多種光伏發(fā)電形式的對(duì)比

強(qiáng)秀華，李林蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院

多種光伏發(fā)電形式的對(duì)比

強(qiáng)秀華，李林蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院

研究不同材料光伏組件及同一材料光伏組件在不同跟蹤方式下，發(fā)電效率的對(duì)比，從而得出最佳費(fèi)效比。

光伏發(fā)電；單晶硅；多晶硅；非晶硅（碲化鎘）

項(xiàng)目：甘肅省教育廳2015年度甘肅省高等學(xué)?？蒲许?xiàng)目。

現(xiàn)代社會(huì)能源供應(yīng)緊張、環(huán)境污染和氣候變化等問題日趨嚴(yán)重，無論從世界還是從中國(guó)來看，常規(guī)能源都是很有限的。中國(guó)的一次能源儲(chǔ)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界的平均水平，大約只有世界總儲(chǔ)量的10%。太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源，具有充分的清潔性、絕對(duì)的安全性、相對(duì)的廣泛性、確實(shí)的長(zhǎng)壽命和免維護(hù)性、資源的充足性及潛在的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，在長(zhǎng)期的能源戰(zhàn)略中具有重要地位。光伏發(fā)電作為最具可持續(xù)發(fā)展理想特征的清潔能源，正越來越受到全世界的普遍高度關(guān)注。我國(guó)對(duì)太陽能光伏發(fā)電的政策支持力度也在不斷過大，鼓勵(lì)各級(jí)地方政府，因地制宜地利用廢棄土地、荒山野嶺、建筑屋頂?shù)染偷亟ㄔO(shè)分布式的光伏電站。

隨著科技的發(fā)展，光伏電池材料從單晶硅發(fā)展到多晶硅，從多晶硅發(fā)展到高倍聚光直到現(xiàn)在的薄膜組件。追蹤形式從固定支架到單軸跟蹤、雙軸跟蹤、光電建筑一體化等。2013年，晶硅電池站市場(chǎng)主導(dǎo)地位，其產(chǎn)量約占光伏電池總產(chǎn)量的90%：其中多晶硅太陽能電池約占68%，單晶硅太陽能電池約占22%。薄膜太陽能電池產(chǎn)量約占總產(chǎn)量的10.8%，聚光電池約為100MW，幾乎不占有市場(chǎng)份額。

現(xiàn)階段全球太陽能電池生產(chǎn)規(guī)模持續(xù)保持增長(zhǎng)勢(shì)頭。《全球與中國(guó)太陽能電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)況與投資展望》的最新報(bào)告預(yù)計(jì)，2015～2018年，中國(guó)太陽能電池市場(chǎng)的年增長(zhǎng)率為14%。屆時(shí)，2018年的總安裝量將達(dá)65吉瓦。

不同材料的發(fā)電效率不同，同種材料的不同追光形式造成發(fā)電效率也不同。雖然理論上雙軸跟蹤發(fā)電效率最高，可是雙軸跟蹤的支架成本和人工維護(hù)費(fèi)用也最高，這其中費(fèi)效比是關(guān)鍵。

確定不同類型光伏組件最適宜的發(fā)電環(huán)境，從而選用更合適的光伏組件來增加發(fā)電量是提高經(jīng)濟(jì)一的一個(gè)重要手段。研究不同材料光伏組件及同一材料光伏組件在不同跟蹤方式下，發(fā)電效率的對(duì)比，對(duì)于在光伏電站或光伏項(xiàng)目建設(shè)中光伏組件材料和追光形式的選擇具有實(shí)際的參考意義。大部分企業(yè)生產(chǎn)的光伏組件產(chǎn)品參數(shù)往往來源于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)或理論數(shù)據(jù)，但實(shí)際環(huán)境中，日照強(qiáng)度、外部環(huán)境溫度、風(fēng)力、沙塵和光伏發(fā)電系統(tǒng)等部件的運(yùn)行性能等方面都會(huì)影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際發(fā)電量。光伏組件作為發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，不同材料光伏材料光伏組件因其基體結(jié)構(gòu)的不同，在性能上也表現(xiàn)出較大差異。因此，研究光伏組件選型可進(jìn)一步優(yōu)化光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)，達(dá)到降低成本的目的。

本課題主要研究采用6種不同材料和安裝形式的太陽能電池板的發(fā)電效率：多晶硅（固定式）、碲化鎘（固定式）、單晶硅（背電極、固定式）、多晶硅（雙軸跟蹤）、多晶硅（斜單軸跟蹤）、多晶硅（平單軸跟蹤）。

