薄膜太陽能電池在荒漠電站的應(yīng)用前景分析

寇建玉，張燕娜

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

我國是一個(gè)能源相對匱乏的國家，太陽能是取之不盡、用之不竭的清潔能源，發(fā)展太陽能可以降低一次能源消耗、保護(hù)環(huán)境，最大限度的實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。近年來，我國在太陽能光伏發(fā)電領(lǐng)域發(fā)展迅速，截至2009年底，光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到300.3MWp，2009年當(dāng)年的裝機(jī)容量較上一年增加近300%。

1 太陽能電池

目前，世界上已經(jīng)商業(yè)化并開始規(guī)?；茝V應(yīng)用的太陽能電池有晶硅電池和薄膜電池，晶硅電池包括單晶硅和多晶硅電池，薄膜電池基本上可分為非/微晶硅薄膜電池、銅銦鎵硒(CIGS)薄膜電池和碲化鎘(CdTe)薄膜電池三種。晶硅電池光電轉(zhuǎn)換效率高、技術(shù)成熟，是目前太陽能光伏電池的主流產(chǎn)品，占整個(gè)光伏電池市場份額的80%以上，尤以多晶硅電池的應(yīng)用最為廣泛。但晶體硅的生產(chǎn)成本和生產(chǎn)能耗相對較高，價(jià)格也較高。CIGS薄膜電池和CdTe薄膜電池中包含稀有元素，可獲取性較低，非晶硅薄膜電池原材料易得、光電轉(zhuǎn)換效率相對較低，但弱光響應(yīng)相對較好，生產(chǎn)成本和生產(chǎn)能耗均遠(yuǎn)低于晶硅電池，最近一兩年發(fā)展勢頭強(qiáng)勁。太陽能電池分類見表1。

表1 太陽能電池分類

2 非晶硅/微晶硅薄膜電池

非晶硅薄膜太陽能電池是一種以非晶硅化合物為基本組成的薄膜太陽能電池，光電轉(zhuǎn)換效率較低而且隨光照時(shí)間的延續(xù)衰減較快；隨著科技發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，疊層太陽能電池技術(shù)解決了非晶硅薄膜電池的光電轉(zhuǎn)換效率低和光致衰退效應(yīng)快的問題。非晶硅/微晶硅雙結(jié)疊層太陽能電池就是疊層技術(shù)的一種很好的應(yīng)用實(shí)例，拓展了光譜的響應(yīng)范圍，提高光電轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)減小了光致衰退效應(yīng)。目前，非晶硅/微晶硅薄膜電池的光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)8%，壽命也與多晶硅電池相當(dāng)。非晶硅/微晶硅雙結(jié)疊層電池的光譜響應(yīng)范圍見圖1。

圖1 非晶硅/微晶硅雙結(jié)疊層電池的光譜響應(yīng)范圍

與多晶硅太陽能電池相比，非晶硅薄膜電池主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)硅原料使用量小、生產(chǎn)能耗低。

硅是地殼中分布最廣的元素，其含量達(dá)到25.8%；但自然界中的硅主要以石英砂的形式存在，主要成分是硅氧化物。生產(chǎn)太陽能電池的高純硅材料是用石英砂冶煉得來的，石英砂首先在電爐中冶煉得到工業(yè)硅，然后再提純得到高純硅。

常規(guī)晶硅電池的厚度為200um～350um，而非晶硅薄膜電池只有0.5um， 非晶硅薄膜光伏組件的厚度不足多晶硅的1%；也就是說非晶硅薄膜組件的硅材料消耗量遠(yuǎn)小于多晶硅電池。高純硅材料的生產(chǎn)工藝決定了太陽能電池的硅原料使用量大，其生產(chǎn)能耗越高；因此多晶硅電池的生產(chǎn)能耗較非晶硅薄膜高得多。根據(jù)高科技行業(yè)研究機(jī)構(gòu)馳昂咨詢(Sinotes)的分析，多晶硅電池的生產(chǎn)能耗與其2年的發(fā)電量相當(dāng)，非晶硅薄膜電池的生產(chǎn)能耗與其1年的發(fā)電量相當(dāng)。單晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜電池的生產(chǎn)能耗對比見圖2。

(2)光譜響應(yīng)范圍寬、弱光響應(yīng)好。

非晶硅材料的光譜響應(yīng)范圍寬，吸收系數(shù)在整個(gè)可見光范圍內(nèi)，對低光、強(qiáng)光均有較好的適應(yīng)性。

(3)功率溫度系數(shù)低。

當(dāng)太陽能電池工作溫度高于標(biāo)準(zhǔn)測試溫度25℃時(shí)，其最佳輸出功率會有所下降；非晶硅薄膜太陽能電池的功率溫度系數(shù)不到多晶硅的一半，也就是說當(dāng)溫度變化時(shí)，非晶硅薄膜電池功率的降低幅度較多晶硅電池小得多。

