大型并网光伏电站电池组件的选型讨论

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1 前言甘肃省具有丰富的太阳能资源，年资源理论储量 241 万亿 MJ，截至到 2014 年 5 月底，甘肃省光伏发电总装机容量为 444.84 万 kW，位居全国第一。甘肃光照新能源电力有限公司嘉峪关 49.5 MW 并网光伏发电项目位于嘉峪关嘉西光伏产业园，距嘉峪关市约 15 km。工程区内地势平坦、开阔，地貌为隔壁平原。由太阳能资源评估方法中的相关规定，工程场区水平面年太阳总辐射量在 5 040～6 300 MJ/m 2 之间，为资源很丰富区，适宜建设大规模并网光伏电站。 2 光伏组件选型原则及性能规格分析 2.1 组件选型原则在产品技术成熟度高、性能可靠的前提下，结合工程区的气象条件、地质条件、施工及交通运输等客观因素，综合考虑对比后确定组件型式。再根据工程区的太阳能资源状况，最终选择出性价比最佳的光伏组件。 2.2 组件性能分析太阳能电池根据所用材料的不同可分为多种类型，根据国内外市场现状和技术发展影响，目前大规模商用电池组件类型主要是晶硅类电池和薄膜类电池。其中晶硅类太阳能电池是目前发展最成熟并且作为商用电站应用最为广泛的电池，在应用中居主导地位。薄膜电池因其产品特性，近年来虽然极少应用于大型地面光伏电站，但在分布式及离网发电系统中应用较多。几种常用的太阳能电池技术性能比较见表 1。从比较结果可以看出（1）晶体硅光伏组件技术成熟，且产品性能稳定，使用寿命长。（2）商业化使用的光伏组件中，单晶硅组件转换效率略高于多晶硅。（3）晶体硅电池组件故障率低，运行维护简单。（4）在开阔场地上使用晶体硅光伏组件安装方便，结构简单紧凑。（5）尽管非晶硅薄膜电池在价格、弱光响应，高温性能等方面具有一定的优势，但是使用寿命期相对较短。本电站地处荒漠戈壁，风沙大，薄膜电池在运行维护过程中难以清洗且易损坏，故不推荐采用薄膜电池作为本电站的光伏组件。因此综合考虑上述因素，本工程拟选用晶体硅太阳能电池。 2.3 太阳电池组件规格的比较晶硅光伏组件的功率规格较多，从 150 W 到 315 W 国内均有生产厂商生产，且产品应用也较为广泛。由于本工程装机容量为 49.5 MW，组件用量较大，占地面积广，组件安装量大，所以应优先选用单位面积功率大的电池组件，以减少占地面积、节省线缆、降低组件安装量。在此项目组件选型初期，分别选择峰值功率分别为 175 W、255 W、310 W 的多晶硅太阳电池组件，分析不同峰值功率的太阳电池组件的用量（表 2）。从表 2 可以看出，组件峰值功率为 255 W 和 310 W 电池组成 49.5 MW 光伏列阵使用的组件数量远远少于 175 W 组件。而组件用量越少，组件之 ·设计与研究 · 大型并网光伏电站电池组件的选型讨论收稿日期 2015-09-09 作者简介宋浩平（ 1984-），男，甘肃兰州人，助理工程师，学士，主要从事新能源电气设计， E-mail 82860652qq.com。宋浩平（甘肃省水利水电勘测设计研究院甘肃兰州 730000）摘要合理选择光伏组件是建设光伏电站的重点环节，也是当前设计及建设单位经济技术方案分析的重点。以甘肃光照新能源电力有限公司嘉峪关 49.5 MW 并网光伏发电项目为例，通过对不同类型的太阳电池性能以及成本进行分析，总结单晶硅、多晶硅、非晶硅薄膜三种太阳电池组件的性能及经济性特点，为甘肃西部戈壁荒漠地区大型并网光伏电站组件的选型提供参考。关键词光伏电站；太阳电池组件；晶硅组件；非晶硅薄膜组件中图分类号 TM914.4 文献标志码 B 文章编号 2095-0144（ 2015） 10-0053-03 第 51 卷第 10 期 2015 年 10 月甘肃水利水电技术 GANSU WATER RESOURCES AND HYDROPOWER TECHNOLOGY Vol．51，No．10 Oct.，2015 53· · 间的连接点数量和电缆线使用量更少，可减少施工工作量，加快施工进度。组件使用越少，系统的故障率越低，安全性相应的提高。并且接触电阻更小，系统整体损耗更低，更有利于系统安全稳定运行。 