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光伏组件选型

2015-01-13 12:32 作者:Andrew 来源:阳光工匠光伏网 已读 3832分享到:
简介:太阳光伏电池是把太阳的光能直接转化为电能的基本单元,电池通过组合形成电池组件,电池的光伏性能决定了电池组件的发电特性,电池组件是光伏电站的基本发电设备。 从第一块光伏电池问世到现在,太阳光伏发电技术不断发展,电池种类众多,性能各异。光伏发电系统太阳电池有多种类型,一般分为三类:晶体硅太阳电池、薄膜太...

太阳光伏电池是把太阳的光能直接转化为电能的基本单元,电池通过组合形成电池组件,电池的光伏性能决定了电池组件的发电特性,电池组件是光伏电站的基本发电设备。 从第一块光伏电池问世到现在,太阳光伏发电技术不断发展,电池种类众多,性能各异。光伏发电系统太阳电池有多种类型,一般分为三类:晶体硅太阳电池、薄膜太阳电池和聚光太阳电池。

1.晶体硅太阳电池

晶体硅太阳电池包括单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池、带状硅太阳电池、球状多晶硅太阳电池,而单晶硅和多晶硅电池是目前市场上的主流产品。 单晶硅太阳电池以高纯的单晶硅棒为原料,是当前开发很快的一种太阳能电池,它的结构和生产工艺已定型,产品已广泛用于空间和地面。为了降低生产成本,现在地面应用的太阳电池大多采用太阳能级的单晶硅棒,材料性能指标有所放宽,也可使用半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料,经过复拉制成太阳电池专用的单晶硅棒。 单晶硅太阳电池片的光电转换效率可达15%~18%,试验室中的转换效率甚至更高。单晶硅太阳电池的单体片制成后,经过抽查检验,即可按需要的规格组装成光伏电池组件,用串联和并联的方法构成一定的输出电压和电流,单晶硅光伏组件的转换效率一般在14~17%。虽然单晶硅太阳电池转换效率高,但由于原材料的原因,电池片存在倒角,使得有效发电面积减小。单晶硅光伏电池组件更适合于建设场地面积有限而对工程发电功率要求高的发电项目,即通过提高电池组件的效率来实现整个工程的发电容量。另外,根据试验室和工程中的测试数据,单晶硅太阳电池在工程投产的前期,功率衰减较多晶硅太阳能电池快。

多晶硅太阳电池使用的多晶硅材料,多半是含有大量单晶颗粒的集合体,或用废次单晶硅材料和冶金级硅材料熔化浇铸而成,然后注入石墨铸模中,待慢慢凝固冷却后,即得多晶硅锭。这种硅锭可铸成立方体,以便切片加工成方形太阳电池片,可提高材料利用率和方便组装。多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多,多晶硅太阳电池片的光电转换效率可达12%~17%,多晶硅太阳组件的转换效率一般在13%~16%,稍低于单晶硅太阳电池,但其材料制造简便,电耗低,总的生产成本较低,组件价格相对于单晶硅太阳电池组件便宜,因此得到广泛应用,尤其适合土地资源丰富地区的工程大面积应用。

 2.薄膜太阳电池

薄膜太阳电池包括硅薄膜太阳能电池(非晶硅、微晶硅、纳米晶硅等)、多元化合物薄膜太阳电池(硫化镉、硒铟铜、碲化镉、砷化镓、磷化铟、铜铟镓硒等)、染料敏化薄膜太阳能电池、有机薄膜太阳能电池等。 非晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅和多晶硅太阳能电池的制作方法完全不同,硅材料消耗很少,生产电耗更低,规模生产前景很好。非晶硅太阳能电池很薄,可以制成叠层式,或采用集成电路的方法制造,在一个平面上,用适当的掩模工艺,一次制作多个串联电池,以获得较高的电压。目前非晶硅太阳电池光电转换效率一般能达到10-12%,电池组件的系统效率一般为5%-8%。 多元化合物太阳能电池指不是用单一元素半导体材料制成的太阳电池。现在各国研究的品种繁多,除碲化镉、硒铟铜、铜铟镓硒薄膜太阳电池在国外有规模生产外,组件的效率在9%-12%,其他多数尚未形成产业化。 有机太阳电池以其材料来源广泛,制作成本低廉,耗能少,可弯曲,易于大规模生产等突出优势显示了其巨大开发潜力,但目前的光电转换效率较低,没有形成产业化。 染料敏化纳米薄膜太阳电池的性能主要是由纳米多孔TiO2薄膜、染料光敏化剂、电解质、反电极(光阴极)等几个主要部分决定的。通过优化电池各项关键技术和材料的性能,并通过小面积的系列实验和优化组合实验来检测各项参数对电池性能的影响,光电转换效率最高可达9%,没有形成产业化。

