張燕娜

(內(nèi)蒙古電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院,呼和浩特 010020)

非晶硅薄膜電池在MWP級(jí)光伏電站的應(yīng)用

張燕娜

(內(nèi)蒙古電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院,呼和浩特 010020)

結(jié)合中節(jié)能阿拉善盟孿井灘 10MW p光伏并網(wǎng)發(fā)電項(xiàng)目工程,光伏組件分別采用多晶硅與非晶硅薄膜電池各5MW p,通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算,對(duì)比多晶硅,綜合考慮組件價(jià)格,陣列占地面積,年發(fā)電量等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)得出,非晶硅薄膜電池在MW P級(jí)光伏電站的應(yīng)用發(fā)展前景可觀。

非晶硅;薄膜電池 ;光伏電池;發(fā)電量

1975年 Spear和Lecom ber用輝光放電法制備出性能優(yōu)良的非晶硅(a-si)膜;1976年 RCA實(shí)驗(yàn)室的 CarlsonD.E.和W ronski C.R.利用氫化非晶硅 (a-si:H)制作出第一個(gè)非晶硅太陽(yáng)電池。從此,氫化非晶硅作為一種制作太陽(yáng)能電池的新型材料開(kāi)始受到廣泛的重視。經(jīng)過(guò) 20世紀(jì) 80年代的研發(fā),非晶硅太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性有了明顯的突破,在工業(yè)化商品中,面積為 0.5 m2,效率 5%以下的非晶硅太陽(yáng)電池組件成為主流。20世紀(jì) 90年代,為解決轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性問(wèn)題,疊層非晶硅太陽(yáng)電池得到了發(fā)展,1m2以下,效率 6%左右的非晶硅太陽(yáng)電池組件成為主流。21世紀(jì)初,美國(guó)(如Uni-so lar),日本(如 Kaneka,MH I)的一些非晶硅太陽(yáng)電池企業(yè)開(kāi)發(fā)非晶硅/微晶硅,非晶硅、非晶硅鍺疊層太陽(yáng)電池,已將單一組件面積超過(guò) 1 m2,轉(zhuǎn)化效率 7%的非晶硅太陽(yáng)電池投入市場(chǎng)。2008年更是推出了同一組件尺寸的65MW非晶硅、微晶硅疊層太陽(yáng)電池生產(chǎn)線。但由于氫化非晶硅合金是一種性能復(fù)雜的半導(dǎo)體材料,許多性質(zhì)還有待研究認(rèn)識(shí),相關(guān)的理論也正在豐富完善,雖然非晶硅太陽(yáng)電池的研究與發(fā)展成果斐然,但與晶體硅太陽(yáng)電池相比,無(wú)論是材料理論,器件研究,還是工藝過(guò)程,仍處在積極發(fā)展階段。

一、非晶硅薄膜電池及其特點(diǎn)

非晶硅薄膜電池制造的原材料豐富,生產(chǎn)過(guò)程無(wú)毒,能耗低,無(wú)污染,對(duì)生態(tài)環(huán)境不會(huì)造成不利影響。非晶硅/微晶硅雙結(jié)疊層電池可以采用不同帶隙的電池組成疊層電池,拓展光譜響應(yīng)范圍,提高電池的光伏特性并能大面積生產(chǎn)。非晶硅/微晶硅雙結(jié)疊層電池與其他太陽(yáng)電池相比,除了成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于晶體硅太陽(yáng)電池,還具有以下優(yōu)點(diǎn):一是制造過(guò)程消耗電力少,能量?jī)斶€時(shí)間短。用氣體分解法制備非晶硅,基板溫度僅 200～300℃且放電電極所需的放電功率密度較低,而單晶硅要在 1 412℃以上反復(fù)多次熔解。晶體硅太陽(yáng)電池能量?jī)斶€時(shí)間 2～3年,而非晶硅太陽(yáng)電池只有 1～1.5年。二是電池互連。實(shí)用的集成型薄膜太陽(yáng)電池已經(jīng)在工藝中實(shí)現(xiàn)了電池互連,使輸出電壓增高,避免了晶體硅太陽(yáng)電池組件封裝互連引起的可靠性等問(wèn)題。其溫度系數(shù)低,因而季節(jié)的變化不會(huì)影響其轉(zhuǎn)化效率。同時(shí),由于光譜響應(yīng)范圍寬,與相同功率的晶體硅太陽(yáng)電池相比,其發(fā)電量大約可增加 10%。但是非晶硅太陽(yáng)電池也存在缺點(diǎn),非晶硅太陽(yáng)電池的最大缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)化效率較低,且因光致衰弱影響,其效率會(huì)隨著時(shí)間增加而逐漸降低。對(duì)于這些問(wèn)題的解決現(xiàn)在有了很大的突破。

