光伏组件所产生的电流为直流电流(DC),需要使用光伏逆变器转换为市电频率交流电(AC),反馈回商用输电系统或是供离网的电网使用。组件所发出的电全部需要通过逆变器的处理才能对外输出,逆变器属于光伏发电系统的核心设备。而在逆变器中,MPPT技术是光伏逆变器的核心技术。MPPT既最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,简称MPPT)系统是一种通过调节电气模块的工作状态,MPPT控制器能够实时侦测太阳能板的发电电压,并追踪最高电压电流值(VI),使系统以最大功率输出对蓄电池充电。应用于太阳能光伏系统中,协调太阳能电池板、蓄电池、负载的工作,是光伏系统的大脑。
根据技术路线进行区分,逆变器一般分为集中式、组串式、集散式、微型逆变器:
集中式逆变器:先汇流,再进行逆变,组件串联,产生的电能进入汇流箱,汇流箱之间并联输出电流至逆变器,并进行最大功率跟踪体积大、功率高,一般为500kW以上,成本较低,适用于光照均匀的集中性地面大型光伏电站等。
组串式逆变器:核心为先逆变, 再汇流。体积小、功率适中,常见0-255kW,成本适中,具有多路MPPT模块,可调节多块组件系统达到最优。组串式光伏逆变器由于单台功率小,在同等发电规模情况下增加了逆变器的数量,因此单台逆变器与光伏组件最佳工作点的匹配性较好,在特殊的环境下能够增加发电量。组串式光伏逆变器主要运用于规模较小的电站,如户用分布式发电、中小型工商业屋顶电站等,近年来也应用于一些大型地面电站。
集散式逆变技术:近年来出现一种新的逆变方案,结合了大型集中式光伏逆变器的“集中逆变”优势和组串式光伏逆变器的“分散 MPPT 跟踪” 优势,达到“集中式逆变器低成本高可靠性,组串式逆变器的高发电量”。
光伏逆变器市场主要以集中式逆变器和组串式逆变器为主。2017年之前,集中式逆变器以其较低的相对成本,市场占比高于组串式。随着分布式光伏市场的快速增大及集中式光伏电站中组串式逆变器占比的增高,在2017年组串式占比超过集中式,且逐年提升。根据CPIA数据,2020年组串式逆变器占据主要地位,为66.5%;集中式逆变器占比为28.5%;集散式逆变器占比为5.0%。上述相对比例在未来10年内会保持相对均衡。
相对组件而言,光伏逆变器的盈利能力会更好。现在对于组件的要求为能够服役25年,而逆变器由于其中IGBT等电子元件的寿命限制,在25年运行周期中会进行1-2次更换。
逆变器行业竞争主要在产品力品牌、渠道、成本控制、售后服务等方面,头部企业在这些方面均有优势。2019年华为、阳光合计出货量占据35%的市场份额,处于光伏逆变器行业龙头地位,市场份额稳定,第3-5名分别为德国老牌逆变器企业SMA、美国最大的逆变器企业Power Electric及意大利逆变器企业FIMER, 国内逆变器厂商上能电气和锦浪科技分列第6名、第10名。由于不同细分市场的产品单价差异悬殊,以销售金额来看, 2019年SolarEdge与华为以16%的市场份额并列榜首,阳光电源仅以8%市场份额位列全球第4, 前5名厂商出货金额占据总份额接近60%。
光伏支架作为电站的“骨骼”,其性能直接影响光伏电站的发电效率及投资收益。作为定制化的产品,光伏支架在整体设计环节中需充分考虑技术、经济等复杂因素,平衡成本造价与发电量增益的关系,与电站系统其它设备高度匹配,并符合电站所在地的技术规范与认证。在制造环节中,需确保其在各种恶劣的自然环境下稳定、 可靠地运行 25 年以上。
