馬慶虎，馬 超

(1.天津大學建筑工程學院，天津 300072；2.國家電投集團青海光伏產業(yè)創(chuàng)新中心有限公司，西寧 810000)

0 引言

近年來，在太陽電池光電轉換效率和光伏組件功率提高、光伏逆變器和升壓變等集成設備技術進步，以及光伏電站開發(fā)、建設、運維經驗積累等因素推動下，光伏電站的平準化度電成本(LCOE)持續(xù)下降。除此之外，國家層面也出臺了推動光伏電站平價上網的政策。比如：國家發(fā)展和改革委員會、國家能源局印發(fā)了《關于積極推進風電、光伏發(fā)電無補貼平價上網有關工作的通知》(發(fā)改能源[2019]19 號)[1]。光伏電站平價上網是主流趨勢，影響光伏電站平價上網的主要因素包括項目所在地的太陽能資源條件、綜合系統(tǒng)效率、初始投資、貸款利率、光伏組件衰減率、土地成本、運行維護成本、財稅政策、電力是否全額收購等[2-3]。本文以青海省共和縣某光伏電站為例，從光伏電站的設計優(yōu)化和主要設備選型2個方面來降低光伏電站的LCOE，通過對光伏組件選型、逆變器匹配性、光伏支架運行方式、容配比等方面進行分析，得出光伏電站單瓦成本或LCOE 較低時的方案。以期通過該方法來優(yōu)化光伏電站的設計方案，降低其LCOE，提高其發(fā)電量，促進光伏電站平價上網。

1 邊界條件

以青海省共和縣某裝機容量為100 MW 的光伏電站(36°01′01′N，100°30′50′E)為例，該光伏電站所在地的海拔高程為2880 m，通過Solargis 網站查詢到電站所在地的年太陽輻射量為6400 MJ/m2；光伏組件采用PERC 單晶硅光伏組件，標稱功率分別為440、490、540、600 Wp，對應的太陽電池尺寸分別為156、166、182、210 mm；逆變器分別采用500 kW 集中式和196 kW 組串式2 種類型；光伏支架運行方式分別采用固定式光伏支架和平單軸跟蹤式光伏支架，材質均選擇鋼支架；容配比分別采用1.0:1、1.1:1、1.2:1、1.3:1、1.4:1。光伏組件、逆變器、固定式光伏支架、平單軸跟蹤式光伏支架、電纜等主要設備的價格按目前市場主流價格進行測算。

2 光伏電站的設計優(yōu)化分析

2.1 光伏組件選型分析

早期，太陽電池用硅片的尺寸標準主要源自半導體硅片行業(yè)，經歷了3個階段：1981—2012年，以100、125 mm 為主；2013—2018年，以156、156.75 mm 為主；2018年后出現了158.75、160、161.7、166、182、210 mm 等尺寸。2019—2025年不同尺寸太陽電池的市場占比如圖1所示。

圖1 2019—2025年不同尺寸太陽電池的市場占比Fig.1 Market share of solar cells of different sizes from 2019 to 2025

從圖1可以看出：210 mm 大尺寸太陽電池的占比逐年增加。

本文采用不同太陽電池尺寸時光伏組件的電性能對比如表1所示。

表1 不同太陽電池尺寸時光伏組件的電性能對比Table 1 Electrical performance comparison of PV modules with different solar cell sizes

從表1可以看出：采用尺寸為156 mm 的太陽電池時，光伏組件的短路電流為10.68 A；分別采用尺寸為166 和182 mm 的太陽電池時，光伏組件的短路電流分別為11.62 和13.85 A；而采用尺寸為210 mm 的太陽電池時，光伏組件的短路電流為18.26 A。由此可知，隨著太陽電池尺寸的增大，光伏組件的短路電流呈明顯增大的趨勢。太陽電池尺寸為182 mm 及以下時，光伏組件的開路電壓基本持平，而太陽電池尺寸為210 mm 時光伏組件的開路電壓出現下降。

對于1 MW 的光伏方陣而言，采用不同光伏組件標稱功率時，該光伏方陣所需的光伏組件數量如表2所示。

表2 不同光伏組件標稱功率時1 MW 光伏方陣所需的光伏組件數量對比Table 2 Comparison of number of PV modules required for 1 MW PV array under different nominal power of PV modules

