青海省電力設(shè)計(jì)院新能源部門(mén) ■ 楊麗 張瑋

青海省電力設(shè)計(jì)院土建部門(mén) ■ 張妍芳

0 引言

全球可再生能源比例到2050年預(yù)計(jì)將達(dá)到70%，甚至80%，大力發(fā)展可再生能源勢(shì)在必行。從現(xiàn)在到2020年，是我國(guó)全面建成小康社會(huì)的關(guān)鍵時(shí)期，是能源發(fā)展轉(zhuǎn)型的重要戰(zhàn)略機(jī)遇期。2009年7月16日，財(cái)政部、科技部、國(guó)家能源局聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于實(shí)施金太陽(yáng)示范工程的通知》和《金太陽(yáng)示范工程財(cái)政補(bǔ)助資金管理暫行辦法》，快速開(kāi)啟了國(guó)內(nèi)光伏企業(yè)產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；l(fā)展態(tài)勢(shì)；2013年7月15日，國(guó)務(wù)院頒布《關(guān)于促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的若干意見(jiàn)》；2013年11月26日，國(guó)家能源局發(fā)布有效期為3年的《光伏發(fā)電運(yùn)營(yíng)監(jiān)管暫行辦法》；2017年1月5日，國(guó)家能源局發(fā)布《可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》等一系列政策性文件，這些文件為我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)注入了強(qiáng)勁的生命力。光伏發(fā)電作為可再生能源利用的主力軍，屬于目前國(guó)家鼓勵(lì)力度最大的綠色電力開(kāi)發(fā)能源項(xiàng)目[1]。本文從工程實(shí)際角度出發(fā)，針對(duì)光伏發(fā)電的基礎(chǔ)性建設(shè)方案進(jìn)行研究，重點(diǎn)分析光伏組件串聯(lián)方案及接線方式，為光伏電站設(shè)計(jì)、施工及組件廠家生產(chǎn)工藝改進(jìn)等方面提供實(shí)質(zhì)性的參考依據(jù)。

1 晶體硅光伏組件串聯(lián)方案及接線方式研究

1.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)介

Elman神經(jīng)光伏發(fā)電系統(tǒng)分為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏組件、控制器、逆變器及蓄電池組成，可獨(dú)立運(yùn)行，也稱為離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是與電網(wǎng)相連并向電網(wǎng)輸送電力的光伏發(fā)電系統(tǒng)，可分為帶蓄電池的和不帶蓄電池的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。帶蓄電池的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具有可調(diào)度性，可根據(jù)需要并入或退出電網(wǎng)，還具有備用電源的功能，常安裝在居民建筑；不帶蓄電池的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)不具備可調(diào)度性和備用電源的功能，一般接入于較大型的區(qū)域電網(wǎng)系統(tǒng)上[2]。

西北地區(qū)大型地面并網(wǎng)光伏電站目前主要采用3種建設(shè)方案，即傳統(tǒng)的集中式、新型組串式和集散式。傳統(tǒng)的集中式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)一般以1 MW或2 MW為1個(gè)發(fā)電單元方陣，單元方陣內(nèi)由光伏組件發(fā)出的直流電經(jīng)過(guò)“12進(jìn)1出”或“16進(jìn)1出”直流匯流箱匯集后進(jìn)入單臺(tái)容量為500～2000 kW的大型逆變器，逆變?yōu)榻涣麟姾蠼尤胂涫缴龎鹤儔浩鞯蛪簜?cè)，經(jīng)箱變升壓至10 kV或35 kV后接入開(kāi)關(guān)站、升壓站或電網(wǎng)接入點(diǎn)。新型組串式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中，MW級(jí)單元方陣內(nèi)由光伏組件發(fā)出的直流電直接接入單臺(tái)容量一般為30 ～80 kW的小型組串式逆變器，逆變后接入“4進(jìn)1出”或“8進(jìn)1出”的交流匯流箱，匯流后接入箱式升壓變壓器的低壓側(cè)，后續(xù)并網(wǎng)步驟與集中式類似[3]。集散式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的單元方陣組成模塊與集中式相同，區(qū)別在于集散式的直流匯流箱帶MPPT功能模塊。典型的集中式與組串式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)組成模塊如圖1所示。

