吳一民 殷新建

摘要：鑒于光伏水面電站可以充分利用我國充足的水面資源，并有效緩解土地、屋頂資源短缺形勢(shì)，同時(shí)具備促進(jìn)生態(tài)健康、提高發(fā)電水平、利于就近消納等優(yōu)點(diǎn)，因此成為極具前景的太陽能光伏發(fā)電新興應(yīng)用領(lǐng)域。本文結(jié)合碲化鎘薄膜發(fā)電玻璃固有的產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)、產(chǎn)能優(yōu)勢(shì)等，探討了碲化鎘薄膜發(fā)電玻璃在光伏水面電站上的應(yīng)用可能和發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：新能源 光伏水面電站 碲化鎘薄膜發(fā)電玻璃 雙玻組件

1引言

近年來，日益加劇的能源危機(jī)、環(huán)境污染和氣候變化已經(jīng)引起全社會(huì)的高度重視。調(diào)整能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，提高可再生能源應(yīng)用比例已經(jīng)成為全社會(huì)的共識(shí)，全球多個(gè)國家均把發(fā)展可再生能源作為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要方式。對(duì)我國而言，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，目前最重要的任務(wù)同樣是實(shí)現(xiàn)能源體系的低碳轉(zhuǎn)型，將碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和能源革命目標(biāo)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)綠色、低碳、循環(huán)的高質(zhì)量協(xié)同發(fā)展。

據(jù)預(yù)測(cè)，太陽能光伏發(fā)電在 21 世紀(jì)會(huì)占據(jù)世界能源消費(fèi)的重要席位，到2030年，可再生能源在總能源結(jié)構(gòu)中將占到 30%以上，而太陽能光伏發(fā)電在世界總電力供應(yīng)中的占比也將達(dá)到 10% 以上; 到 21 世紀(jì)末，可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中將占到 80% 以上，太陽能發(fā)電將占到 60% 以上。[1]這些數(shù)字足以顯示出太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景及其在能源領(lǐng)域重要的戰(zhàn)略地位。

其中光伏水面電站作為一個(gè)極具前景的光伏發(fā)電新興應(yīng)用領(lǐng)域，已被國際社會(huì)廣泛認(rèn)可并積極推廣。因光伏水面電站具有可以充分利用閑置水面資源、緩解土地及屋頂?shù)认∪辟Y源利用形式緊張;減少水量蒸發(fā)、促進(jìn)生態(tài)環(huán)境健康;可建設(shè)在用電負(fù)荷中心以利于就近消納;同時(shí)能夠充分利用水面對(duì)組件板的冷卻效應(yīng)及水面反射的二次光能，提高組件發(fā)電量等突出優(yōu)點(diǎn)，成為了極具前景的光伏發(fā)展新模式。

同時(shí)在硅材料成本居高不下、能源回收周期較長(zhǎng)的背景下，作為新興的第二代薄膜太陽能電池，碲化鎘薄膜發(fā)電玻璃以其最低的生產(chǎn)成本，優(yōu)異的發(fā)電性能等優(yōu)勢(shì)在近幾年脫穎而出，成為薄膜太陽能電池領(lǐng)域的領(lǐng)先技術(shù)并取得了極好的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展。本文結(jié)合光伏水面電站發(fā)展前景、技術(shù)要求，探討了碲化鎘薄膜發(fā)電玻璃在光伏水面電站上的應(yīng)用可能和前景。

2分布式水面光伏的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展前景

根據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會(huì)對(duì)2011-2025年我國光伏新增容量的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，自2020年以來將迎來我國光伏裝機(jī)容量的線性增長(zhǎng)。十四五期間年均光伏新增容量規(guī)模為70～90GW。2020年我國光伏集中式、戶用和分布式工商業(yè)裝機(jī)容量分別為32.7GW、10GW和5.5GW，其中光伏集中式電站對(duì)土地需求約為66萬畝;5.5GW的工商業(yè)分布式裝機(jī)容量約需屋頂面積8250萬平;目前，光伏發(fā)電市場(chǎng)已進(jìn)入到了飛速發(fā)展的時(shí)代，但隨著光伏裝機(jī)量的持續(xù)增長(zhǎng)，土地、屋頂資源正在成為制約光伏規(guī)?；l(fā)展的關(guān)鍵因素之一。