圖2 生產(chǎn)能耗對比柱狀圖

本文以內(nèi)蒙古阿左旗某并網(wǎng)光伏發(fā)電工程為例，對應(yīng)用最廣的多晶硅光伏組件和薄膜電池中原材料易得、成本較低和環(huán)境效益好的非晶硅/微晶硅薄膜電池進(jìn)行綜合經(jīng)濟(jì)效益比較。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

內(nèi)蒙古阿左旗某并網(wǎng)光伏發(fā)電工程建設(shè)規(guī)模10MWp，站址(37.88°N，105.4°E)位于阿拉善盟最南端的孿井灘生態(tài)移民示范區(qū)，屬未開發(fā)的暖溫帶荒漠干旱區(qū)。站址地區(qū)太陽能資源豐富，日照時(shí)間長，年日照時(shí)數(shù)在2800h～3500h之間；太陽輻射強(qiáng)度高，年太陽輻射量可達(dá)6049MJ/m2。

工程采用“分塊發(fā)電，集中并網(wǎng)”的總體設(shè)計(jì)方案，10MWp光伏陣列分為10個(gè)1.0MWp的光伏方陣，組成10個(gè)1MWp并網(wǎng)發(fā)電單元。選用230(29.5)Wp多晶硅和460(218)Wp非晶硅/微晶硅薄膜光伏組件各5MWp,每個(gè)1MWp的并網(wǎng)發(fā)電單元通過直流匯流裝置分別接至2臺500kW的逆變器，經(jīng)0.29/35kV箱式變壓器，采用一次升壓方案接入35kV配電裝置，最后通過孿井灘110kV變的單回35kV線路送出。

每個(gè)1MW光伏發(fā)電單元設(shè)置1個(gè)分站房，直流匯流裝置、逆變器和交流柜布置在分站房內(nèi)；35kV、380/220V配電裝置布置在站區(qū)35kV配電室內(nèi)。

3.2 光伏組件

選用多晶硅和非晶硅/微晶硅薄膜兩種光伏組件，其中230(29.5)Wp多晶硅光伏組件21800塊，容量5.014MWp；460(218) Wp非晶硅/微晶硅薄膜光伏組件10890塊，容量5.0094MWp，光伏陣列的總?cè)萘?0.0234MWp。表2、表3分別為多晶硅和非晶硅/微晶硅薄膜光伏組件的技術(shù)參數(shù)表。

表2 230Wp多晶硅光伏組件技術(shù)參數(shù)

表3 460Wp非晶硅/微晶硅薄膜光伏組件技術(shù)參數(shù)

光伏組件采用固定式安裝方式，光伏陣列朝向正南，非晶硅/微晶硅薄膜光伏方陣最佳傾角為35°，多晶硅光伏方陣最佳傾角39°。光伏陣列成排安裝，為保證冬至日上午9點(diǎn)到下午3點(diǎn)之間光伏組件間無遮擋，計(jì)算后確定非晶硅/微晶硅薄膜光伏方陣行間距為4m，多晶硅光伏方陣行間距為6m。5MWp多晶硅光伏發(fā)電單元占地94098m2，5MWp非晶硅/微晶硅薄膜光伏發(fā)電單元占地157218.75m2。

3.3 經(jīng)濟(jì)性比較

3.3.1 發(fā)電量

我們通過Retscreen光伏計(jì)算軟件來估算發(fā)電量，計(jì)算原始數(shù)據(jù)和結(jié)果見表4。

表4 發(fā)電量計(jì)算一覽

從表4可以看出，非晶硅/微晶硅薄膜電池的光電轉(zhuǎn)換效率較低，單位面積的發(fā)電量較低；也就是說與多晶硅電池相比，相同的發(fā)電功率需要更大的組件面積。由于非晶硅/微晶硅薄膜光伏組件的弱光響應(yīng)好于多晶硅組件，非晶硅/微晶硅薄膜組件的年發(fā)電量較多晶硅組件高約0.7%。非晶硅/微晶硅薄膜組件的生產(chǎn)能耗僅為多晶硅組件的50%，考慮光伏組件的生產(chǎn)能耗后，非晶硅/微晶硅薄膜組件的壽命期總發(fā)電量較多晶硅組件高約5.6%；從環(huán)保角度考慮，非晶硅/微晶硅薄膜組件在節(jié)能降耗方面的優(yōu)勢更大。

3.3.2 初投資

本文只對5MWp多晶硅發(fā)電單元和5MWp非晶硅/微晶硅薄膜發(fā)電單元初投資的差異部分進(jìn)行比較，相同部分如逆變器、35kV配電裝置部分等不列入比較范圍。5MWp多晶硅和5MWp非晶硅/微晶硅薄膜發(fā)電單元初投資對比表見表5、表6。

表5 初投資計(jì)算原始數(shù)據(jù)