圖1 典型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)組成框圖

1.2 晶體硅光伏組件

光伏發(fā)電是依附于現(xiàn)代科技實(shí)現(xiàn)的一個(gè)由石英砂到電的轉(zhuǎn)換過(guò)程，石英砂經(jīng)過(guò)冶煉、提純、還原等化學(xué)反應(yīng)生成硅料，硅料經(jīng)過(guò)融化、定向凝固等一系列工序生長(zhǎng)成晶硅棒，繼續(xù)加工得到硅錠，再使用切片機(jī)切割得到硅片，硅片再經(jīng)過(guò)制絨、鍍膜、印制柵線等工序制成太陽(yáng)電池片[4]。一個(gè)電池片只能產(chǎn)生大約0.6 V的電壓，遠(yuǎn)低于實(shí)際使用所需電壓。一般根據(jù)電流分檔等標(biāo)準(zhǔn)篩選性能相近的60片或72片電池片，通過(guò)焊接銀鋁合漿或純銀柵線串聯(lián)起來(lái)；再通過(guò)在正面用EVA膠層壓鋼化玻璃，在背面用EVA膠層壓氟膜背板的工序；最后用鋁合金邊框封裝，并通過(guò)背板安裝接線盒引出光伏組件正負(fù)極等工序制成的晶體硅光伏組件。目前，大型地面并網(wǎng)光伏電站常用的光伏組件為60片或72片電池片串聯(lián)組成的組件。圖2為目前西北地區(qū)大型地面并網(wǎng)光伏電站常采用的60片晶體硅光伏組件。

圖2 西北大型地面并網(wǎng)光伏電站常用的60片晶體硅光伏組件

太陽(yáng)電池主要包括晶體硅、薄膜等。晶體硅分為單晶硅和多晶硅兩類；薄膜分為非晶硅、碲化鎘、銅銦鎵硒等；聚光分為高倍聚光與低倍聚光。晶體硅太陽(yáng)電池中，單晶硅太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率較高時(shí)能達(dá)到24%，是所有太陽(yáng)電池中光電轉(zhuǎn)換效率最高的，但制作成本高使其難以被大量使用。多晶硅太陽(yáng)電池的制作工藝與單晶硅太陽(yáng)電池類似，但制造工藝簡(jiǎn)便，總的生產(chǎn)成本較低，因此得到大量使用。多晶硅太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率較單晶硅的要低，其光電轉(zhuǎn)換效率較高的能達(dá)到約18%；而就使用壽命周期中的衰減率而言，多晶硅較單晶硅要高。非晶硅太陽(yáng)電池是1976年出現(xiàn)的新型薄膜太陽(yáng)電池，它與單晶硅和多晶硅太陽(yáng)電池的制作方法完全不同，工藝過(guò)程大幅簡(jiǎn)化，硅材料消耗很少，電耗更低，它的主要優(yōu)點(diǎn)是在弱光條件下也能發(fā)電[5]。但非晶硅太陽(yáng)電池存在的主要問(wèn)題是光電轉(zhuǎn)換效率偏低，國(guó)際先進(jìn)水平約為10%，且不夠穩(wěn)定，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，其轉(zhuǎn)換效率還會(huì)降低。

晶體硅光伏組件的發(fā)電原理是電池片在光照下吸收光能，電池的正面(負(fù)極)及背面(正極)出現(xiàn)異號(hào)電荷的積累，即產(chǎn)生光生電壓，這就是光生伏特效應(yīng)[6]。在光生伏特效應(yīng)的作用下，太陽(yáng)電池的兩級(jí)間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，將光能轉(zhuǎn)換成電能。光伏組件發(fā)的電通過(guò)匯流柵線將電流匯集，經(jīng)組件自帶的接線盒電纜引出正負(fù)極電纜。

1.3 光伏組件單列支架布置方案

本文主要基于西北高原地區(qū)大型地面并網(wǎng)光伏電站與高海拔偏遠(yuǎn)地區(qū)，如青海玉樹(shù)等地的獨(dú)立光伏電站等工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以目前大型地面光伏發(fā)電工程實(shí)際應(yīng)用最多的72片大型光伏組件和60片小型光伏組件為例，研究其分別在橫向與豎向布置，以及根據(jù)工程地質(zhì)在長(zhǎng)支架和短支架布置時(shí)串聯(lián)接線的最優(yōu)方案。對(duì)不同布置方案下的接線形式進(jìn)行詳細(xì)分析，并統(tǒng)計(jì)各串聯(lián)接線方式對(duì)應(yīng)的電纜用量，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、光伏組件生產(chǎn)工藝等的改進(jìn)與提高，從設(shè)計(jì)源頭減少電纜用量、降低電能損耗、減少現(xiàn)場(chǎng)制作電纜頭數(shù)量、提高工程質(zhì)量與施工進(jìn)度。圖3為目前光伏電站最常用的2種單列支架布置形式。