非晶硅薄膜電池的研究工作主要集中在提高效率和穩(wěn)定性方面:通過(guò)有不同帶隙的多結(jié)疊層提高效率和穩(wěn)定性;降低表面光反射;改進(jìn)電池結(jié)構(gòu);使用更薄的本征層,以增強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng)降低光致衰減。

二、工程實(shí)例

結(jié)合中節(jié)能孿井灘 10 MW p光伏并網(wǎng)發(fā)電工程中的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)(表 1～表 3),對(duì)比多晶硅與薄膜電池,綜合比較陣列占地面積、年發(fā)電量等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

該工程采用“分塊發(fā)電,集中并網(wǎng)”的總體設(shè)計(jì)方案。10MW p的光伏陣列可分為 10個(gè) 1.0 MW p的光伏方陣,組成 10個(gè) 1MW p并網(wǎng)發(fā)電單元,其中 230(29.5)多晶硅光伏組件 21 800塊,容量 5.014 MW p;460(218)非晶硅薄膜光伏組件 10 890塊,容量 5.009 4 MW p,光伏陣列的總?cè)萘繛?0.023 4MW p。本方案的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立安裝和調(diào)試,分系統(tǒng)上網(wǎng);也可以分期建設(shè)和進(jìn)行不同設(shè)備的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能評(píng)估。

表1 460W p非晶硅薄膜光伏組件主要參數(shù)

表 2 230W p多晶硅光伏組件主要參數(shù)

表 3 500 k W p逆變器主要參數(shù)

(一)主接線系統(tǒng)

選擇 1MW p作為 1個(gè)發(fā)電單元,電氣主接線非晶硅薄膜組件部分采用10臺(tái)500 kVA箱式升壓變并聯(lián)連接后接至35 kV集電線路,多晶硅組件部分采用 5臺(tái) 1 000 kVA箱式升壓變并聯(lián)連接后接至 35 kV集電線路。2回集電線路接入 35 kV母線。35 kV采用單母線接線。35 kV出線 1回接入系統(tǒng)35 kV側(cè)。

(二)發(fā)電單元接線

(1)460W p(218 V,2.11 A)非晶硅薄膜光伏組件共 5 MW p,每個(gè) 1 MW光伏發(fā)電單元共安裝2 178件 460 W p (218)光伏組件,每 3件光伏板組件串聯(lián)為一個(gè)電池串列,共 726個(gè),每 3個(gè)電池串列并接至 1個(gè)匯流盒,共 242個(gè)匯流盒,作為1個(gè)子陣列,各子陣列平均分配接入16個(gè)16進(jìn)1出的直流匯線箱,每 8個(gè)直流匯線箱接入 1面直流防雷配電柜,共 2面直流柜。每面直流防雷配電柜輸出平均分配接入1面 500 k W逆變器柜的 2個(gè) 250 k W通道,共 2面逆變器柜。逆變器輸出 290 V三相交流,2面逆變器柜接入 1面交流配電柜,每臺(tái)逆變器柜通過(guò)交流電纜連接到500 kVA箱變內(nèi)低壓側(cè)斷路器,箱變低壓側(cè)采用雙分裂繞組接線形式,共2面箱式變壓器。

(2)230 W p(29.5 V,7.8 A)多晶硅光伏組件共 5 MW p,每個(gè) 1MW光伏發(fā)電單元共安裝4 360件230W p(29. 5)光伏組件,每 20件光伏板組件串聯(lián)為一個(gè)支路,共 218個(gè)支路,各支路平均分配接入 20個(gè) 11進(jìn) 1出的直流匯線箱,每 10個(gè)直流匯線箱接入 1面直流防雷配電柜,共 2面直流柜。每面直流防雷配電柜輸出平均分配接入1面500 k W逆變器柜的 2個(gè) 250 k W通道,共 2面逆變器柜。逆變器輸出290 V三相交流,2面逆變器柜接入 1面交流配電柜,通過(guò)交流電纜分別連接到 1 000 kVA箱變內(nèi)各自的低壓側(cè)斷路器,箱變采用雙繞組變壓器。