表6 5MWp多晶硅和5MWp非晶硅/微晶硅薄膜發(fā)電單元初投資對比

從表6可以看出，由于非晶硅/微晶硅薄膜光伏組件的價(jià)格遠(yuǎn)低于多晶硅組件，因此在容量相同的條件下，非晶硅/微晶硅薄膜發(fā)電單元的初投資遠(yuǎn)低于多晶硅組件。但非晶硅/微晶硅薄膜電池的光電轉(zhuǎn)換效率較低，與多晶硅電池相比，相同的發(fā)電功率需要更大的組件面積，因此占地面面積較大、支架費(fèi)用較高，從而導(dǎo)致直流側(cè)接入電纜的數(shù)量較大。由于光伏組件占工程總投資的比例較大，通常在60%左右；因此非晶硅/微晶硅薄膜發(fā)電單元在征地、支架、電纜等方面的劣勢與其在組件價(jià)格方面的優(yōu)勢相比顯得微不足道。5MWp多晶硅較5MWp非晶硅/微晶硅薄膜發(fā)電單元的總投資高984萬元。

3.3.3 綜合經(jīng)濟(jì)效益比較

非晶硅/微晶硅薄膜光伏發(fā)電單元的年發(fā)電量高于多晶硅，但差異不大；考慮到多晶硅和非晶硅/微晶硅薄膜光伏發(fā)電單元在初投資方面的差異，進(jìn)行年還貸額的比較；綜合考慮發(fā)電量和初投資兩方面因素，得出多晶硅和非晶硅/微晶硅光伏發(fā)電單元綜合經(jīng)濟(jì)效益比較的結(jié)論。以下計(jì)算結(jié)果以還貸年限15年、年貸款利率6.98%、當(dāng)?shù)毓夥l(fā)電上網(wǎng)電價(jià)1.10元為原始輸入。

表7 綜合經(jīng)濟(jì)效益對比

從比較結(jié)論可以看出，多晶硅發(fā)電單元的年還貸額明顯高于非晶硅/微晶硅薄膜；非晶硅/微晶硅薄膜光伏發(fā)電單元的年收益較多晶硅高113萬元，其綜合經(jīng)濟(jì)效益好于多晶硅發(fā)電單元。

本工程站址屬荒漠地區(qū)，為國家土地劃分的第15類地區(qū)，征地取費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)按60元/m2收取。通過計(jì)算，當(dāng)征地費(fèi)上漲到216元/m2時(shí)(9類地區(qū))，多晶硅與非晶硅/微晶硅/微晶硅薄膜發(fā)電單元的年還貸額相當(dāng)；也就是說在同容量、同站址、同太陽能資源的條件下，征地費(fèi)216元/m2是多晶硅與非晶硅/微晶硅薄膜發(fā)電單元綜合經(jīng)濟(jì)效益的一個(gè)臨界點(diǎn)；征地費(fèi)低于216元/m2，非晶硅/微晶硅薄膜發(fā)電單元的綜合經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)于多晶硅，征地費(fèi)高于216元/m2，多晶硅發(fā)電單元的綜合經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)于非晶硅/微晶硅薄膜。

4 結(jié)論

多晶硅電池的光電轉(zhuǎn)換效率高(14%)，非晶硅薄膜電池較低(8%)，非晶硅薄膜電池的轉(zhuǎn)換效率約為多晶硅的60%。

多晶硅光伏發(fā)電單元的占地面積約為

20000m2/MWp，非晶硅薄膜發(fā)電單元的占地面積約為32000m2/MWp，非晶硅薄膜發(fā)電單元的占地面積約為多晶硅的1.6倍。

非晶硅薄膜電池的生產(chǎn)成本低，價(jià)格約為多晶硅電池的60%；非晶硅薄膜電池的生產(chǎn)能耗低，為多晶硅電池的50%。

非晶硅薄膜電池弱光響應(yīng)好，在相同裝機(jī)容量、同等光照條件下，非晶硅薄膜發(fā)電單元的年發(fā)電量高于多晶硅。

在征地費(fèi)用較低(≯216元/m2)的荒漠、半荒漠地區(qū)建設(shè)大型光伏并網(wǎng)電站，選用非晶硅薄膜光伏電池較選用晶硅電池年發(fā)電量高、初投資低、環(huán)境效益好，綜合經(jīng)濟(jì)效益更優(yōu)。而且晶硅電池技術(shù)上已相當(dāng)成熟，已經(jīng)形成了完備的產(chǎn)業(yè)鏈；與第一代晶體硅相比，作為第二代太陽能電池的非晶硅薄膜電池在提高效率和降低成本方面空間更大。

我國太陽能十分豐富，全國2/3以上的地區(qū)年輻射量大于5020MJ/m2.a，年日照時(shí)數(shù)在2000h以上；太陽年輻射總量基本呈現(xiàn)西部高于東部、北部高于南部(西藏和新疆除外)的趨勢。也就是說我國太陽能資源豐富地區(qū)集中在西北地區(qū)，主要包括新疆、西藏、青海、甘肅和內(nèi)蒙古西部，而荒漠和半荒漠地形、地貌占西北地區(qū)國土面積的比例較大，因此，薄膜太陽能電池尤其是非晶硅薄膜電池在我國大型并網(wǎng)光伏發(fā)電領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>