非晶薄膜太阳能电池除了薄膜厚度非常薄、只需少量的原料等因素而使得电池组件的价格较晶体硅太阳电池便宜外,其弱光发电性能和功率温度系数较晶体硅太阳电池好,相比晶体硅电池同等条件下可多发电。根据目前世界各国薄膜太阳能电池的应用情况来看,薄膜太阳电池为主流产品尤其在土地资源丰富地区的工程上得到了广泛应用。

 

 

3 聚光太阳能电池

聚光太阳能电池组件由聚光太阳能电池、聚光器、太阳光追踪器组成。 聚光太阳电池,与普通太阳电池略有不同,因需耐高倍率的太阳辐射,特别是在较高温度下的光电转换性能要得到保证,故在半导体材料选择、电池结构和栅线设计等方面都要进行一些特殊考虑。最理想的材料是砷化镓,其次是单晶硅材料。一般硅晶材料只能够吸收太阳光谱中400~1,100nm波长的能量,砷化镓可吸收较宽广的太阳光谱能量,三结面聚光型太阳电池可吸收300~1900nm波长的能量,相对其转换效率可大幅提升,其太阳能能量转换效率可达25%~35%。整个装置的转换效率为17%~25%。 聚光器将较大面积的阳光聚在一个较小的范围内,以增加光强,克服太阳辐射能流密度低的缺陷,把太阳能电池放置在这一位置,从而获得更多的电能输出。不过因聚光引起的温度上升会损伤太阳能电池单元及发电系统,因此往往必须要抑制聚光率才可以使聚光器的倍率大于几十,其结构可采用反射式或透镜式。 聚光太阳能电池必须要在位于透镜焦点附近时才能发挥功能,因此为使模块总是朝向太阳的方位,必须配置太阳追踪系统,聚光器的跟踪装置一般采用光电自动跟踪。此设计虽然可以提高转换效率,但却存在透镜、聚光发热释放槽(散热方式可采用气冷或水冷)以及太阳光追踪系统的重量及体积较大等不足的特点。 聚光装置可有效地减少硅晶体电池板的面积,从而降低电池片成本,但跟踪装置将会使得造价有所增加,加上运行阶段传动装置的维护费用和能耗,工程造价反而会增加,目前在小范围内有示范性应用。同时,聚光装置不能利用天空中的散射光能量,在散射辐射所占总辐射比例较高的地区不适合。

4 电池组件选型

世界各国研发出了多种太阳电池技术,部分尚处于小范围尝试阶段,未进入产业化大面积推广阶段,目前硅基材料的太阳能电池板占据市场的主流,单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池及非晶硅薄膜太阳能电池占整个光伏发电市场的90%以上,而非晶硅薄膜太阳能电池近年来的发展非常快。下面对三类5种太阳能电池组件进行比较。

表5-1 不同多晶硅电池组件组成的50MWp方阵的组件数量对比表

不同多晶硅电池组件组成的50MWp方阵的组件数量对比表


(1)多晶硅太阳能电池和单晶硅太阳能电池以其稳定的光伏性能和较高的转换效率,是光伏发电市场的绝对主流,在世界各地得到了广泛的应用,也是本光伏电站工程的首选电池设备,其国内的市场供应量非常充足。

 

同单晶硅太阳能电池相比,多晶硅太阳能电池转换效率稍低,但单瓦造价相对便宜,尤其是大功率组件价格要更便宜(采用大功率组件可以降低土建等费用,从而降低工程投资),适合建设项目用地比较充足、可大面积铺设的工程,而单晶硅太阳能电池更适合建设项目用地紧缺、更强调高转换效率的工程。

 