從表2可以看出：隨著單塊光伏組件標稱功率的提升，1 MW 光伏方陣所需的光伏組件總數量減少，促使光伏組件間連接點、電纜用量均減少，所需的接觸電阻也降低，系統(tǒng)整體損耗也隨之減小。由此可知，單塊光伏組件的標稱功率越大，其優(yōu)勢越明顯。當然，實際工程應用中，還需從施工安裝、運行維護、可靠性等方面分析大功率光伏組件的成本。

2.2 逆變器匹配性分析

以500 kW 集中式和196 kW 組串式2 種類型逆變器為例進行分析。

500 kW 集中式逆變器適用于采用各種尺寸太陽電池的光伏組件。對于太陽電池尺寸為210 mm 的雙面光伏組件，其額定工作電流約為17.25 A；但考慮到10%的背面發(fā)電增益后，光伏組件的最大功率點工作電流能達到18.98 A，與500 kW 集中式逆變器配套的直流匯流箱的每一路熔斷器的額定工作電流需由15 A增大到30 A。

196 kW 組串式逆變器適用于采用各種尺寸太陽電池的光伏組件，但需根據光伏組件不同串聯數量、光伏組串不同接入數量分別考慮。例如：196 kW 組串式逆變器的最大輸入電壓為1500 V，最大功率點跟蹤(MPPT)數量為3 路，MPPT 電壓范圍為500～1500 V，每路MPPT 最大輸入電流分別為100/100/100 A，每路MPPT 可接入光伏組串數量為4/5/5 串；該逆變器的額定功率為196 kW，最大輸出功率為216 kW。以196 kW組串式逆變器為例，對其進行匹配性分析，具體如表3所示。

表3 不同標稱功率光伏組件的196 kW 組串式逆變器匹配性分析Table 3 Matching analysis of 196 kW string inverters with PV modules of different nominal power

從表3可以看出：隨著光伏組件標稱功率的增大，接入逆變器的光伏組串數量逐漸減小，可根據光伏組串的串并聯數量選擇合理截面的交直流電纜，以降低損耗，提高光伏組件和逆變器的匹配性，減少逆變器限發(fā)的光伏組件發(fā)電量。

2.3 光伏支架運行方式分析

按照目前中國光伏電站的建設運行經驗，固定式光伏支架基本免維護且初始投資較低，跟蹤式光伏支架需要后期維護且初始投資較固定式光伏支架高，但跟蹤式光伏支架單瓦成本下的發(fā)電量比固定式光伏支架的高。下文對固定式光伏支架和平單軸跟蹤式光伏支架的單瓦成本進行對比分析。

2.3.1 固定式光伏支架的單瓦成本

固定式光伏支架主要應用于平地、山地、水面、屋頂等場景。對于平地或水面場景而言，固定式光伏支架排布不受地形影響，一般選用4排橫向布置方案；而對于山地場景而言，由于受到地形條件限制，光伏支架單元不宜過大，一般選用2 排豎向布置。固定式光伏支架的重量主要與光伏組件的外形尺寸和重量相關，不同應用場景下光伏支架形式會有所區(qū)別，但對于同一種光伏支架形式，支架的工程量變化趨勢一致。以常用的光伏組件4 排橫向布置的固定式光伏支架為例，對不同光伏組件標稱功率時固定式光伏支架的單瓦成本進行對比，對比結果如表4所示。

表4 不同光伏組件標稱功率時固定式光伏支架的單瓦成本Table 4 One watt cost of fixed PV support at different nominal power of PV modules

從表4可以看出：隨著單塊光伏組件標稱功率的增加，固定式光伏支架的單瓦成本逐步降低，這說明單塊光伏組件的標稱功率越高，優(yōu)勢也越明顯。

2.3.2 平單軸跟蹤式光伏支架的單瓦成本

以目前市場上主流的平單軸跟蹤式光伏支架1 排橫向布置的排布方式為例，對不同光伏組件標稱功率時此類光伏支架的單瓦成本進行對比分析，分析結果如表5所示。

表5 不同光伏組件標稱功率時平單軸跟蹤式光伏支架的單瓦成本Table 5 One watt cost of flat single axis tracking PV support with different nominal power of PV modules

