關(guān)于光伏連接器對(duì)光伏電站投資回報(bào)影響的分析

江蘇旭日新能源科技發(fā)展有限公司 ■ 時(shí)劍

陽(yáng)立電子(蘇州)有限公司 ■ 童紅

關(guān)于光伏連接器對(duì)光伏電站投資回報(bào)影響的分析

江蘇旭日新能源科技發(fā)展有限公司 ■ 時(shí)劍*

陽(yáng)立電子(蘇州)有限公司 ■ 童紅

以100 MW光伏電站全年光照小時(shí)數(shù)1500 h為例，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)目前已使用的優(yōu)質(zhì)和劣質(zhì)光伏連接器進(jìn)行失效分析和測(cè)試，結(jié)果顯示，劣質(zhì)光伏連接器比優(yōu)質(zhì)光伏連接器年發(fā)電量損失超過(guò)93%；在整個(gè)光伏電站25年壽命期內(nèi)，采用優(yōu)質(zhì)光伏連接器比采用劣質(zhì)光伏連接器多發(fā)電超過(guò)500萬(wàn)kWh，同時(shí)也大幅降低了使用劣質(zhì)光伏連接器所帶來(lái)的后期運(yùn)維費(fèi)用的增加。因此，采用優(yōu)質(zhì)光伏連接器對(duì)提升光伏電站投資回報(bào)有明顯的提升作用。

光伏連接器；發(fā)電量損失；運(yùn)維費(fèi)用；投資回報(bào)

0 引言

目前光伏電站的設(shè)計(jì)壽命都在20～25年[1]，因此，對(duì)光伏電站系統(tǒng)中設(shè)備部件的工作壽命也提出了相應(yīng)要求，每個(gè)設(shè)備部件都存在諸如機(jī)械壽命、電氣壽命有限等問(wèn)題，這些壽命會(huì)對(duì)光伏電站的最終投資收益造成一定的影響。在光伏電站中，組件、逆變器、線纜、支架、高低壓開關(guān)柜、變壓器這些設(shè)備因在工程造價(jià)中占比較突出，會(huì)引起設(shè)計(jì)和采購(gòu)方的重視；而作為組件和光伏線纜連接必要部件的光伏連接器，由于其造價(jià)占整個(gè)光伏電站系統(tǒng)造價(jià)不超過(guò)0.4%，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備部件采購(gòu)中對(duì)其品質(zhì)的要求往往容易被忽略。

許多光伏電站建設(shè)在條件艱苦的西部地區(qū)，也有一部分以分布式發(fā)電的形式建設(shè)在屋頂，無(wú)論是集中式光伏發(fā)電還是分布式光伏發(fā)電，都存在電站建成后運(yùn)維成本增加的問(wèn)題。為了減少維護(hù)成本，有效的途徑是提升系統(tǒng)可靠性，而系統(tǒng)可靠性的提升主要取決于系統(tǒng)所采用的設(shè)備部件的可靠性。

目前國(guó)家每年以15～20 GW[2]的速度建設(shè)光伏電站，截至2015年9月底，我國(guó)光伏發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到37.95 GW[3]，1～9月全國(guó)累計(jì)光伏發(fā)電量為306億kWh。而在電站運(yùn)維中發(fā)現(xiàn)，使用廉價(jià)光伏連接器頻頻出現(xiàn)故障，甚至出現(xiàn)光伏連接器燒毀現(xiàn)象，對(duì)光伏陣列區(qū)造成很大的火災(zāi)安全隱患，因此，光伏連接器的選擇應(yīng)引起足夠重視。

1 光伏連接器失效分析

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)多個(gè)光伏電站失效光伏連接器進(jìn)行外觀分析后發(fā)現(xiàn)，光伏連接器燒毀的部位主要存在于連接器的中間部分(即A～B段，電阻記為Rco)及兩端壓接部分(即C～D段，電阻記為Rcr)，如圖1所示。

