件工作條件下的極限低溫應(yīng)該取清晨時(shí)的氣象極限低溫，而不是夜間最低的溫度，因此在進(jìn)行光伏組件的串聯(lián)數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)找到氣象極限低溫日的次日溫度數(shù)據(jù)，取次日真太陽時(shí)07:00～08:00之間的環(huán)境溫度作為計(jì)算依據(jù)。該數(shù)據(jù)可以通過2種方法來實(shí)現(xiàn)：1)通過當(dāng)?shù)貧庀缶只驓庀髷?shù)據(jù)庫直接獲?。?)采用氣象學(xué)相關(guān)模型推導(dǎo)計(jì)算。

氣象學(xué)中描述日環(huán)境溫度變化的氣象模型是正弦-指數(shù)模型[4]，其分為日間正弦模型和夜間指數(shù)模型2部分。

1)日間正弦模型。日間正弦模型可表示為：

式中，T為日環(huán)境溫度，℃；Tmin為日最低環(huán)境溫度，℃；Tmax為日最高環(huán)境溫度，℃；S(th)為時(shí)間th的函數(shù)。

其中，S(th)的公式為：

式中，LSH為最大太陽高度出現(xiàn)的時(shí)刻；p為日最高環(huán)境溫度出現(xiàn)時(shí)刻與正午的差值，一般可取2 h；dl為日長，可根據(jù)項(xiàng)目地的緯度和日期函數(shù)計(jì)算得到。

2)夜間指數(shù)模型。夜間指數(shù)模型可表示為：

式中，Tmin為次日最低環(huán)境溫度，℃；Ts為日落時(shí)刻的環(huán)境溫度，℃；η為夜間長度，h；τ為夜間溫度變化常數(shù)，一般可取4 h；ta為當(dāng)前時(shí)間，取真太陽時(shí)20:00；ts為日落時(shí)刻，取18:00。

當(dāng)?shù)卣嫣枙r(shí)07:00～08:00的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)的計(jì)算步驟為：首先根據(jù)當(dāng)?shù)鼐暥群腿掌诤瘮?shù)計(jì)算出日長dl，由于其公式較長，具體可參照文獻(xiàn)[4]中的詳細(xì)過程，本文不再贅述；然后再通過式(4)推導(dǎo)出當(dāng)?shù)卣嫣枙r(shí)07:00～08:00的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)。

雖然正弦-指數(shù)模型計(jì)算得到的結(jié)果與實(shí)際情況存在一定偏差，但在進(jìn)行光伏組件串聯(lián)數(shù)計(jì)算時(shí)，該模型的偏差對計(jì)算結(jié)果的影響不大，因此可以在收集不到當(dāng)?shù)貧庀髽O限低溫日的逐小時(shí)環(huán)境溫度數(shù)據(jù)時(shí)，以該模型作為一種修正光伏組件工作溫度的備選方案。

綜上所述，本文的新解讀認(rèn)為光伏組件工作條件下的極限低溫為氣象極限低溫日的次日真太陽時(shí)07:00～08:00之間的環(huán)境溫度。根據(jù)式(3)可計(jì)算得到的光伏組件工作溫度較環(huán)境溫度高出5～6 ℃。

4.3 采用新思路計(jì)算光伏組件串聯(lián)數(shù)

鹽池氣象站的數(shù)據(jù)顯示：該地區(qū)的氣象極限高溫為40 ℃，氣象極限低溫為-26.11 ℃，所以根據(jù)本文提出的新解讀，光伏組件工作條件下的極限高溫的取值范圍為56～60 ℃。

根據(jù)鹽池氣象站提供的共享數(shù)據(jù)，查詢氣象極限低溫日當(dāng)天逐3 h的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，具體如表3所示[5]。

表3 氣象極限低溫日當(dāng)天逐3 h的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)Table 3 Environmental temperature data for three hours on meteorological limit low temperature day

根據(jù)本文提出的關(guān)于光伏組件工作條件下的極限低溫的新解讀，該參數(shù)的取值可根據(jù)2002年12月26日07:00～08:00的環(huán)境溫度進(jìn)行設(shè)計(jì)，加上組件工作時(shí)自身也會發(fā)熱，因此計(jì)算時(shí)光伏組件的工作溫度的取值為-9～-8 ℃。利用式(1)計(jì)算可得，N≤28.014，即光伏組件串聯(lián)數(shù)不得多于28塊；再利用式(2)計(jì)算可得，24.878≤N≤29.473，即光伏組件串聯(lián)數(shù)不得多于29塊，不得少于24塊。綜合式(1)、式(2)的計(jì)算結(jié)果可以得出，對鹽池地區(qū)光伏電站進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，光伏組件串聯(lián)數(shù)的取值為28塊。

5 新解讀對度電成本的貢獻(xiàn)

通常引用度電成本(LCOE)的概念來反映一個(gè)光伏發(fā)電項(xiàng)目的綜合成本和收益率情況。無論是國內(nèi)還是國外，對LCOE的定義都是指一個(gè)光伏發(fā)電項(xiàng)目在全生命周期內(nèi)的所有成本與全生命周期內(nèi)所有發(fā)電量的比值。

國內(nèi)通常采用的LCOE的計(jì)算公式為：

式中，i為折現(xiàn)率；n為運(yùn)行年限，年，一般取25；I0為初始投資，元；An為運(yùn)維成本，元；Tn為其他費(fèi)用，元；VR為殘值，元；Yn為年發(fā)電量，kWh。

從式(7)中可以看出，降低成本和增加發(fā)電量是降低LCOE的2條途徑。

根據(jù)本文提出的新思路計(jì)算得到的光伏組件串聯(lián)數(shù)比根據(jù)常規(guī)思路計(jì)算得到的光伏組件串聯(lián)數(shù)每串多2塊光伏組件。

以設(shè)計(jì)1 MWp光伏方陣為例，采用420 Wp光伏組件計(jì)算：常規(guī)計(jì)算方法每個(gè)光伏組串為26塊光伏組件串聯(lián)，則1 MWp光伏方陣共需2392塊光伏組件，即需要92串光伏組串；本文提出的新設(shè)計(jì)思路每個(gè)光伏組串采用28塊光伏組件串聯(lián)，則1 MWp光伏方陣共需要光伏組件2408塊，即需要86串光伏組串。由此可知，每MWp光伏方陣可減少6串光伏組串。由于每2個(gè)光伏組串可構(gòu)成1個(gè)光伏子陣列，則每MWp光伏方陣可節(jié)約3個(gè)子陣列的支架、基礎(chǔ)樁、配套電纜等，其約占工程用量的6.5%，而且每MWp光伏方陣的設(shè)計(jì)裝機(jī)容量也有所提升。

綜上所述，采用本文提出的新設(shè)計(jì)思路對光伏方陣的光伏組件串聯(lián)數(shù)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)后，不僅在降低系統(tǒng)成本方面有所收獲，而且還提升了光伏電站的設(shè)計(jì)裝機(jī)容量。由此可以看出，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)比常規(guī)設(shè)計(jì)更為合理。

6 結(jié)論

本文針對光伏電站中光伏組件串聯(lián)數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)的取值方法進(jìn)行了優(yōu)化，通過分析光伏電站在實(shí)際工作環(huán)境下的光伏組件工作溫度，提出了計(jì)算光伏組件串聯(lián)數(shù)的新觀點(diǎn)，從而達(dá)到了降低度電成本的目的，給未來全面平價(jià)上網(wǎng)時(shí)代光伏電站的設(shè)計(jì)提供了另一種思路。