圖3 光伏電站常用的單列支架布置形式

單塊光伏組件的輸出電壓一般只有幾十伏，因此實(shí)際應(yīng)用中需要將一定數(shù)量的同類型的光伏組件串聯(lián)起來(lái)。根據(jù)GB 50797-2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》，光伏組件串聯(lián)數(shù)量由逆變器額定工作電壓范圍、額定功率容量、光伏組件開(kāi)路電壓及其溫度系數(shù)、工作電壓及其溫度系數(shù)，以及工程當(dāng)?shù)貙?shí)際氣溫幾個(gè)因素確定。西北地區(qū)大型地面光伏電站一般采用直流輸入電壓為1000 V的逆變器，最近逐漸向1500 V發(fā)展。在1000 V逆變器系統(tǒng)中，根據(jù)規(guī)范計(jì)算得出60片小型光伏組件一串的串聯(lián)數(shù)量一般約在22塊[7]，72片大型光伏組件一般約在20塊；布置方式一般有橫向4排與豎向2排。在實(shí)際安裝過(guò)程中，同一陣列中的組件應(yīng)盡可能保證具有相同的太陽(yáng)輻射條件(朝向、傾角等)，于是，根據(jù)地形復(fù)雜程度一般劃分為長(zhǎng)支架和短支架布置。因此，考慮到組件大小、橫縱排布及支架長(zhǎng)短，共有8種布置方案。

1.4 不同布置方案的串聯(lián)接線方式研究

目前國(guó)內(nèi)主流廠家生產(chǎn)的60片晶體硅光伏組件尺寸一般為1650 mm×991 mm×40 mm，不同廠家間相同類型的光伏組件尺寸相差范圍一般不超過(guò)2～3 mm。每塊光伏組件背面自帶一個(gè)接線盒，接線盒自帶一組分別裝有公頭與母頭的出線電纜，公、母頭分別由公芯、公頭、母芯、母頭組成，公芯對(duì)應(yīng)母頭，母芯對(duì)應(yīng)公頭。國(guó)內(nèi)主流晶體硅光伏組件生產(chǎn)廠家，如晶澳、英利等的60片光伏組件背面接線盒出線正、負(fù)極電纜長(zhǎng)度一般各為1 m。圖4為光伏電站常用的8種布置方案串聯(lián)接線方式，其中，圖4a為60片光伏組件橫向4排長(zhǎng)支架布置、圖4b為60片光伏組件橫向4排短支架布置、圖4c為60片光伏組件豎向2排長(zhǎng)支架布置、圖4d為60片光伏組件豎向2排短支架布置。這4種布置方案中，2塊串聯(lián)的光伏組件接線盒出線電纜長(zhǎng)度之和為2 m，2個(gè)接線盒距離為1塊光伏組件橫向尺寸長(zhǎng)度，一般為1.65 m，所以直接將2塊光伏組件自帶的電纜頭的公、母頭交叉對(duì)接即可完成2塊光伏組件之間的串聯(lián)；除1個(gè)完整組件串出線接入?yún)R流箱或逆變器時(shí)需要增加1組連接器與引出電纜外，1個(gè)組件串內(nèi)部的22塊組件之間的串聯(lián)接線不需要增加任何電纜及連接器。

圖4 光伏電站常用的8種布置方案串聯(lián)接線方式

目前國(guó)內(nèi)主流廠家生產(chǎn)的72片晶體硅光伏組件尺寸一般為1956 mm×991 mm×45 mm，不同廠家間相同類型的光伏組件尺寸相差范圍一般不超過(guò)2～3 mm。國(guó)內(nèi)主流晶體硅光伏組件生產(chǎn)廠家，如晶澳、英利等的72片光伏組件背面接線盒正、負(fù)極出線電纜長(zhǎng)度一般各為1.2 m。圖4e為72片光伏組件橫向4排長(zhǎng)支架布置、圖4f為72片光伏組件橫向4排短支架布置、圖4g為72片光伏組件豎向2排長(zhǎng)支架布置、圖4h為72片光伏組件豎向2排短支架布置。這4種布置方案中，2塊串聯(lián)的光伏組件接線盒出線電纜長(zhǎng)度之和為2.4 m，2個(gè)接線盒距離為1塊光伏組件橫向尺寸長(zhǎng)度，一般為1.956 m，所以直接將2塊光伏組件自帶的電纜頭的公、母頭交叉對(duì)接即可完成1個(gè)組件串的內(nèi)部串聯(lián)；除1個(gè)完整組件串出線接入?yún)R流箱或逆變器時(shí)需要增加一組連接器與引出電纜外，1個(gè)組件串內(nèi)部的20塊組件之間的串聯(lián)接線不需要增加任何電纜及連接器。