圖1 光伏連接器示意圖

光伏連接器燒毀，致使光伏陣列發(fā)生火災(zāi)的根本原因在于：通流情況下，光伏連接器的電阻增大，導(dǎo)致溫升增加并超出塑料外殼及金屬件所能承受的溫度范圍，從而引發(fā)火災(zāi)。因此，光伏連接器的失效并引發(fā)火災(zāi)是由塑料外殼和金屬件共同作用的結(jié)果。如圖2所示，利用紅外熱成像儀對(duì)優(yōu)、劣質(zhì)光伏連接器工作時(shí)的溫度進(jìn)行熱成像，顯然劣質(zhì)光伏連接器工作時(shí)溫度更高。

圖2 優(yōu)、劣質(zhì)光伏連接器工作時(shí)溫度的熱成像圖

1.1 金屬件部分

金屬件是光伏連接器組成的主體，也是最主要的通流路徑。在各種環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，穩(wěn)定的電阻是保障連接器正常工作的前提條件。

光伏連接器的接觸電阻R由3部分組成：Rco、金屬件內(nèi)阻及Rcr。圖3為光伏連接器接觸電阻R插合狀態(tài)，優(yōu)、劣質(zhì)光伏連接器由于金屬件內(nèi)阻在正常情況下變化較小，可忽略不計(jì)，但Rco和Rcr存在較大差異。

圖3 連接器接觸電阻R插合狀態(tài)

1.1.1 電阻Rco

目前全球市場(chǎng)上的光伏連接器都采用類似的Multilam(表帶)[4]連接，該技術(shù)為史陶比爾公司核心技術(shù)，該部分電阻由3部分組成：膜阻、表帶本身的電阻及收縮電阻。

電阻Rco是光伏連接器對(duì)插后金屬件搭接部分的電阻。如果Rco出現(xiàn)非正常增大，就會(huì)導(dǎo)致溫度升高，進(jìn)而導(dǎo)致光伏連接器中間部位引發(fā)火災(zāi)。致使Rco非正常增大的原因主要有以下兩方面：

1)安裝不到位。安裝不到位是引起Rco增大的主要因素之一。每個(gè)公司的光伏連接器插合后，為了能保證通流，A～B段(見圖1)的搭接長(zhǎng)度是一定的，目的就是為了保證兩個(gè)金屬件完全接觸。如果在連接器的組裝過(guò)程中出現(xiàn)安裝不到位的情況，則金屬件的插合就會(huì)出現(xiàn)異常，如圖4 、圖5所示。

圖4 插合到位(剖面)

圖5 插合不到位(剖面)

在圖5情況下進(jìn)行通流，由于劣質(zhì)光伏連接器金屬插針和插座未充分通過(guò)表帶接觸，于是這一部分的電阻Rco就會(huì)在通流過(guò)程中變大，該部位產(chǎn)生的熱量就會(huì)增加，進(jìn)而導(dǎo)致溫度升高；長(zhǎng)期的高溫對(duì)其部位氧化和老化加劇，進(jìn)一步增加該部位的阻抗，最終導(dǎo)致光伏連接器燒毀。

2)不同公司的光伏連接器互插。在光伏電站建設(shè)中，各公司的光伏連接器互插現(xiàn)象在電站應(yīng)用中普遍存在，而且許多電站業(yè)主和組件廠商都認(rèn)為可以互插。

互插無(wú)法保證通流的根本原因在于其無(wú)法保證核心元器件表帶的長(zhǎng)期有效接觸，因?yàn)楦鱾€(gè)公司表帶槽的尺寸公差及表帶與金屬件的配合尺寸公差存在一定差異；并且互插無(wú)法保證各個(gè)公司所使用的光伏連接器材料的一致性。