在此背景下，潛在資源的探索利用成為光伏技術(shù)和應(yīng)用模式的重要研究方向。近年來，除了與建筑有機(jī)結(jié)合的光伏建筑一體化（BIPV）領(lǐng)域的深入研究探索之外，光伏水面電站作為光伏發(fā)電的新形式，已被廣泛認(rèn)可并積極推廣。光伏水面電站是指在水塘、湖泊、水庫等水上建立的光伏電站。以日本、韓國、巴西、英國為代表的國家，走在了水上光伏的前列。[2]

以漂浮式光伏水面電站為例，截至2018年，全球漂浮式光伏電站總裝機(jī)容量約為1.1GW，若全球1%的可利用水面用來建設(shè)漂浮式光伏電站，總裝機(jī)容量將高達(dá)404GW，發(fā)展?jié)摿κ志薮?。且根?jù)相關(guān)數(shù)據(jù)測(cè)算，一般情況下，雖然水上光伏電站建設(shè)成本比地面電站約高5%～12%，但結(jié)合發(fā)電量增益，水上電站已具備同地面電站競(jìng)爭(zhēng)的條件。我國水資源豐富，湖泊、水庫、近海岸線眾多。目前國內(nèi)的漂浮電站在內(nèi)陸水體上的主要技術(shù)難題已經(jīng)解決，在諸如近海水域、嚴(yán)重污染性水體和超低溫水面等苛刻的環(huán)境下的應(yīng)用研究也穩(wěn)步推進(jìn)。在我國可利用水面資源方面，據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國有8.6萬座水庫，總庫容6924*108立方米，全國水庫水面總面積25619千公頃;中國湖泊資源總面積9.1萬平方公里，面積1千平方米以上的有2700多個(gè);我國大陸海岸線總長(zhǎng)度達(dá)1.8萬公里，可利用海域面積超過300萬平方公里。發(fā)展光伏水面電站的資源與技術(shù)條件已然具備，大規(guī)模發(fā)展光伏水面電站具有非常可觀的發(fā)展前景。[3]

近年來我國水上光伏電站將逐步從示范階段邁入大規(guī)模應(yīng)用階段并逐漸領(lǐng)跑國際水面光伏建設(shè)。自2015年底我國首座水面漂浮式光伏發(fā)電站試驗(yàn)項(xiàng)目在湖北省棗陽市熊河水庫建成投產(chǎn)，標(biāo)志著我國的水上漂浮光伏電站正式起步以來，我國已陸續(xù)在江蘇、安徽、廣西等多地建設(shè)有光伏水面電站。[4]2021年5月，德州丁莊華能光伏電站一期100兆瓦項(xiàng)目今天并網(wǎng)發(fā)電，這是全球單體最大的水面漂浮式光伏電站，該水上光伏發(fā)電項(xiàng)目規(guī)劃總裝機(jī)容量320兆瓦，項(xiàng)目全部建成后，每年可提供清潔能源4.2億千瓦時(shí)，節(jié)約標(biāo)煤20.5萬噸，節(jié)能減排效益顯著。

3分布式光伏水面電站解決方案

光伏水面電站按基礎(chǔ)形式可分為樁基（樁柱式基礎(chǔ)） 固定電站和水面漂浮電站兩種。其具體形式的選擇一般可由水深初步?jīng)Q定。淺水區(qū)（水深小于3m）可采用樁基固定方式;深水區(qū) （水深大于3m，徑流穩(wěn)定，水位變化一般小于6 m，水深基本一致） 可采用水面漂浮方式。[5]

樁基固定電站與傳統(tǒng)的光伏支架類似，在水下固定樁基，組件支撐于支架上，支架固定于樁上，生產(chǎn)成本較高，施工難度較大，僅適用于水域較淺的地方，故裝機(jī)規(guī)模與發(fā)展?jié)摿κ艿捷^大制約。水面漂浮電站是在水面上設(shè)置漂浮模塊，利用塑料浮體的浮力承受光伏組件及相關(guān)設(shè)備的重量，將光伏組件直接固定在模塊上，或?qū)⒐夥M件固定于支架上，再將支架固定在模塊上，浮體固定于岸邊或水底，對(duì)于各種水域的適應(yīng)性較強(qiáng)。[6]大型水上光伏電站主要采用水面漂浮電站模式。

漂浮式光伏水面電站的技術(shù)要點(diǎn)主要包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)、浮體產(chǎn)品與材料、浮體結(jié)構(gòu)與方陣、錨固系統(tǒng)等，由于并網(wǎng)規(guī)模大，后期運(yùn)維難度大，環(huán)境潮濕，加劇組件PID及設(shè)備腐蝕等特點(diǎn)及挑戰(zhàn)，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，各環(huán)節(jié)均需根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行詳細(xì)測(cè)算、模擬、設(shè)計(jì)。具體技術(shù)要點(diǎn)可見下表1。