如圖4所示，在實(shí)際應(yīng)用中保持1個(gè)組件串出線方向均在匯流箱或逆變器所在側(cè)即可。光伏電站中組件串?dāng)?shù)量龐大，如果在每2塊串聯(lián)的組件中間都增設(shè)電纜及連接器，既增加建設(shè)成本，也增加電能損耗。連接器故障是目前光伏電站運(yùn)維中非常普遍和棘手的問(wèn)題。大量的連接器需要在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行壓制連接，西北地區(qū)氣候條件惡劣、風(fēng)沙大，現(xiàn)場(chǎng)安裝條件差，連接器在壓制過(guò)程中不能避免灰塵、雜質(zhì)、水汽侵入。大量連接器的現(xiàn)場(chǎng)制作不僅會(huì)影響施工進(jìn)度，現(xiàn)場(chǎng)壓制的質(zhì)量把控也關(guān)乎到光伏電站長(zhǎng)期的穩(wěn)定運(yùn)行。

目前常用的光伏組件電纜出線連接器有MC4光伏連接器，其中以MC公司最佳[8]。光伏電站中還存在施工不規(guī)范的問(wèn)題，施工單位不嚴(yán)格執(zhí)行相同品牌、相同型號(hào)的連接器才能互插的要求，隨意購(gòu)買(mǎi)不同品牌的連接器與光伏組件出廠自帶連接器互插的現(xiàn)象非常普遍。市場(chǎng)上一些不負(fù)責(zé)任的商家甚至提供所謂的“兼容”報(bào)告，混亂了行業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)TüV萊茵資料顯示，不同品牌的連接器互插存在以下風(fēng)險(xiǎn)：

1)不同品牌連接器互插導(dǎo)致溫升大于允許的溫度范圍。環(huán)境適應(yīng)測(cè)試中，同一品牌、型號(hào)的連接器可保持穩(wěn)定的性能，不同品牌互插的連接器性能變化則非常大。

2)不同品牌的連接器由于公差不同，互插很難保證IP等級(jí)。即使不同品牌的連接器安裝時(shí)可以匹配，但仍會(huì)有牽引力、扭力及材料間(絕緣殼、密封圈等)相互污染的問(wèn)題存在，這樣將無(wú)法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，并會(huì)在檢驗(yàn)中出現(xiàn)問(wèn)題。

常見(jiàn)的不同品牌連接器互插的不良后果有：電纜松動(dòng)；溫升顯著增大引發(fā)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)；連接器變形導(dǎo)致氣流和爬電距離改變，產(chǎn)生電擊危險(xiǎn)。

錯(cuò)誤的連接器互插操作，不僅會(huì)產(chǎn)生技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，還會(huì)引發(fā)法律糾紛。此外，由于相關(guān)法規(guī)仍不健全，不同品牌連接器互插導(dǎo)致產(chǎn)生問(wèn)題后，將由光伏電站安裝方承擔(dān)相應(yīng)責(zé)任。當(dāng)前，對(duì)于連接器互插(或兼容)的承認(rèn)，僅限于使用相同原材料的同一品牌廠家(及其代工工廠)生產(chǎn)的同一型號(hào)產(chǎn)品，即便有改變，也會(huì)通知各個(gè)代工工廠進(jìn)行同步調(diào)整。對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)上不同品牌互插的連接器進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果，僅能說(shuō)明本次測(cè)試樣品的情況，并不是證明互插連接器長(zhǎng)期有效的認(rèn)證。

對(duì)于上文提到的8種布置方案，可根據(jù)接線盒出線電纜的長(zhǎng)度，分別采用不同的接線方式，這樣可實(shí)現(xiàn)僅依靠光伏組件背板接線盒自帶電纜就可完成組串內(nèi)的串聯(lián)接線，避免了因?yàn)殡娎|長(zhǎng)度不夠需要在串聯(lián)的每2塊組件中增加電纜及1組電纜連接器的情況，可有效降低光伏電站運(yùn)維過(guò)程中的連接器事故率。