1.1.2 電阻Rcr

壓接電阻Rcr主要是與壓接質(zhì)量和壓接工藝有關(guān)。通過(guò)壓縮比及壓接剖面來(lái)判斷壓接質(zhì)量的好壞，如圖6所示。

圖6 好的壓接與差的壓接對(duì)比圖

1.2 密封性能

連接器由于處于戶外，因此對(duì)于密封性能有嚴(yán)格要求，如優(yōu)質(zhì)光伏連接器達(dá)到了IP65甚至IP68的防護(hù)等級(jí)。由于光伏連接器是與電纜匹配連接，因此當(dāng)涉及到密封性時(shí)，電纜的選擇變得非常重要。一般來(lái)說(shuō)，不同的光伏連接器型號(hào)會(huì)對(duì)應(yīng)不同的電纜外徑，其目的就是保證密封性能。為了驗(yàn)證電纜的匹配性，在光伏連接器組裝好之后還要對(duì)其進(jìn)行相關(guān)的測(cè)試，如IP測(cè)試、濕絕緣測(cè)試及耐壓測(cè)試等。而劣質(zhì)光伏連接器在戶外應(yīng)用時(shí)，由于密封性能差可能會(huì)進(jìn)水進(jìn)塵，從而破壞絕緣性能，進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)。

1.3 絕緣材料

絕緣材料的選擇直接決定了光伏連接器的質(zhì)量。優(yōu)質(zhì)的光伏連接器需要選擇合適的絕緣材料，而是否合適主要是通過(guò)光伏連接器使用要求來(lái)確定的，如材料的耐候性能、耐熱性能、阻燃性能、機(jī)械性能、絕緣性能等，光伏連接器絕緣材料的選擇是這幾項(xiàng)性能綜合考慮的結(jié)果。選擇合適的材料才能降低產(chǎn)品在較高溫升下的失火概率。

此外，對(duì)部分損壞的光伏連接器進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，這些都采用了回料作為絕緣材料。光伏連接器在很多客戶端是要求使用25年及以上的，這就意味著對(duì)材料提出了非常高的要求。雖然使用回料可降低產(chǎn)品成本，但卻增加了產(chǎn)品在使用端的失效概率，因此，光伏連接器廠商應(yīng)對(duì)此加以杜絕。

2 光伏電站投資回報(bào)分析

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，接觸電阻會(huì)直接影響電站的投資回報(bào)。以100 MW的光伏電站為例，全年光照時(shí)間假定為1500 h，光伏組件采用250 Wp，組件的額定電流為8.28 A，得到100 MW光伏電站需要約42萬(wàn)套光伏連接器。對(duì)比結(jié)果如表1所示。

通過(guò)表1可知，100 MW光伏電站，采用優(yōu)質(zhì)光伏連接器比采用一般或劣質(zhì)光伏連接器采購(gòu)成本多140萬(wàn)，但是一般或劣質(zhì)光伏連接器每年比優(yōu)質(zhì)光伏連接器能量損耗多出近20萬(wàn)kWh的電，假設(shè)按照電價(jià)1元/kWh計(jì)算即采用優(yōu)質(zhì)連接器可每年多盈利約20萬(wàn)元。因此采用優(yōu)質(zhì)光伏連接器可在7年內(nèi)實(shí)現(xiàn)投資回報(bào)；實(shí)際應(yīng)該比7年時(shí)間更短，因?yàn)槲纯紤]采用劣質(zhì)光伏連接器在完全損壞和更換時(shí)發(fā)電量的損失，以及后期更換成本，由此可體現(xiàn)采用優(yōu)質(zhì)光伏連接器的優(yōu)越性。

3 運(yùn)維成本分析

光伏電站成功并網(wǎng)后，運(yùn)維就成了電站業(yè)主

的重要工作。運(yùn)維好壞不僅影響電站的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)關(guān)系到電站投資者的價(jià)值實(shí)現(xiàn)和最終收益。通常100 MW 光伏電站每年在電站運(yùn)維上花費(fèi)近200萬(wàn)。

表1 優(yōu)、劣質(zhì)光伏連接器能量損耗對(duì)照表

光伏連接器失效產(chǎn)生的主要運(yùn)維成本體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

