太阳能光伏电站电池组件设计选型车利军

　2012年10月内蒙古科技与经济Octo ber2012　第19期总第269期Inner M o ngo lia Science T echnolo gy&Economy N o.19T o tal N o.269太阳能光伏电站电池组件设计选型

车利军1,蒙丽琴2

(1.内蒙古电力勘测设计院;2.呼和浩特职业技术学院,内蒙古呼和浩特　010000)

摘　要:通过对太阳电池性能的分析比较,提出了太阳能光伏电站设计中关于电池组件的选型方法及对太阳能电池组件型号选择的指导意见,其目的是为了能更好地指导太阳能光伏电站的设计和建设。

关键词:太阳能;电池组件;选型

中图分类号:T M914.4 文献标识码:A 文章编号:1006—7981(2012)19—0115—02

当前在国内外大力发展新能源的良好形势下,太阳能作为取之不尽、用之不竭的清洁能源备受关注并加以利用。随着全球大型地面、屋顶太阳能光伏系统的广泛推广与应用,太阳能光伏发电在电力系统中成为必不可少的电源点之一。为了提高太阳能光伏发电的效益,保证太阳能光伏发电系统高效、安全、稳定的运行,合理选择太阳能电池组件就成为太阳能光伏发电系统中一个非常重要的环节。

目前在国内外太阳能电池市场飞速膨胀、新技术不断出现、电池效率不断提高、产量持续增长、生产规模不断扩大、太阳能电池组件成本不断降低的形势下,如何合理选择太阳能电池组件是太阳能光伏电站设计的重点。在太阳能光伏电站的设计中,太阳能电池组件应在技术成熟度高、运行可靠的前提下选择,优先选用行业内的主导太阳能电池组件类型,并且结合太阳能光伏电站周围的自然环境、施工条件、交通运输条件等因素。同时,应根据太阳能光伏电站所在地的太阳能资源状况和所选用的太阳能电池组件类型,计算太阳能光伏电站的年发电量,进行综合效益分析,选择综合指标最佳的太阳能电池组件。

1　太阳能电池类型

太阳能光伏电站系统中最核心的器件是太阳能电池,电池是收集太阳能量的基本单位,大量的太阳能电池按照一定的规则通过胶封、层压等适当方式封装构成一个太阳能电池发电器件,称为太阳能电池组件。

太阳电池按基本材料分类分为:晶体硅太阳电池(单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池、带状硅太阳电池、球状多晶硅太阳电池)、薄膜太阳电池(非晶硅薄膜太阳电池、微晶硅薄膜太阳电池、多晶硅薄膜太阳电池、纳米晶硅薄膜太阳电池)、硒光电池、化合物太阳电池(硫化镉太阳电池、硒铟铜太阳电池、碲化镉太阳电池、砷化镓太阳电池、磷化铟太阳电池)、燃料敏化太阳电池、有机薄膜太阳电池。

2　太阳能电池特性

目前国内外市场上生产和使用的太阳电池大多数是使用晶体硅材料,晶体硅太阳电池以较佳的性价比和成熟的技术占据了绝大多数的市场份额,是当今世界太阳电池的主流。非晶硅太阳电池效率比较低,稳定性不高,作为电力电源还未能大量推广。其他太阳电池与晶体硅太阳电池相比,无论是材料理论、器件研究,还是工艺过程,仍然处在积极发展阶段,最大的缺点是转换率较低、稳定性差、有污染。

2.1　晶体硅太阳电池

晶体硅仍是当前太阳电池的主流。

单晶硅太阳电池是最早出现、工艺最为成熟的太阳电池,也是大规模生产的硅基太阳电池中效率最高的。单晶硅太阳电池是将单晶硅进行切割、打磨制成单晶硅片,在单晶硅片上经过印刷电极、封装等流程制成的。大规模生产的单晶硅太阳电池转换效率可以达到13%～20%。由于采用了切割、打磨等工艺,会造成大量硅原料的损失。另外,受硅单晶棒形状的限制,单晶硅太阳电池必须做成圆形,这样对太阳电池组件的布置也有一定的影响。

