CIGS光伏建筑的1500V光伏系統(tǒng)研究

李想

摘 要：對CIGS光伏組件、直流線纜、直流匯流箱、逆變器等部件的耐壓等級從1000V提高到1500V的技術(shù)可行性進行分析，對1500V光伏系統(tǒng)的經(jīng)濟可行性進行分析測算。1500V光伏系統(tǒng)具有降本增效的領(lǐng)跑作用，能有效緩沖補貼下降的沖擊，開啟光伏平價上網(wǎng)新引擎。

關(guān)鍵詞：銅銦鎵硒（CIGS）薄膜光伏組件;光伏建筑一體化;1500V光伏系統(tǒng)

引言

近年來，我國的光伏技術(shù)有了明顯的發(fā)展與進步，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)也越來越多地運用到民用建筑工程中，尤其以銅銦鎵硒薄膜組件為代表的建筑光伏一體項目備受國內(nèi)外關(guān)注，為綠色建筑或零能耗建筑的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。建筑光伏發(fā)電可自發(fā)自用、就地消納、不必長距離輸送、沒有污染等優(yōu)點得到了業(yè)界廣泛的關(guān)注，有著廣闊的發(fā)展前景。

1 CIGS光伏組件的發(fā)電技術(shù)特性

根據(jù)德國Manz公司提供的產(chǎn)品資料，不同型號的CIGS光伏組件參數(shù)不同，型號為M-GES105的CIGS組件技術(shù)。與晶硅組件相比，CIGS組件電壓高，開路電壓97.8V，電流低，短路電流1.45A。根據(jù)《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范（GB 50797-2012）》中的規(guī)定，要同時滿足兩個條件。當(dāng)光伏系統(tǒng)電壓不超過1000V時，組串串聯(lián)的組件數(shù)不能超過8塊，需要多組串并聯(lián)后先接入直流匯流箱，再接入逆變器，組串和直流匯流箱數(shù)量相對較多，電纜也相應(yīng)增多，這勢必導(dǎo)致整個光伏系統(tǒng)的造價增高，同時會增加施工及運維的工作量。 同時，CIGS組串多、匯流接點相應(yīng)增多，在較高的直流電壓條件下工作，直流故障電弧的幾率將有所增加，進而增加了光伏建筑的火災(zāi)風(fēng)險性。

2 1500V智能光伏系統(tǒng)的優(yōu)點

1500V智能光伏系統(tǒng)，即將CIGS光伏建筑一體化系統(tǒng)中用到的CIGS光伏組件、直流線纜、直流匯流箱、逆變器等部件的耐壓等級從1000V提高到1500V，對應(yīng)的就是1500V系統(tǒng)。

2018年全球（中國以外）主要光伏市場的大型并網(wǎng)項目，幾乎全部采用或者明確要求采用1500V系統(tǒng)技術(shù)方案;以西班牙、土耳其、葡萄牙為代表的歐洲新興市場1500V光伏系統(tǒng)裝機容量超過5GW;沙特、阿曼等中東地區(qū)裝機及計劃裝機容量超過6GW，阿根廷、巴西等裝機及計劃裝機容量超過6GW，再加上美國、印度等傳統(tǒng)光伏大國的地面電站項目也已大量采用1500V系統(tǒng)，可以看到全球光伏行業(yè)已經(jīng)進入了1500V系統(tǒng)時代[3]。

1500V系統(tǒng)對于降本增效有明顯作用，包括初始投資成本和后期運維成本。作為技術(shù)革新，1500V前行裹挾著爭議，系統(tǒng)安全性有待進一步考驗，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)須逐漸完善。但與此同時，配套設(shè)備層出不窮，示范電站相繼落成。正如從600V系統(tǒng)過渡至1000V系統(tǒng)一樣，1500V光伏時代正在來臨。

傳統(tǒng)的1000V系統(tǒng)單串CIGS組件數(shù)量不能超過8塊（見公式1-1、1-2），而1500V系統(tǒng)根據(jù)計算可以將數(shù)量擴充至13塊。子串?dāng)?shù)量減少，逆變器、匯流箱以及直流側(cè)線纜的用量也隨之減少。同時，直流側(cè)電壓由1000V升為1500V，根據(jù)電力學(xué)公式P（電功率）=U（電壓）*I（電流），當(dāng)功率一定的情況下，電壓提升1.5倍，電流將下降到1/1.5。而電力線纜損耗P損=I?R，線纜長度和線徑確定，電阻R一定，電流下降1.5倍，線損變?yōu)?/2.25，直流側(cè)設(shè)備損耗和設(shè)備損耗減少，發(fā)電效率提高。

綜上可以看出，1500V系統(tǒng)兼具降本增效作用。

3 1500V CIGS光伏組件

2004年IEC61730-1（組件安全規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)）已經(jīng)有了1500V系統(tǒng)組件的認(rèn)證規(guī)范，2016年，IEC 61215和IEC61730對1500V系統(tǒng)組件的性能檢測、安全試驗等規(guī)范進行了補齊和完善，為1500V組件的測試及認(rèn)證提供了標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)，這大大推動了1500V電站的標(biāo)準(zhǔn)遵從性。