1)發(fā)電量損失。通常，如果電站中的光伏連接器發(fā)生故障，那么該光伏連接器所在組串(以20塊250 Wp組件為例)將會(huì)整串失效，即無(wú)法發(fā)電并網(wǎng)。假設(shè)每日平均光照時(shí)間為5～6 h，發(fā)電量損失為20×250×(5～6)=25～30 kWh，那么相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)損失即為 25～30 kWh與度電補(bǔ)貼的乘積。

2)備品備件。由于不同品牌光伏連接器的質(zhì)量差異，造成光伏連接器在電站中的使用壽命長(zhǎng)短不同，且替換該光伏連接器產(chǎn)生的費(fèi)用也不同。通常，電站中會(huì)有一定比例的備品備件采購(gòu)量，具體比例根據(jù)不同電站的實(shí)際情況會(huì)有差別。但光伏連接器本身的質(zhì)量?jī)?yōu)劣與備品備件的使用時(shí)間成正比。以西部某大型地面電站為例，據(jù)了解該電站的光伏連接器按照初始裝機(jī)量的5%采購(gòu)備件，約2 年用完。

3)人力成本。根據(jù)現(xiàn)有的運(yùn)維能力和技術(shù)水平，即便追蹤到了某塊組件或逆變器發(fā)電異常，也很難排除該問(wèn)題是否出現(xiàn)在光伏連接器失效方面。也就是說(shuō)，一旦光伏連接器失效，運(yùn)維人員很難排查，并且失效的光伏連接器越多，運(yùn)維人員的工作量也將成倍增加。一旦遇到電站環(huán)境復(fù)雜、惡劣的情況，運(yùn)維人員的工作難度和強(qiáng)度又將大幅增加，無(wú)形中增加了人力成本。

4)風(fēng)險(xiǎn)。無(wú)論是上文提到的哪種情況導(dǎo)致光伏連接器失效，都會(huì)存在漏電的風(fēng)險(xiǎn)。這就意味著運(yùn)維人員在排查、替換光伏連接器時(shí)將要承擔(dān)安全風(fēng)險(xiǎn)。而一旦光伏連接器著火，受到威脅的不僅僅是運(yùn)維人員的人身安全，甚至可能導(dǎo)致屋頂、 廠房的燒損，造成更多的經(jīng)濟(jì)損失及聲譽(yù)損失。

4 總結(jié)

綜上所述，盡管光伏連接器造價(jià)占整個(gè)工程造價(jià)不超過(guò)0.4%，但劣質(zhì)光伏連接器存在諸多問(wèn)題，如接觸電阻大、機(jī)械強(qiáng)度低、耐候性差、密封性差、絕緣性能低下等。通過(guò)對(duì)優(yōu)、劣質(zhì)光伏連接器發(fā)電量損失、采購(gòu)成本對(duì)比，以及運(yùn)維成本分析，采用優(yōu)質(zhì)光伏連接器的光伏電站優(yōu)勢(shì)顯現(xiàn)明顯，建議光伏電站建設(shè)方應(yīng)對(duì)光伏連接器的選擇引起足夠的重視。

[1] (日)太陽(yáng)光發(fā)電協(xié)會(huì)[編]，劉樹民，宏偉[譯]. 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[2] 趙靜.“十三五”年增光伏發(fā)電逾1500萬(wàn)千瓦 產(chǎn)業(yè)發(fā)展提速[EB/OL]. http://guangfu.bjx.com.cn/news/20160322/718156. shtml，2016-03-22.

[3] 國(guó)家能源局.2015年1～9月光伏發(fā)電建設(shè)信息簡(jiǎn)況[EB/ OL]. http://www.nea.gov.cn/2015-10/20/c_134732263.htm, 2015-10-20.

[4] Multi-Contact. Multi-Contact products for renewable energy [EB/OL]. http://www.multi-contact.com/products/productline/5. html, 2016-03.

2016-05-07

時(shí)劍(1984—)，男，碩士研究生、工程師，主要從事光伏系統(tǒng)集成方面的研究。shijian600@163.com