1.5 奇偶接線法

由圖4可知，60片小型光伏組件與72片大型光伏組件在豎向2排長(zhǎng)支架布置時(shí)，1個(gè)單列組件串內(nèi)部串接時(shí)，無(wú)需增加任何電纜及連接器，但1個(gè)單列組件串串聯(lián)接線完成后，正、負(fù)極其中之一需要增加一段長(zhǎng)約22 m的出線電纜將其引至另一極所在端，此段電纜也會(huì)增加不少電能損耗(可根據(jù)直流電纜壓降公式計(jì)算1 MW內(nèi)由此引起的電能損耗量化值)。因此，結(jié)合光伏組件自帶接線盒出線電纜長(zhǎng)度及光伏組件自身結(jié)構(gòu)尺寸，在這兩種布置方案下，也可采用圖5所示的奇偶接線法。

無(wú)論是60片小型組件還是70片大型組件，在豎向長(zhǎng)支架布置時(shí)，每個(gè)相鄰奇數(shù)塊與每個(gè)相鄰偶數(shù)塊的接線盒之間距離都小于2 m，根據(jù)2塊組件接線盒出線電纜長(zhǎng)度之和分別為2 m及2.4 m，可實(shí)現(xiàn)圖5所示的相鄰奇數(shù)塊連接和相鄰偶數(shù)塊連接的串聯(lián)接線方法。此種接線方式的優(yōu)點(diǎn)在于1個(gè)單列組件串內(nèi)使用光伏組件接線盒自帶出線電纜完成串聯(lián)接線，無(wú)需增加任何電纜及連接器；且串聯(lián)后正、負(fù)極出線在同一端，也無(wú)需再增加電纜將其中一極引線至另一極所在端。使用奇偶接線方式，每1個(gè)單列組件串可比圖4c和圖4g所示的接線方式節(jié)省電纜約22 m，進(jìn)一步減少了電能損耗，提升了發(fā)電效率[9]。

除以上2種布置方案外的其余6種布置方案，由于接線盒出線電纜長(zhǎng)度限制及光伏組件自身結(jié)構(gòu)尺寸，若采用奇偶接線法反而會(huì)增加電纜及連接器的使用數(shù)量，因此，奇偶接線法僅在圖5所示的2種布置方案中綜合經(jīng)濟(jì)效益較高。

圖5 豎向2排布置時(shí)的奇偶接線方式

2 不同布置方案下串聯(lián)電纜用量比較

在8種布置方案中，使用光伏組件接線盒自帶電纜長(zhǎng)度即可滿足光伏組件串內(nèi)的串聯(lián)接線，只在一個(gè)組件串出線處增加一段引出電纜及一對(duì)連接器接至匯流箱或逆變器。此外，設(shè)計(jì)單位完成具體設(shè)計(jì)方案后，需計(jì)算不同的布置形式下電纜及連接器的使用數(shù)量。8種布置及接線方案各自的電纜及連接器使用數(shù)量如表1所示。依據(jù)表1并結(jié)合圖4、圖5所示的接線詳圖，可為工程設(shè)計(jì)方案的比較提供理論依據(jù)。

在非大型地面光伏電站時(shí)，若采用主流廠家生產(chǎn)的常規(guī)光伏組件自帶的接線盒，其出線電纜長(zhǎng)度無(wú)法實(shí)現(xiàn)1個(gè)組件串內(nèi)的20或22塊組件間不增加電纜及連接器而串聯(lián)，因此，可在設(shè)計(jì)單位出具設(shè)備采購(gòu)技術(shù)規(guī)范書(shū)時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)方案，明確要求光伏組件生產(chǎn)廠家自帶接線盒的出線電纜長(zhǎng)度，這樣也可從設(shè)計(jì)源頭減少現(xiàn)場(chǎng)接線過(guò)程中電纜及連接器的用量，保障光伏電站建設(shè)質(zhì)量[10]。

表1 8種布置接線方案下電纜及連接器用量統(tǒng)計(jì)對(duì)比

3 結(jié)論

通過(guò)本文的研究分析，明確了光伏電站中常用的單列支架布置方案及各方案下的接線形式。在8種布置方案下采用本文所示的接線方式，既可節(jié)約電纜及連接器使用數(shù)量，減少因電纜壓降及連接器損耗帶來(lái)的電能損失；又可保證光伏電站施工進(jìn)度及施工質(zhì)量，為光伏電站提升綜合經(jīng)濟(jì)效益出一份力。

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