2.4 采用不同规格太阳电池组件电站占地面积的比较通过比较表可以看出，单片组件功率越大，转换效率越高，相应的 1 MW 子方阵所需要的组件数量、组件支架也越少，占地面积也越小（表 3）。 2.5 电站光伏组件选型的经济性分析综合太阳电池组件转换效率、技术水平、生产工艺成熟度、市场占有率等因素，对于大型并网光伏电站，在目前条件下应该优先选用大功率晶硅太阳电池组件，将有助于提高工程经济效益，利于工程安全、可靠、稳定运行。就晶硅组件而言，虽然单晶硅组件光电转换效率略高于多晶硅组件，但考虑到电站的投资盈利，必须对两种组件的经济性经行进一步筛选和比较（表 4）。表 1 太阳能电池技术性能比较序号比较项目单晶硅多晶硅非晶硅比较结果 1 技术成熟性经过 50 多年的发展，技术已经成熟 70 年代末研制成功，技术成熟且应用光伏于 70 年代末研制成功，技术日趋成熟多晶硅、单晶硅组件性能都非常成熟 7 安装方式在开阔地以固定支架安装或就势安装于建筑物屋顶，结构简单紧凑，节约用地在开阔地以固定支架安装或就势安装于建筑物屋顶，结构简单紧凑，节约用地因质量较轻，目前主要以附着于屋顶或玻璃幕墙的方式安装薄膜组件适合离网及分布式系统，晶硅组件适合大型地面电站 8 自主研发及生产情况研发及生产技术均处于世界先进水平研发及生产技术均处于世界先进水平研发及生产技术均处于世界先进水平，厂家较少产量较晶硅组件低均有自主知识产权并处于世界领先水平 2 光电转换效率商用电池可达 17.1 ～17.7 商用电池可达 15.5 ～16.2 商业用电池可达 7 ～9 单晶硅最高，多晶硅其次，非晶硅薄膜最低 6 组件寿命衰减慢，寿命长，理论上可使用 25 年衰减慢，寿命长，理论上可使用 25 年衰减较晶硅组件快，理论寿命为 10-15 年晶体硅组件理论寿命更长 5 组件运维故障率极低，免维护，只需定期冲洗故障率极低，免维护，只需定期冲洗组件表面容易积尘并且较难清理晶硅组件运维更加便利 4 外部环境如光照、温度等对组件的影响光照越强功率越大，高温环境下效率会降低光照越强功率越大，高温环境下效率会降低弱光性好，充电效率高，相比晶硅电池在高温环境下效率基本不变晶硅电池光照越强功率越大，更适合辐射资源丰富的戈壁荒漠地区 3 价格材料价格制造工艺使单晶硅成本价格较高因为制造工艺相对简单，总的生产成本低于单晶硅制造工艺较简单，原材料用量少，成本较低单晶硅价格高于多晶硅，多晶硅价格与薄膜电池价格相近表 2 49.5 MW 太阳能光伏电站不同规格电池组件用量比较方案参数方案 1 方案 2 方案 3 组件峰值功率 /W 175 255 310 1 MW 子方阵组件数量 /块 6 032 4 224 3 240 49.5 MW 方阵组件数量 /块 298 584 209 088 160 380 串联数量 /块 26 22 18 1 MW 子方阵并联数量 /路 232 192 182 太阳能电池种类多晶硅 60 片组件多晶硅 60 片组件多晶硅 72 片组件组件规格 /W 175 255 310 组件峰值功率 W 175 255 310 1 MW组件占地面积 /m 2 25 200 21 400 17 616 组件转换效率 14.8 15.6 16.2 1 MW电站组件安装数量 /块 6 032 4 224 3 240 表 3 不同规格太阳电池组件电站占地面积的比较太阳能电池种类单晶硅 72 片组件多晶硅 72 片组件组件规格 /W 310 310 1 MW基础量 /根 1 464 1 464 单位造价 /（万元 /MW） 81.4 75.7 组件峰值功率 W 310 310 1 MW支架量 /t 57.3 52.5 1 MW电站组件安装数量 /块 3 240 3 240 表 4 单晶硅和多晶硅太阳能电池经济比较甘肃水利水电技术2015 年第 10 期第 51 卷 54· · （上接第 41 页）农业生产综合能力，实现农民收入稳定持续增长的重大举措，通过实施灌区工程建设，将有利于改善大湖湾灌区水利基础设施条件，提高粮食产量，保障粮食安全；有利于调整农业产业结构，增加农民收入，为建设新农村建设和缩小地区差距夯实基础。参考文献［ 1］范再超，顾景莲，于秀征 .范县小型水利工程建设与管理的探讨［ J］ .河南水利与南水北调， 2014， 59（ 17） 25-26. ［ 2］王靖波 .