以1MWp为单元,采用固定安装方式对单晶硅太阳能电池方阵、多晶硅太阳能电池方阵进行投资比较(以逆变器为分界点,包括逆变器)。

计算说明:本次计算电池组件的价格采用估算价格,与工程概算章节采用价格不同,工程量依据土建、电气专业所提工程量,由于公用部分的配置基本相同,计算时不计入此部分投资,对比结果如下。

1MWp的多晶硅太阳能电池方阵组件投资450万,平均每瓦4.5元;1MWp的单晶硅太阳能电池方阵组件投资470万元,平均每瓦4.7元(注:以上价格根据2013年1月市场行情价格而取)。

另外,根据设备厂的资料,多晶硅太阳能电池在工程项目投运后电池的效率逐年衰减稳定,单晶硅太阳能电池投运后的前几年电池的效率逐年衰减稍快,以后逐年衰减稳定。

综合以上因素,推荐选用大功率多晶硅太阳能电池组件。

(2)薄膜太阳电池组件相对晶体硅太阳电池组件而言,太阳电池组件转换效率较低,建设占地面积大,但价格比晶体硅太阳电池组件便宜。我国大陆地区没有大规模性生产碲化镉薄膜太阳能电池组件、铜铟镓硒薄膜太阳电池组件厂商,产品采购主要依赖进口,且其产品价格比非晶硅薄膜太阳电池组件高。非晶硅薄膜太阳能电池组件比其他原料的薄膜太阳能电池组件的价格更低,适合在建设项目用地充足的工程大面积选用。根据本项目实际情况,本工程中不选用薄膜太阳能电池。

(3)聚光太阳能电池与晶硅、薄膜太阳能电池相比转换效率很高,但组件价格较贵及跟踪装置增加投资约5元/Wp,使得工程投资较高,运行维护量较大,主要在国外小范围示范性使用。由于组件旋转时互相之间不能遮挡使得组件之间的间距很大,占地面积要大得多,更适合于小规模分散布置使用。另外,聚光装置不能利用天空中的散射光能量,本工程的散射辐射量约占水平总辐射量的40%,因此不可利用太阳能资源较多,不建议在本工程中选用。

(4)选型结论:本光伏电站工程选用大功率多晶硅太阳能电池组件。

(5)多晶硅太阳能电池组件的选型

太阳能电池组件是太阳能光伏发电系统的核心部件,其各项参数指标的优劣直接影响着整个光伏发电系统的发电性能。太阳电池组件性能的各项参数为:标准测试条件下组件峰值功率、峰值电流、峰值电压、短路电流、开路电压、最大系统电压、组件效率、短路电流温度系数、开路电压温度系数、峰值功率温度系数、输出功率公差等。多晶硅太阳电池组件的功率规格较多,从5Wp到300Wp国内均有厂商生产,且产品应用也较为广泛。由于本工程系统装机容量为50MWp,选用的多晶硅太阳电池组件达50MWp,组件用量大,占地面积广,组件安装量大,所以设计优先选用单位面积功率大的电池组件,以减少占地面积,降低组件安装量。采用不同规格多晶硅电池组件组成50MWp电池方阵的组件用量比较,见下表。

表5-2 不同多晶硅电池组件组成的50MWp方阵的组件数量对比表

不同多晶硅电池组件组成的50MWp方阵的组件数量对比表


由上表比较可以得出: 采用250Wp组件和280Wp组件组成50MWp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,施工进度快;且故障机率减少,接触电阻小,线缆用量少,系统整体损耗相应降低。

另外,通过市场调查,国内主流厂商生产的多晶硅太阳能组件应用于大型并网光伏发电系统的,其规格大多数在150Wp到300Wp之间,在此区间范围内,市场占有率比较高的几家厂商所生产的多晶硅太阳能组件规格尤以200Wp到250Wp之间居多。综合考虑组件效率、技术成熟性、市场占有率,以及采购订货时的可选择余地,本工程推荐选用多晶硅太阳能组件规格为250Wp。

因各厂家生产的250Wp多晶硅电池组件尺寸及重量均差异不大,但组件效率有所差别,相应的价格也有区别。综合考虑组件的价格和效率,本工程初步设计阶段按250Wp型多晶硅电池组件考虑。

250Wp多晶硅电池组件各项性能指标如下:

表5-3 250Wp 多晶硅电池组件性能指标表

250Wp 多晶硅电池组件性能指标表
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