光伏水面電站行業(yè)的國內(nèi)各領(lǐng)軍企業(yè)，不斷在浮體安裝、系統(tǒng)排布、錨固系統(tǒng)等方面作出相關(guān)設(shè)計(jì)優(yōu)化，并提出大型光伏水面電站智慧解決方案。例如陽光電源的水面光伏專用智能匯流箱+箱式逆變房的整體方案等，較好地解決了大型光伏水面電站所面臨的挑戰(zhàn)。本文主要針對(duì)光伏水面電站對(duì)光伏組件的要求進(jìn)行探討。

水上光伏項(xiàng)目的特殊環(huán)境使其對(duì)光伏組件有著嚴(yán)格的要求，傳統(tǒng)組件的背板采用的是有機(jī)復(fù)合材料，易受自然環(huán)境因子的侵蝕，透過背板的水汽使劣質(zhì)的 EVA 樹脂很快分解析出醋酸，而導(dǎo)致組件內(nèi)部發(fā)生電化學(xué)腐蝕，增加了出現(xiàn) PID 衰減的概率。因此散熱快、溫差小、耐腐蝕、抗潮濕的雙玻組件脫穎而出。雙玻組件背板采用強(qiáng)化玻璃，光線照射下也不會(huì)產(chǎn)生黃變，并且玻璃本身硬度高，不易受風(fēng)沙的磨損，也不會(huì)被酸、堿、鹽、霧、水汽等因素侵蝕，基本接近零透水率，無鋁邊框、抗PID、耐腐蝕這些特點(diǎn)都使雙玻組件更加與水面光伏特殊性契合。

4碲化鎘薄膜發(fā)電玻璃

碲化鎘薄膜發(fā)電玻璃即是標(biāo)準(zhǔn)的雙玻組件。它是以直接帶隙II-VI族半導(dǎo)體CdTe為光吸收層的一種薄膜化合物太陽能電池，禁帶寬度約為1.45eV，光吸收系數(shù)高，1μm厚的CdTe薄膜足以吸收99%波長(zhǎng)小于900nm的紫外光、可見光及近紅外光，激發(fā)產(chǎn)生光生載流子，有很高的光電轉(zhuǎn)換效率和較低的成本。

在國際市場(chǎng)硅原材料持續(xù)緊張，硅片生產(chǎn)成本居高不下的背景下，薄膜太陽電池已成為國際光伏市場(chǎng)發(fā)展的新趨勢(shì)和新熱點(diǎn)。薄膜太陽能電池膜層厚度僅為傳統(tǒng)硅電池片厚度百分之一，通過在玻璃、金屬、塑料等多種價(jià)格低廉的材料表面沉積就可以實(shí)現(xiàn)太陽能發(fā)電的目標(biāo)，后發(fā)優(yōu)勢(shì)逐漸明顯。其中，利用碲化鎘（CdTe）薄膜太陽能電池技術(shù)與玻璃結(jié)合制備的碲化鎘發(fā)電玻璃，其以柔、薄、輕、透的質(zhì)地，以及弱光響應(yīng)性強(qiáng)、高溫下相對(duì)性能好等優(yōu)點(diǎn)，成為目前產(chǎn)業(yè)化成果最優(yōu)和產(chǎn)業(yè)前景最好的薄膜太陽能電池。在降低建筑能耗及成本、減少二氧化碳排放、緩解建筑電力需求等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。2019年，碲化鎘“發(fā)電玻璃”入選工信部頒布的《重點(diǎn)新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄（2019年版）》。長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，碲化鎘薄膜發(fā)電玻璃的應(yīng)用對(duì)于推動(dòng)我國新材料、新能源、節(jié)能環(huán)保等戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)進(jìn)步具有重要意義，結(jié)合其自身特點(diǎn)及客觀需求，探究其如何在分布式電站、建筑光伏一體化、光伏水面電站等盡可能多的領(lǐng)域得到應(yīng)用并發(fā)揮優(yōu)勢(shì)是一個(gè)重要課題。

4.1碲化鎘薄膜發(fā)電玻璃的產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)

薄膜太陽能電池以銅銦鎵硒、碲化鎘、非晶硅薄膜太陽能電池為代表，特點(diǎn)是核心半導(dǎo)體材料具有很高的太陽光吸收率，因此消耗的材料較少，并且工藝較簡(jiǎn)單。碲化鎘薄膜發(fā)電玻璃有如下特點(diǎn)：