多晶硅太阳电池的生产主要有两种方法,一种是通过浇铸、定向凝固的方法,制成多晶硅的晶锭,再经过切割、打磨等工艺制成多晶硅片,进一步印刷电极、封装,制成电池。浇铸方法制造多晶硅片不需要经过单晶拉制工艺,消耗能源较单晶硅电池少,并且形状不受限制,可以做成方便电池组件布置的方形。另一种方法是在单晶硅衬底上采用化学气相沉积(CVD)等工艺形成无序分布的非晶态硅膜,然后通过退火形成较大晶粒,以提高发电效率。多晶硅太阳电池的转换效率能够达到10%～18%。由于多晶硅硅片是由多个不同大小、不同取向的晶粒构成,因而多晶硅的转换效率要比单晶硅电池低,但是多晶硅制造成本比较低,所以近年来发展很快,已成为产量和市场占有率最高的太阳电池。

2.2　薄膜太阳电池和化合物太阳电池

目前商业化的薄膜太阳电池主要是非晶硅薄膜太阳电池,非晶硅薄膜太阳电池占据薄膜太阳电池市场的大部分份额。非晶硅太阳电池是在不同衬底上附着非晶态硅晶粒制成的,工艺简单,硅原料消耗少,衬底廉价,并且可以方便的制成薄膜,具有弱光性好,受高温影响小的特性。大规模生产的非晶硅薄膜太阳电池转换效率可以达到6%～11%。薄膜太阳电池转换效率低、稳定性差、使用寿命短、定型产品少,其售价比晶体硅产品昂贵很多。