平單軸跟蹤式光伏支架的主軸長度決定了單套光伏支架的光伏組件容量，對于1 排橫向布置的排布方式，當單軸長度達到85 m 以上時，支架的自由端過長，扭轉角過大，不利于支架的穩(wěn)定運行。因此，在保證支架可靠運行情況下，選擇單瓦成本較低的布置方案可節(jié)省光伏電站初始投資。

2.4 容配比分析

國內常用的平準化度電成本CL,E的計算式如式(1)所示。此計算方法在光伏電站的財務分析中廣泛使用[4-5]。

式中：I0為項目的初始投資；VR為固定資產殘值；An為第n年的運營成本；Pn為第n年的貸款利息；Yn為第n年的發(fā)電量。

在邊界條件統(tǒng)一的情況下，不考慮資產殘值和逐年的貸款利息時，對LCOE 進行簡化，得到簡化后的LCOE 計算公式，即：

式中：i為年份；為多年的平均發(fā)電量；為多年的平均運營成本。

以3.15 MW 光伏方陣為例，對容配比進行分析時的邊界條件為：采用540 WpPERC 雙面單晶硅光伏組件、500 kW 集中式逆變器、固定式光伏支架。對不同容配比下光伏方陣的LCOE進行測算，測算結果如表6所示。

表6 不同容配比下光伏方陣的LCOE 測算結果Table 6 LCOE calculation results of PV array under different PV power to inverter power ratios

從表6可以看出：隨著容配比增加，LCOE先呈下降趨勢，但下降到某最低點后又開始呈增加趨勢，說明LCOE 的降低并不是與容配比增加成反比關系，而是在邊界條件一定的情況下會出現一個較優(yōu)容配比。在光伏電站設計方案比選時，建議采用此方法得出項目的較優(yōu)容配比。

3 結論

本文以青海省共和縣某光伏電站為例，從光伏電站的設計優(yōu)化和主要設備選型2個方面來降低光伏電站的LCOE，通過對光伏組件選型、逆變器匹配性、光伏支架運行方式、容配比等方面進行分析，得出光伏電站單瓦成本或LCOE 較低時的方案。研究結果顯示：

1)光伏組件選型方面：太陽電池尺寸為182 mm 及以下時，光伏組件的開路電壓基本持平，而太陽電池尺寸為210 mm 時光伏組件的開路電壓下降、短路電流明顯增大；并且隨著單塊光伏組件標稱功率的提升，1 MW 光伏方陣的光伏組件間連接點、電纜用量均減少，所需的接觸電阻也降低，系統(tǒng)整體損耗也隨之減小，優(yōu)勢也越來越明顯。

2)逆變器匹配性方面：500 kW 集中式逆變器對于采用不同尺寸太陽電池的光伏組件均能適用，但對于太陽電池尺寸為210 mm 的大電流光伏組件，與500 kW 集中式逆變器配套的直流匯流箱的每一路熔斷器的額定電流需由15 A 增大到30 A；組串式逆變器對于采用不同尺寸太陽電池的光伏組件均能適用，隨著光伏組件標稱功率的增大，接入逆變器的光伏組串數量，可根據光伏組串的串并聯數量選擇合理截面的交直流電纜，以降低損耗，提高光伏組件和逆變器的匹配性，減少逆變器限發(fā)的光伏組件發(fā)電量。

3)光伏支架運行方式方面：對于固定式光伏支架，隨著單塊光伏組件標稱功率的增加，其單瓦成本逐步降低，單塊大功率光伏組件的優(yōu)勢也越來越明顯；對于平單軸跟蹤式光伏支架，主軸長度越長越不利于支架的穩(wěn)定運行，在保證支架可靠運行的情況下，選擇單瓦成本較低的布置方案可節(jié)省光伏電站初始投資。

4)容配比方面：隨著容配比增加，LCOE 先呈下降趨勢，但下降到某最低點后又開始呈增加趨勢，這說明LCOE 的降低并不是與容配比增加成反比關系，而是在邊界條件一定的情況下會出現一個較優(yōu)容配比。