為了滿足1500V組件的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，組件廠家通過優(yōu)化組件版型設(shè)計、升級背板材料、更換接線盒等措施增強絕緣性，保障組件安全性。在上述優(yōu)化措施基礎(chǔ)上，經(jīng)TUV等權(quán)威認(rèn)證機構(gòu)測試，1500V系統(tǒng)組件的抗PID性能與1000V系統(tǒng)組件無差異，均滿足IEC62804標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

目前國內(nèi)主流晶硅組件廠家全部提供了全系列的1500V組件產(chǎn)品，包括單面組件、雙面組件、雙玻組件，并且獲取了相關(guān)的認(rèn)證信息。

1500V組件與1000V組件幾乎無差異，如下表2，而且隨著1500V組件發(fā)貨量越來越多，與1000V組件成本幾乎持平。

2019年主流的晶硅類組件廠商的產(chǎn)品將都以1500V產(chǎn)品為主，1500V組件的技術(shù)和產(chǎn)能均能滿足市場的需求。

對于CIGS光伏組件，1000V組件與1500V組件的主要差異點在封裝材料和接線盒不同，只要把CIGS光伏組件的背板及封裝材料和接線盒（線纜、連接器、電器間隙以及爬電距離）的耐壓等級提高到1500V，滿足IEC61730產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)與認(rèn)證，即可將CIGS光伏組件應(yīng)用于1500V光伏系統(tǒng)。

4 1500V光伏系統(tǒng)的相關(guān)規(guī)范

國內(nèi)GB /T 18216和全球IEC 61557中電氣設(shè)備低壓標(biāo)準(zhǔn)均已定義為AC 1000V和DC1500V，能支持到1500V。

北京鑒衡認(rèn)證中心于2015 年 11 月組織發(fā)布《1500V 光伏電站關(guān)鍵設(shè)備認(rèn)證實施規(guī)則》，CQC、TUV等其他權(quán)威第三方認(rèn)證機構(gòu)廠家也都有成熟的1500V相關(guān)的認(rèn)證準(zhǔn)入和產(chǎn)品試驗設(shè)計。通過2014到2018近四年的發(fā)展，光伏領(lǐng)域，從零部件到整個系統(tǒng)，1500V的標(biāo)準(zhǔn)體系，已經(jīng)完全成熟。

5 1500V光伏系統(tǒng)的經(jīng)濟性

結(jié)合CIGS光伏建筑特點，要降本增效，升高電壓到1500V是有效措施。從系統(tǒng)的角度來看，更高的輸入、輸出電壓等級，可以降低交直流側(cè)線損及變壓器低壓側(cè)繞組損耗，電站的系統(tǒng)效率預(yù)期可以提升1.5-2%。同時，設(shè)備（逆變器、變壓器）的功率密度提升，體積減小，運輸、維護等方面工作量也減少，有利于光伏系統(tǒng)成本的降低。除降低輸送過程中的電量損耗之外，直流側(cè)電壓提升到1500V，還可以串聯(lián)更多CIGS組件，減少逆變器的直流線纜用量和匯流箱數(shù)量。同時線纜和匯流箱數(shù)量的減少還可以節(jié)省更多的建筑空間，解決了線纜和電氣設(shè)備在建筑內(nèi)占用空間的問題。

1500V電壓等級下，串聯(lián)CIGS組件數(shù)量從原來1000V等級下的8塊/串CIGS組件提升到13塊/串CIGS組件。下面以1萬平方米CIGS光電幕墻在1000V電壓等級和1500V電壓等級下的設(shè)備組成及造價舉例，可直觀的看出1500V光伏系統(tǒng)的優(yōu)越性。

1萬平方米CIGS光電幕墻共采用97.5Wp組件13888片，裝機量1354.08kW。以下數(shù)據(jù)不含CIGS組件價格及光電幕墻結(jié)構(gòu)材料價格：

1萬平方米光電幕墻在由1000V電壓等級提高到1500V電壓等級后，光伏組串由1740個減少到1068個，共減少組串672個;直流匯流箱減少56個。1500V光伏系統(tǒng)1平方米造價可降低54元。

6 結(jié)語

綜上所述，1500V系統(tǒng)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)已經(jīng)非常完善，產(chǎn)業(yè)鏈在近幾年的發(fā)展過程中已經(jīng)渡過了小批量供應(yīng)階段，在國內(nèi)外都得到了海量的應(yīng)用。

目前國內(nèi)光伏組件、逆變器等關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)已發(fā)展成熟，與設(shè)備層面降本相比，未來系統(tǒng)優(yōu)化將成為降本增效的主要方向。CIGS光伏建筑一體化的1500V光伏系統(tǒng)可有效的降低系統(tǒng)造價，減少電氣設(shè)備及電纜的數(shù)量，更加節(jié)約建筑空間，使整個光伏發(fā)電系統(tǒng)更加優(yōu)化，為CIGS光伏建筑一體化推廣普及提供了有力的技術(shù)支撐。

參考文獻：

[1].《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》（GB50797-2012）

[2].《AI加持， 最佳LCOE的1500V智能光伏解決方案》-華為投資控股有限公司

[3].《深度盤點丨1500V光伏系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)發(fā)展情況及領(lǐng)軍企業(yè)》-華為智能光伏.