农田水利灌区建设与管理问题探讨［ J］ .环球市场信息导报， 2015， 21（ 3） 32-33. ［ 3］窦莉 .玉门市灌区建设与管理探讨［ J］ .甘肃科技纵横， 2014， 44（ 5） 81-82. ［ 4］陈锋 . 东圳灌区工程建设管理存在问题及对策探讨［ J］ . 水利科技， 2011， 34（ 2） 58-60. ［ 5］吴兴荣 .新疆北屯大型灌区农田水利工程建设与管理问题初探［ J］ .中国水运月刊， 2012， 34（ 5） 91-92. 可以看出，1 MW 光伏方阵采用单晶硅光伏组件的造价高于多晶硅光伏组件的造价。 3 光伏组件的选型结果综合考虑组件效率、技术成熟性、市场占有率，占地面积，以及采购订货时的可选择余地，甘肃光照新能源电力有限公司嘉峪关 49.5 MW 并网光伏发电项目工程选用了多晶硅太阳能电池组件，规格为 310 W。其主要规格参数见表 5。 4 结语通过以上分析，可以对大型并网光伏电站组件选型得出以下结论（1）根据光伏组件选型应满足使用场合的要求，工程建设成本，市场占有率，并结合国家能源局最新下发的关于发挥市场作用促进光伏技术进步和产业升级的意见（征求意见稿）单晶硅组件和多晶硅组件的效率应分别不低于 16和 15.5才能提高经济性的规定，应首先选择功率大、转换效率高的晶硅组件。否则组件转换效率过低将降低组件之间的匹配性和稳定性，缩短系统使用寿命，影响发电量。（2）通过以上分析可知，单晶硅组件转换效率略高但价格也略高于多晶硅组件，基于电站发电量和投资总体经济性的考虑，在面积有限并且土地成本较高的情况下，为了实现更高的发电量，推荐选择大功率单晶硅光伏组件；在土地资源充裕土地成本较低的地区，比如本工程所在地嘉峪关地区，土地资源充裕且成本较低，则首先应该选择大功率多晶硅光伏组件。需要指出的是，最近部分主流单晶硅组件厂商进一步下调组件价格，使得两种晶硅形式组件的价格基本一致，预计今后一段时间转换效率更高的单晶硅组件将在市场上显示一定的优势。因此，在大型并网光伏电站的组件选型时应特别关注市场动态。（3）非晶硅薄膜电池具有稳定性差、光致衰减严重、转换效率低以及成本高的缺点，虽然在 20 世纪 70 年代非晶硅薄膜电池就已经研发成功，但一直没有大规模应用。随着技术的不断发展，近年来由于非晶硅薄膜电池组件相比较晶硅电池组件的优势也在逐渐显现，比如生产成本低、弱光响应好、充电效率高等优势，更适用于分布式及离网发电系统。随着分布式及离网发电系统的不断增多，它正重新走入人们的视野，市场占有量不断增大。根据非晶硅薄膜电池逐步显现的一些优点，不难看出非晶硅薄膜电池的发展前景广阔，发展潜力巨大。参考文献［ 1］车利军，蒙丽琴 .太阳能光伏电站电池组件设计选型［ J］ . 内蒙古科技与经济， 2012， 3（ 19） 115-116. ［ 2］朱琳 .浅谈大型并网光伏电站系统设计［ J］ .电子世界， 2012， 7（ 18） 58-59. ［ 3］张彦昌，石巍 .光伏电站直流汇流电缆选型［ J］ .电力建设， 2014， 5（ 2） 113-116. ［ 4］戴智慧，王琦，王恩荣 . 100 MW 并网光伏电站节能优化设计［ J］ .能源研究与利用， 2014， 12（ 4） 42-46. ［ 5］管仁德，李建泉，张蓉，等 .建筑光伏并网电站系统设计［ J］ .大功率变流技术， 2013， 3（ 6） 15-20. ［ 6］赵平，汤剑 .浅谈集中式光伏电站设计与设备选型［ J］ .中国交通信息化， 2015， 6（ 5） 137-140. 表 5 主要规格参数类型多晶硅额定输出 W 310 额定功率偏差 / 0/3 重量 /kg 22.5 组件效率 / 16 尺寸（长宽厚） /mm 1 95699240 峰值功率温度系数 /（ /K） -0.41 开路电压温度系数 /（ /K） -0.32 短路电流温度系数 /（ /K） 0.05 最大系统电压 DC1 000 V 短路电流 I sc /A 8.85 开路电压 V oc /V 45.5 工作电流 I mpp /A 8.38 工作电压 V mpp /V 37 宋浩平大型并网光伏电站电池组件的选型讨论第 10 期第 51 卷 55· ·