光伏支架包括固定支架和跟踪支架。固定支架可分为普通固定支架以及固定可调式支架。使用固定支架的光伏电站一般不会频繁调整组件位置, 结合地理环境以及气候等条件将支架固定在特定角度,从而接收最大的阳光辐射。相比跟踪支架,固定支架稳定性较好,价格较低, 对光照的利用率较低。跟踪支架可根据太阳照射情况对组件朝向进行调整,获得更多太阳辐照提高发电效率,类似自然界的向日葵。
近几年光伏支架逐步从固定支架向跟踪支架过渡,跟踪支架通过跟踪阳光最佳照射角度,理想情况下可以使光伏组件发电量提升 20%-30%, 在实际运用中,跟踪支架能够使光伏组件发电量提升 6%左右。
汇流箱在光伏发电系统中是保证光伏组件有序连接和汇流功能的接线装置。该装置能够保障光伏系统在维护、检查时易于切断电路,当光伏系统发生故障时减小停电的范围。将一定数量、规格相同的光伏电池串联起来,组成一个个光伏串列,然后再将若干个光伏串列并联接入光伏汇流箱,在光伏汇流箱内汇流后,通过控制器,直流配电柜,光伏逆变器,交流配电柜,配套使用从而构成完整的光伏发电系统,实现与市电并网。
为了提高系统的可靠性和实用性,在光伏防雷汇流箱里配置了光伏专用直流防雷模块、直流熔断器和断路器等,方便用户及时准确地掌握光伏电池的工作情况,保证太阳能光伏发电系统发挥最大功效。
直流断路器是汇流箱的输出控制器件,主要用于线路的分合闸,其工作电压高达DC1000V。防雷器,也叫浪涌保护器,给汇流箱提供安全防护的电器装置,当电气回路或者通信线路中因为外界的干扰突然产生尖峰电流或者瞬态过电压和雷电过电压时,浪涌保护器能在极短时间内导通分流,从而避免浪涌对回路中其他设备的损害。
根据并网方式的不同,光伏电站一般分为集中式光伏电站、分布式光伏电站和离网式光伏电站。
集中式光伏电站,是将光伏列阵直接生产的电能,经并网逆变器转变为交流电,升压后并入电网,由电网公司收购并统一调度分配,与公共电网相连接并共同承担供电任务的太阳能光伏电站。目前,我国以集中式光伏电站为主,建设规模一般在10MW以上,且100MW 的超大规模光伏电站也在日益增多。
分布式光伏电站通常是利用分散式资源,将光伏电池、汇流箱、逆变器等设备置于厂房、办公楼等屋顶上,将光伏电力并入用户侧,自发自用,余量上网。其装机规模一般在1MW到10MW之间,且以经济发达地区的屋顶电站为主,电力消纳条件好。目前,我国分布式光伏电站的装机规模虽少于集中式光伏电站,但伴随政策扶持的倾斜,所占比重不断提升。
离网式光伏电站,在有光照时通过太阳能充放电控制器给负载供电,同时给蓄电池充电;在无光照时通过太阳能充放电控制器由蓄电池组给直流负载供电,同时蓄电池给独立逆变器供电,通过独立逆变器逆变成交流电,给交流负载供电。离网式电站用电系统不并入电网,而是通过蓄电池储能等技术实现局部场所的太阳能电力自发自用,常应用于独立用电系统或偏远地区,如太阳能路灯等。
2020 年,大型地面电站占比为67.8%,分布式电站占比为32.2%,其中户用光伏可以占到分布式市场的 65.2%左右。随着2020年公布的竞价项目和平价项目以及特高压外送项目的逐步并网, 预计2021年大型地面电站的装机量占比将进一步上升。“十四五”初期,光伏发电将全面进入平价时代,叠加“碳中和”目标的推动以及大基地的开发模式,集中式光伏电站有可能迎来新一轮发展热潮。另外,随着光伏在建筑、交通等领域的融合发展,叠加户用的应用规模,分布式项目仍将保持一定的市场份额。