1、溫度系數(shù)低

CdTe電池的溫度系數(shù)一般在-0.28%/℃以下，而晶硅主流產(chǎn)品的溫度系數(shù)一般在-0.34%/℃以上，在炎熱的夏季，太陽能電池工作溫度達(dá)60℃以上，碲化鎘薄膜發(fā)電玻璃比晶硅電池多10～12%，因此碲化鎘薄膜發(fā)電玻璃更適合安裝在炎熱、干燥的沙漠地帶。全年累積發(fā)電量比較，CdTe比晶硅多發(fā)電3～8%。

2、弱光效應(yīng)好

碲化鎘薄膜發(fā)電玻璃具有良好的弱光效應(yīng)，在陰天和早晚等弱光條件下也能發(fā)電。

3、光吸收能力強(qiáng)

碲化鎘的禁帶寬度一般為1.45eV，碲化鎘的光譜響應(yīng)和太陽光譜非常匹配，可吸收95%以上的陽光。

4、抗遮擋能力強(qiáng)

太陽能電池必須在產(chǎn)品內(nèi)部進(jìn)行串聯(lián)才能實(shí)現(xiàn)電壓的提升，從而實(shí)現(xiàn)電能的有效輸出。但是串聯(lián)結(jié)構(gòu)會(huì)因?yàn)榫植康恼趽踉斐烧趽鯀^(qū)域無有效發(fā)電，從而降低整個(gè)串聯(lián)結(jié)構(gòu)上的功率，遮擋面積過大時(shí)甚至無功率輸出。CdTe電池的抗遮擋性能優(yōu)于晶硅，原因有：（1）電池內(nèi)聯(lián)結(jié)構(gòu)優(yōu)于晶體硅。晶硅是單片硅片串聯(lián)，小面積遮擋就容易導(dǎo)致整串失效，而CdTe電池內(nèi)部既有串聯(lián)也有并聯(lián)，小面積遮擋很難引起整個(gè)子電池失效，整個(gè)組件和組串不容易失效。（2）電池一致性優(yōu)于晶體硅。CdTe是一次性成膜，在整個(gè)組件上膜層質(zhì)量均勻性遠(yuǎn)優(yōu)于晶體硅電池片與片之間的均勻性，串聯(lián)的短板效應(yīng)非常小。（3）電流密度低于晶硅。碲化鎘發(fā)電玻璃的電流密度比晶硅小得多，陰影遮擋后電流、電壓的下降比例比晶硅小，且遮擋處的發(fā)熱量遠(yuǎn)小于晶硅，不會(huì)像晶硅一樣因?yàn)闊岚咝?yīng)形成隱裂，甚至導(dǎo)致組件破裂或起火。因此在有少量遮擋情況下，發(fā)電玻璃的安全性和發(fā)電量都是遠(yuǎn)高于晶體硅的，更適宜應(yīng)用在復(fù)雜環(huán)境。如圖2所示，根據(jù)中國建材集團(tuán)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在5%-50%遮擋面積范圍內(nèi)，碲化鎘發(fā)電玻璃發(fā)電量要優(yōu)于晶硅電池;當(dāng)遮擋9%時(shí)，晶硅已無法發(fā)電，而碲化鎘發(fā)電玻璃依然有37%的功率輸出。

5、抗潮濕、抗PID性能強(qiáng)

PID效應(yīng)現(xiàn)象最容易在潮濕的條件下發(fā)生，且其活躍程度與潮濕程度相關(guān)，同時(shí)組件表面被導(dǎo)電性、酸性、堿性以及帶有離子的物體的污染程度，也會(huì)造成組件效率衰減現(xiàn)象。而碲化鎘薄膜發(fā)電玻璃為標(biāo)準(zhǔn)雙玻組件，有效避免了傳統(tǒng)組件有機(jī)復(fù)合材料背板易受自然環(huán)境因子的侵蝕的特性，且玻璃本身硬度高，抗風(fēng)沙、抗酸堿等性能優(yōu)越;同時(shí)利用PVB、丁基膠等有機(jī)材料進(jìn)行層壓封裝，有效避免水汽侵?jǐn)_，基本接近零透水率;無鋁邊框、耐腐蝕等特點(diǎn)也有效避免了電勢(shì)誘導(dǎo)衰減，使雙玻組件更適用于光伏水面電站。

