光伏组件的优化设计和经济效益分析

李百可，鞠振河，潘冬辉

（沈阳工程学院a.研究生部；b.新能源学院，辽宁 沈阳 110136）

我国非常重视环境保护及新能源的开发工作，并大力支持光伏发电事业的发展，各省也都建立了光伏扶贫电站，太阳能转化效率提升和组件成本降低有利于光伏电站的大规模建设。如今，光伏发电己经从小容量分散开发、就地消纳方式转变为大规模集中并网发电模式，但在其建设、运行过程中有很大的资源浪费，导致经济效益大大降低。所以，合理设计阵列，提高光伏电站的发电效率，增加上网电量是至关重要的。

1 光伏发电基本原理及其输出特性

1.1 光伏电池的基本特性

太阳能光伏发电能量转换的最重要部分是太阳能电池。“光伏效应”是太阳能电池发电的基本原理。将半导体的P-N结放在阳光能够照射到的地方，会形成新的空穴电子对。电池两端不同电荷的积累是由于电子和空穴密度分布不平衡，这就是所谓的“光伏效应”。光伏电池的原理如图1所示。

图1 光伏电池原理

半导体光电二极管是太阳能电池的关键原件。当太阳光投在光电二极管上时，光电二极管将光信号转换成电信号，光电二极管在工作电压的作用下，有光照时，电流迅速增大到几十微安，称为光电流。将电流源和理想的二极管并联构成回路，可以看作是光伏电池，光伏电池的实际等效电路如图2所示。

图2 光伏电池的等效电路

1.2 光伏电池输出特性

光伏电池的I-V输出特性如图3所示。

图3 太阳能电池I-V特性曲线

图3反映了太阳能电池的工作电压和电流随负载电阻的变化，且可以看出恒流源和恒压源光伏电池的特性。制造商通常提供PV组件的开路电压Voc、短路电流Ish、最大功率点电压Vm和最大功率点电流Im，此外还提供了最大功率。最大功率是标准状态下光伏电池的最大输出功率，即在日照强度为1 000 MJ/m2、温度为25℃时的功率，其值为在最大功率点下的电压与电流的乘积。

单个组件容量的发展趋势是从小容量逐渐向大容量发展。目前，投入商用的单个组件容量己达到300 W～310 W，选用大功率组件有很多优点：

1）减少了阵列的个数，从而减少了阵列的占地面积；

2）减少了汇流箱的数量；

3）减少了后期维护的费用；

4）增强了单个阵列的发电效率；

5）增加了整个光伏阵列的发电稳定性。

因此，该项目采用300 W多晶硅电池组件。

对组件效率、技术成熟度、市场占有率和订单采购进行综合考虑并选择，该项目推荐选用英利公司生产的YL300-35b型多晶硅太阳能组件。表1和表2分别是逆变器的性能参数和太阳能电池板的参数。

表1 逆变器性能参数表

表2 YL300P-35b光伏电池板参数

2 组件串、并联个数的优化设计

2.1 组件串、并联的选择

据建昌气象数据库统计,建昌地区年平均气温为8.8°C，最高气温为37.4°C，最低气温为-31.2°C，夏季炎热，冬季寒冷。因此，光伏组件运行的最高和最低的环境温度分别为37.4°C和-31.2°C，在标准测试条件下温度偏移量分别是12.4°C和-56.2°C。

从表2中可以看出，电压温度系数的计算公式为

电压温度系数为

电流温度系数的计算公式为

电流温度系数为

功率温度系数的计算公式为

功率的温度系数为

因此，极限温度下的开路电压和最大功率点电压分别为

将相应数据带入上述公式中可得：

太阳能组件串联个数N(取自然数 )的范围可根据以下公式算出：

根据公式可知，逆变器工作在最大功率点时，组件串联个数为15≤N≤18(N取自然数 )。因此,在-31.2°C下，逆变器输入的电压值最大（即在寒冷的冬季，云层后面突然出现太阳的时刻）。一定要选择串联时环路内电压不高于逆变器直流侧的输入电压，否则逆变器会被烧毁。因此，计算串联个数的另一个限定公式如下：

