非晶硅薄膜電池在MWP級光伏電站的應(yīng)用

張燕娜

(內(nèi)蒙古電力勘測設(shè)計院,呼和浩特 010020)

非晶硅薄膜電池在MWP級光伏電站的應(yīng)用

張燕娜

(內(nèi)蒙古電力勘測設(shè)計院,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,通過設(shè)計計算,對比多晶硅,綜合考慮組件價格,陣列占地面積,年發(fā)電量等經(jīng)濟指標得出,非晶硅薄膜電池在MW P級光伏電站的應(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實驗室的 CarlsonD.E.和W ronski C.R.利用氫化非晶硅 (a-si:H)制作出第一個非晶硅太陽電池。從此,氫化非晶硅作為一種制作太陽能電池的新型材料開始受到廣泛的重視。經(jīng)過 20世紀 80年代的研發(fā),非晶硅太陽電池的轉(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%以下的非晶硅太陽電池組件成為主流。20世紀 90年代,為解決轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性問題,疊層非晶硅太陽電池得到了發(fā)展,1m2以下,效率 6%左右的非晶硅太陽電池組件成為主流。21世紀初,美國(如Uni-so lar),日本(如 Kaneka,MH I)的一些非晶硅太陽電池企業(yè)開發(fā)非晶硅/微晶硅,非晶硅、非晶硅鍺疊層太陽電池,已將單一組件面積超過 1 m2,轉(zhuǎn)化效率 7%的非晶硅太陽電池投入市場。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)雜的半導體材料,許多性質(zhì)還有待研究認識,相關(guān)的理論也正在豐富完善,雖然非晶硅太陽電池的研究與發(fā)展成果斐然,但與晶體硅太陽電池相比,無論是材料理論,器件研究,還是工藝過程,仍處在積極發(fā)展階段。

一、非晶硅薄膜電池及其特點

非晶硅薄膜電池制造的原材料豐富,生產(chǎn)過程無毒,能耗低,無污染,對生態(tài)環(huán)境不會造成不利影響。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電池相比,除了成本遠遠低于晶體硅太陽電池,還具有以下優(yōu)點:一是制造過程消耗電力少,能量償還時間短。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。晶體硅太陽電池能量償還時間 2～3年,而非晶硅太陽電池只有 1～1.5年。二是電池互連。實用的集成型薄膜太陽電池已經(jīng)在工藝中實現(xiàn)了電池互連,使輸出電壓增高,避免了晶體硅太陽電池組件封裝互連引起的可靠性等問題。其溫度系數(shù)低,因而季節(jié)的變化不會影響其轉(zhuǎn)化效率。同時,由于光譜響應(yīng)范圍寬,與相同功率的晶體硅太陽電池相比,其發(fā)電量大約可增加 10%。但是非晶硅太陽電池也存在缺點,非晶硅太陽電池的最大缺點是轉(zhuǎn)化效率較低,且因光致衰弱影響,其效率會隨著時間增加而逐漸降低。對于這些問題的解決現(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;改進電池結(jié)構(gòu);使用更薄的本征層,以增強內(nèi)電場降低光致衰減。

二、工程實例

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)計數(shù)據(jù)(表 1～表 3),對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)濟指標。

該工程采用“分塊發(fā)電,集中并網(wǎng)”的總體設(shè)計方案。10MW p的光伏陣列可分為 10個 1.0 MW p的光伏方陣,組成 10個 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)點是可以實現(xiàn)獨立安裝和調(diào)試,分系統(tǒng)上網(wǎng);也可以分期建設(shè)和進行不同設(shè)備的技術(shù)經(jīng)濟性能評估。

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個發(fā)電單元,電氣主接線非晶硅薄膜組件部分采用10臺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 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 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)為一個電池串列,共 726個,每 3個電池串列并接至 1個匯流盒,共 242個匯流盒,作為1個子陣列,各子陣列平均分配接入16個16進1出的直流匯線箱,每 8個直流匯線箱接入 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 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,每臺逆變器柜通過交流電纜連接到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 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)為一個支路,共 218個支路,各支路平均分配接入 20個 11進 1出的直流匯線箱,每 10個直流匯線箱接入 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 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陣列的影響,因為光伏陣列朝向正南(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(北半球)考慮,該項目確定光伏組件方陣的方位角為 0°。通過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5MW p光伏陣列由545個方陣單元組成,每 109個方陣單元組成一個并網(wǎng)發(fā)電單元,單元容量為 1 002.8k W p,連接兩個并網(wǎng)逆變器,共用一臺箱式升壓變壓器,組成一個分系統(tǒng)。圖 1為一個支架單元的示意圖。

3.薄膜光伏組件陣列布置

單個支架方陣單元由 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 5 MW p光伏陣列由 910個方陣支架單元組成,每 182個方陣單元組成一個并網(wǎng)發(fā)電單元,單元容量為 1 000.94 kW p,連接兩臺并網(wǎng)逆變器經(jīng)隔離變,共用兩臺箱式升壓變壓器,組成一個分系統(tǒng)。圖 2為一個支架單元的示意圖。

(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)過修正,如果光伏組件效率按壽命期內(nèi)累計折損 20%,且每年衰減的百分比相同進行計算,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、綜合指標的比較

綜合指標參數(shù)的比較見表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),它的價格約為多晶硅價格的一半,發(fā)電量比多晶硅多 45 759 kW h,年利用小時數(shù)略高多晶硅 10小時。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間。

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

表 5 綜合指標參數(shù)比較

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

[2] 王長貴,王斯成.太陽能光伏發(fā)電實用技術(shù) [M].北京:化學工業(yè)出版社,2009.

2010-09-26

張燕娜(1982—),女,華北電力大學碩士研究生,助理工程師。

(責任編輯 周江川)