目前商业化的化合物太阳电池主要是硒铟铜太

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收稿日期:2012-06-22

作者简介:车利军(1978-),男,大学本科,工程师,内蒙古电力勘测设计院设计总工程师,主要从事新能源设计。

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阳电池和碲化镉太阳电池,它们的厚度只有几微米。

化合物太阳电池的转换效率能够达到5%～8%。

2.3　单晶硅、多晶硅和薄膜太阳电池比较

目前,国内外生产应用最多的太阳电池是由单

晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池构成的晶体硅太阳

电池,其产量占到当前太阳电池总产量的90%左右。

晶体硅太阳电池工艺技术成熟,性能稳定可靠,光电

转换效率高,使用寿命长,已进入工业化大规模生

产。

单晶硅太阳电池的生产工艺最为成熟,在早期

一直占据最大的市场份额,但由于其生产过程耗能

较为严重,产能被逐渐削减。和单晶硅太阳电池相

比,多晶硅太阳电池虽然效率有所降低,但是从节约

能源、节省硅原料等方面综合考虑,具有广阔的市场

发展空间,经济环保型的多晶硅太阳电池有望替代

单晶硅太阳电池。多晶硅太阳电池的出现主要是为

了降低成本,其优点是能直接制备出适于规模化生

产的大尺寸方形硅锭,设备比较简单,制造过程省

电、节约硅材料,对材质要求也较低。

最近几年,非晶硅太阳电池的技术和产能发展

很快,但效率较晶体硅太阳电池仍有一定的差距,且

占地面积大、稳定性差。薄膜太阳电池转换效率低、

稳定性差和使用寿命短,真正定型的产品少。但由于

制造工艺相对简单,成本低,不需要高温过程,在弱

光条件下性能优于晶硅硅太阳电池,非晶硅薄膜太

阳电池所占市场份额逐步增加。

表1常用太阳电池比较表

种类

电池

类型实验

效率

商业效率优 点缺 点

晶硅单晶硅22.7%16%～20%效率高,技术成熟。原料成本高

电池多晶硅20.3%15%～18%效率较高,技术成熟。原料成本较高

薄膜

非晶硅12.8%8%～11%弱光效应好,成本相对较低。转化率相对较低电池

碲化镉16.4%5%～8%弱光效应好,成本相对较低。有毒,污染环境

硒铟铜19.5%5%～8%弱光效应好,成本相对较低。稀有金属

3　太阳能电池组件选型

太阳能电池组件按太阳电池的材料分类可分为:晶体硅太阳能电池组件和薄膜太阳能电池组件。根据前面对各种太阳电池特性的比较分析,单晶硅太阳电池由于在制造过程中能耗较高,在市场中所占比例逐渐下降;多晶硅太阳电池比非晶硅转换效率高且性能稳定,但是价格稍贵。随着高纯多晶硅产能近几年的扩张,多晶硅太阳能电池组件的成本进一步下降。因此,从转换效率、组件性能、设备初投资几方面综合考虑,工程设计中应采用环保经济型多晶硅太阳能电池组件。

随着技术水平的提高和生产工艺的完善,太阳能电池组件的功率也在不断提高,其发电效率明显提高。目前,国内生产的光伏组件的最大功率为280Wp。通过市场调查,国内主流厂商生产的应用于大型并网光伏发电系统的多晶硅太阳能电池组件其规格多数在150Wp～280Wp之间,在这个区间范围内,市场占有率比较高的几家厂商所生产的并网型多晶硅太阳能电池组件规格以200W p～240Wp之间居多。下表通过采用不同规格太阳能电池组件组成一个20M Wp光伏电站进行比较分析,提出多晶硅太阳能电池组件规格的合理选型。

表2　20M Wp太阳能光伏电站不同规格电池组件用量比较

参数

方案方案一方案二方案三组件峰值功率(W p)175230280串联数量(块)262017

1M Wp子方阵并联数量(路)232218220

1M Wp子方阵组件数量(块)603243603740

20M W p方阵组件数量(块)1206408720074800

由表2比较可以得出采用230Wp组件和280Wp 组件组成20MWp光伏阵列所使用的组件数量均较少。组件数量少意味着组件间连接点少,缆线用量少,施工进度快,且故障率低,可靠性高,接触电阻小,系统整体损耗相应降低,利于安全稳定运行。

综合太阳能电池组件转换效率、技术水平、生产工艺成熟度、市场占有率等因素,对于大型并网光伏电站,在目前条件下优先选用规格为230Wp多晶硅太阳能电池组件是合理的,将有助于提高工程经济效益,利于工程安全、可靠、稳定运行。

当然,对于大型并网光伏电站太阳能电池组件的选型,尚应结合工程的具体情况,进行相应的技术经济比较分析,最终确定适合于本光伏电站的最佳电池组件选型。

下面总结一下太阳能光伏电站电池组件设计选型的主要过程: 通过对各种太阳电池性能的了解分析,确定太阳电池类型; 对于已确定的太阳电池类型,应根据目前市场上该类产品的技术性能、市场占有率、生产情况等因素确定太阳能电池组件规格; 结合工程实际条件对已经确定的太阳能电池组件进行技术经济比较,最终确定适于该太阳能光伏电站的技术合理、经济效益显著的太阳能电池组件型号。

4　结论

目前,随着我国兆瓦级太阳能光伏发电项目的加快发展,太阳能电池组件生产厂家也努力将电池组件的功率向大功率提高发展,由以前160Wp、165Wp、175Wp转向230Wp,甚至在270Wp、280Wp 上突破发展。与国外同行业技术发展相比,中国太阳能电池组件生产的技术水平低,向高功率发展的生产工艺还需进一步成熟,技术水平还需进一步提高。相对而言,230Wp系列(包括238Wp)太阳能电池组件产品保质期可达20年～25年,230Wp系列(包括238Wp)太阳能电池组件产品经过各种可靠性实验测试,恶劣的环境下仍然保持高效率。

因此,太阳能光伏电站设计中选取制作工艺比较完善成熟的230Wp系列(包括238Wp)太阳能电池组件产品在技术上是可行的,目前也是先进的、较为理想的太阳能电池组件产品。

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