5、能源回收周期短

晶硅太陽能電池的能源回收期為3～4年，而碲化鎘薄膜發(fā)電玻璃為1～2年。

6、適用于光伏建筑一體化

由于碲化鎘薄膜發(fā)電玻璃具有外觀美觀、整體性好、輕量化等優(yōu)點(diǎn)，除適用于大規(guī)模的地面電站外，還可使發(fā)電系統(tǒng)實(shí)用性與建筑物形態(tài)美實(shí)現(xiàn)完美結(jié)合，更適合于光伏建筑一體化的應(yīng)用。

與晶硅太陽能電池相比，目前薄膜發(fā)電玻璃組件轉(zhuǎn)換效率略低，然而由于碲化鎘發(fā)電玻璃具有弱光效應(yīng)好、溫度系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用過程中系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率更高，優(yōu)勢(shì)更加明顯。下表為碲化鎘薄膜發(fā)電玻璃與其它太陽能電池優(yōu)勢(shì)對(duì)比表。

4.2碲化鎘發(fā)電玻璃的產(chǎn)能優(yōu)勢(shì)

在國際市場(chǎng)方面，目前世界上最大規(guī)模量產(chǎn)碲化鎘薄膜發(fā)電玻璃的生產(chǎn)商是美國First Solar，目前產(chǎn)能達(dá)到8GW，實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)化效率22.1%，最好的生產(chǎn)線可實(shí)現(xiàn)約18%的轉(zhuǎn)換效率，全年所有生產(chǎn)線上的平均轉(zhuǎn)換效率可達(dá)17.4%，制造成本約為0.44$/Wp。目前，F(xiàn)irst Solar的碲化鎘薄膜太陽能電池占據(jù)了美國地面大型電站的主要市場(chǎng)份額，并在印度、中東、歐盟等光伏應(yīng)用重點(diǎn)區(qū)域繼續(xù)保持優(yōu)勢(shì)地位。

在國內(nèi)市場(chǎng)方面，目前我國能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)碲化鎘薄膜發(fā)電玻璃產(chǎn)品的企業(yè)主要有中國建材集團(tuán)、龍焱能源科技（杭州）有限公司和中山瑞科新能源有限公司。龍焱能源科技（杭州）有限公司和中山瑞科新能源有限公司年產(chǎn)能分別為40MW及80MW，產(chǎn)品尺寸為1200 mm×600 mm，均有后期產(chǎn)線建設(shè)規(guī)劃。中國建材集團(tuán)目前實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)化效率達(dá)到20.24%，產(chǎn)品面積為1.92 ㎡，轉(zhuǎn)化效率為15.8%。該套生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)在成都和邯鄲投產(chǎn)并分別達(dá)到100MW產(chǎn)能，同時(shí)在佳木斯、株洲、瑞昌、雅安、濮陽、定西等地?cái)U(kuò)建新產(chǎn)線。經(jīng)過上述企業(yè)的積極研發(fā)布局，未來3～5年內(nèi)將形成3～5GW產(chǎn)能，隨著核心技術(shù)工藝、核心原材料、產(chǎn)品成本、生產(chǎn)規(guī)模、產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)劃等優(yōu)勢(shì)的逐步建立，國內(nèi)碲化鎘薄膜發(fā)電玻璃事業(yè)將迎來進(jìn)一步高速發(fā)展，并為BIPV、分布式光伏地面、水面電站等提供強(qiáng)有力的支撐。[7]

5結(jié)語

光伏水面電站作為太陽能利用的有效形式，可以在高效利用水面資源的同時(shí)，極大地減少煤耗以及污染氣體的排放，促進(jìn)碳達(dá)峰、碳中和愿景實(shí)現(xiàn)，其節(jié)能減排的力度和意義對(duì)于整個(gè)社會(huì)非常重大，是建設(shè)資源節(jié)約、環(huán)境友好社會(huì)的有效途徑。而碲化鎘薄膜發(fā)電玻璃固有的優(yōu)異性能及其特有的雙玻結(jié)構(gòu)，對(duì)光伏水面電站有著良好的適配性。將二者有機(jī)結(jié)合，探索并發(fā)展碲化鎘薄膜發(fā)電玻璃在光伏水面電站上的應(yīng)用將有著廣闊的市場(chǎng)前景。

未來幾年進(jìn)一步推進(jìn)技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化、不斷提升產(chǎn)業(yè)規(guī)模，形成規(guī)模效應(yīng)，降低生產(chǎn)成本，將是我國碲化鎘薄膜發(fā)電玻璃產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)任務(wù)，也將是其在光伏水面電站方向應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。

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