(三)光伏陣列布置

1光伏方陣的方位角和安裝傾角的確定

綜合因素考慮方位角對(duì)陣列的影響,因?yàn)楣夥嚵谐蛘?即方陣垂直面與正南的夾角為 0°),光伏陣列在一年中獲得的發(fā)電量是最大的,所以基于固定式安裝經(jīng)驗(yàn)(北半球)考慮,該項(xiàng)目確定光伏組件方陣的方位角為 0°。通過(guò)確定多晶硅光伏組件陣列最佳傾角為 39°,薄膜光伏組件陣列最佳傾角為35°。

2.多晶硅陣列布置

單個(gè)支架方陣單元由 40塊光伏組件組成,按 2行 ×20列橫向放置。整個(gè)5MW p光伏陣列由545個(gè)方陣單元組成,每 109個(gè)方陣單元組成一個(gè)并網(wǎng)發(fā)電單元,單元容量為 1 002.8k W p,連接兩個(gè)并網(wǎng)逆變器,共用一臺(tái)箱式升壓變壓器,組成一個(gè)分系統(tǒng)。圖 1為一個(gè)支架單元的示意圖。

3.薄膜光伏組件陣列布置

單個(gè)支架方陣單元由 12塊和 6塊光伏組件組成,按 1行 ×12列 (181組)和 1行 ×6列 (1組)橫向放置。整個(gè) 5 MW p光伏陣列由 910個(gè)方陣支架單元組成,每 182個(gè)方陣單元組成一個(gè)并網(wǎng)發(fā)電單元,單元容量為 1 000.94 kW p,連接兩臺(tái)并網(wǎng)逆變器經(jīng)隔離變,共用兩臺(tái)箱式升壓變壓器,組成一個(gè)分系統(tǒng)。圖 2為一個(gè)支架單元的示意圖。

(四)發(fā)電量的估算

先輸入原始數(shù)據(jù) (表 4),再估算該電站發(fā)電量,得出結(jié)果:

圖 1 單元支架方陣面光伏組件布置的三視圖(多晶硅)

圖 2 單元支架方陣面光伏組件布置的三視圖(非晶硅薄膜)

表4 原始數(shù)據(jù)輸入

以上是經(jīng)軟件得出多晶硅、非晶硅薄膜光伏陣列的理論發(fā)電量,經(jīng)過(guò)修正,如果光伏組件效率按壽命期內(nèi)累計(jì)折損 20%,且每年衰減的百分比相同進(jìn)行計(jì)算,25年內(nèi)平均每年發(fā)電量為:

多晶硅(5MW p):年總發(fā)電量:7 533 004 k W h

非晶硅薄膜(5MW p):年總發(fā)電量:7 578 763 kW h。

三、綜合指標(biāo)的比較

綜合指標(biāo)參數(shù)的比較見(jiàn)表5。

從表5可以看出,非晶硅薄膜電池除了占地面積大之外(63 120.75 m2),它的價(jià)格約為多晶硅價(jià)格的一半,發(fā)電量比多晶硅多 45 759 kW h,年利用小時(shí)數(shù)略高多晶硅 10小時(shí)。而且非晶硅的能耗回收期約為 1～1.5年,而多晶硅需要兩年的時(shí)間。

綜合比較非晶 -微晶硅電池在MW p級(jí)光伏電站應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)高于多晶硅。若其價(jià)格能繼續(xù)下降,那么它的應(yīng)用前景廣泛。

表 5 綜合指標(biāo)參數(shù)比較

[1] 楊金煥,于化叢,葛亮.太陽(yáng)能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[2] 王長(zhǎng)貴,王斯成.太陽(yáng)能光伏發(fā)電實(shí)用技術(shù) [M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.

2010-09-26

張燕娜(1982—),女,華北電力大學(xué)碩士研究生,助理工程師。

(責(zé)任編輯 周江川)