根据公式可以得出，组件的串联个数在15≤N≤18(N取自然数 )。

2.2 电池组件的串联个数与评估

如果电池板串联个数选用15块，根据太阳能光伏系统设计原则，验算：

1）标准条件下串联组件输出开路电压为

因此，在标准条件下，串联组件输出的开路电压在最大功率点跟踪电压范围之内(500 V ≤Voc≤820 V)。

2）标准条件下组串串联的最大功率点电压为

因此，在标准条件下，串联组件的最大功率点工作电压在最大功率点跟踪电压范围内()500 V≤Vmppt≤820 V 。

3）串联组件在极冷温度-31.2°C下的最高输出电压为

因此，在极冷温度条件下，串联组件开路时最高输出电压小于逆变器最大输入电压。

4）串联组件在极冷温度-31.2°C下的最大功率点电压为

因此，在极冷温度条件下，串联组件的最大功率点电压在最大功率点跟踪电压范围内(500 V ≤Vmpptmax≤820 V)。

5）在极热温度37.4°C下，串联组件的最大功率点电压为

因此，在极热温度条件下，串联组件最大功率点电压大于逆变器最大功率点跟踪电压，符合要求。

根据逆变器容量，选取组件为15串112列，则阵列输出功率为

在逆变器最佳工作点。

6）并联组件的最高输出电流（短路电流STC）计算可得：

7）并联组件在最热温度条件下，光伏组件的短路电流为

将数据带入到上式中可得：

所以，112路并联回路到逆变器的最大短路电流为

8）并联组件在最低温度下，阵列的输出功率为

则阵列的总功率为

在最高气温条件下，组件的输出功率为

将数据代入上述公式中可得，阵列总功率为Poutat37.4°C=(300-18.3 × 1.26)× 1 680=465 kW

9）逆变器比例系数为

光伏发电机的功率和逆变器的额定交流功率应该接近1:1，故1.008为极佳值。

同理，可对15～18串光伏电池板的相关参数进行分析，其计算结果如表3所示。

表3 光伏组串不同串并联方式参数比较

光伏逆变器拟选用AEG公司的500 kW逆变器，该逆变器为可以并入电网的电力级太阳能逆变器。表4为该类型逆变器在不同输入电压下的转换效率。

表4 AEG公司500 kW逆变器在不同输入电压下的转换效率表

图4 500kW逆变器在不同输入电压下的效率曲线

对表4及图4进行分析，可以得出：

1）在同一电压等级下即同一曲线下，逆变器工作在额定输入功率的70%左右时效率最高，随着输入功率的增加效率有所降低。

2）在同一输入功率条件下，逆变器的输入电压越低，效率越高；相反输入电压越高，效率则越低。

为了求解出下列4种连接方式下输入电压所对应的逆变器的功率，可以假设逆变器不同电压等级下的效率近似为一条带斜率的直线，这样就可以求出这4个电压等级下的逆变器的效率了。

18串93并输入电压为619 V，取两端电压为600 V与650 V，这两点电压所对应的效率分别是97.21%与96.99%。根据直线斜率公式求解出619 V所对应的效率为97.12%。同理，可得到其他连接方式下的变压器效率，如表5所示。

表5 不同连接方式输入电压下的逆变器效率和功率损耗

根据表5可以绘出逆变器功率损耗的柱形图，如图5所示。

图5 500 kW级4种连接方式导线功率损耗与逆变器功率损耗综合比较

2.3 经济效益分析

通过上述分析可以看出，15串112并连接方式下功率损耗是最小的，理论上可行。但是由于组件数量为奇数，在组件排布和摆放方式是不实际的，应该排除。所以，16串105并连接方式是最终的优化结果。

表6 不同连接方式下每年能量损耗

表6绘出了16串105并，17串99并，18串93并3种连接方式每年的能量损耗，如果按照建昌光伏扶贫补助电价0.78元/度计算，与17串和18串连接方式比较，每年多收益2 662.5元和4 728.3元

3 结 语

太阳电池组件的串联数量选择应考虑逆变器的最佳输入电压、当地的太阳辐射条件、环境温度条件以及直流通路上的损耗等因素。光伏阵列实际输出功率应与逆变器的直流侧最大输入功率相匹配。本文选定电池板和逆变器型号，对电池板串并联的个数进行了优化，提高了发电效率，增加了光伏发电的收益。