某學(xué)院國(guó)家級(jí)重點(diǎn)光伏電站項(xiàng)目，不同材料、不同追光形式的光伏組件均在同一電站內(nèi)，使得它們之間發(fā)電效率的對(duì)比可做到相同地理環(huán)境、相同日照條件、相同逆變技術(shù)下的對(duì)比。根據(jù)光伏電站發(fā)電監(jiān)控記錄，研究在實(shí)際環(huán)境中，不同日照強(qiáng)度、外部環(huán)境溫度、風(fēng)力、沙塵情況下多晶硅（固定式）、碲化鎘（固定式）、單晶硅（背電極、固定式）、多晶硅（雙軸跟蹤）、多晶硅（斜單軸跟蹤）、多晶硅（平單軸跟蹤）的發(fā)電效率。研究在特定情況下最適宜的光伏材料和追光系統(tǒng)結(jié)合投資成本，給出在不同狀況下最優(yōu)性價(jià)比的光伏材料和追光形式。在光伏行業(yè)飛速發(fā)展的今天，無論對(duì)于生產(chǎn)企業(yè)或是對(duì)“金太陽”工程、大型光伏電站的建設(shè)，建筑光伏一體化項(xiàng)目建設(shè)中光伏材料的選擇和追光形式的選擇都有直接的參考意義。

因該國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目采用的多晶硅組件為20塊板面串聯(lián)為1組，每8-16組進(jìn)入一個(gè)匯流箱，所以任意一個(gè)光伏組件的不正常情況都能影響該組的發(fā)電效率，這就要求為確保不同材料和追光系統(tǒng)的工作狀況一致，必須精心維護(hù)光伏電站的正常運(yùn)行。

1）剔除因陰影遮擋造成的發(fā)電效率改變，對(duì)樹蔭和鳥糞造成的影響及時(shí)解決。

2）剔除因熱斑造成的光伏組件發(fā)電效率的改變，及時(shí)找出和更換熱斑嚴(yán)重的光伏組件。及時(shí)更換因外力造成的光伏板面的破損的組件。例如硬物墜落造成的破損。剔除光伏表面沙塵遮蓋程度不一致等造成的對(duì)比誤差，及時(shí)清洗光伏組件。

3）確保平單軸、斜單軸、雙軸跟蹤的追光系統(tǒng)正常工作。及時(shí)解決不能正常追光造成的發(fā)電效率改變。

4）維護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)的正常運(yùn)行，因該電站占地面積大，主要發(fā)電數(shù)據(jù)依靠監(jiān)控軟件獲得。必須及時(shí)更新維護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)，保持上位機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)小逆變、匯流箱的通訊正常。能及時(shí)準(zhǔn)確的獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

下圖為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

1、同種追光形式（固定支架），不同發(fā)電材料：多晶硅、碲化鎘、單晶硅之間發(fā)電效率的對(duì)比；

固定支架有2880塊多晶硅板（245W），所以日平均發(fā)電量（度/千瓦）為2429.4/(245*2880/1000)=3.44。

碲化鎘有塊電池板（75W），所以日平均發(fā)電量（度/千瓦）為39.3/(75*154/1000)=3.40

單晶硅有144塊電池板（100W），所以日平均發(fā)電量（度/千瓦）為53.6/(100*144/1000)=3.72。

2、同種光伏電池（多晶硅），不同追光形式：固定支架、平單軸、斜單軸、雙軸跟蹤之間發(fā)電效率對(duì)比。

本光伏電站采用的是245W的多晶硅。

固定支架有2880塊多晶硅板，所以日平均發(fā)電量（度/千瓦）為2429.4/(245*2880/1000)=3.44。

平單軸有80塊多晶硅板，所以日平均發(fā)電量（度/千瓦）為70/ (245*80/1000)=3.57。

斜單軸有100塊多晶硅板，所以日平均發(fā)電量（度/千瓦）為104.6/(245*100/1000)=4.27。

雙軸跟蹤有60塊多晶硅板，所以日平均發(fā)電量（度/千瓦）為79/(245*60/1000)=5.37。

由上表可以看出，雙軸跟蹤（多晶硅）的發(fā)電效率最高，但是它的造價(jià)也最大?？紤]到造價(jià)成本，現(xiàn)階段固定支架約為7000元/千瓦；平單軸約為8500元/千瓦；斜單軸約為11000元/千瓦；雙軸跟蹤約為12000元/千瓦。最佳效費(fèi)比的是固定支架，這在其他研究報(bào)告中也得以體現(xiàn)。最值得關(guān)注的是固定支架的單晶硅，在此次研究中它的發(fā)電效率比多晶硅高。以往單晶硅造價(jià)高于多晶硅，使得生產(chǎn)和使用中多選擇價(jià)格低的多晶硅。

單晶硅是一種比較活潑的非金屬元素，是晶體材料的重要組成部分，一直處于新能源發(fā)展的前沿。主要用于半導(dǎo)體材料和太陽能光伏產(chǎn)業(yè)。近些年由于太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，也帶動(dòng)了硅行業(yè)的持續(xù)，快速發(fā)展。

《2014-2018年中國(guó)單晶硅行業(yè)全景規(guī)劃及投資風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告》指出在過去幾年中,多晶硅產(chǎn)品借助成本優(yōu)勢(shì),發(fā)展成為國(guó)內(nèi)光伏應(yīng)用市場(chǎng)的主流。但種種跡象表明,單晶硅產(chǎn)品正在孕育著極強(qiáng)的爆發(fā)力。我國(guó)太陽能電池制造當(dāng)前仍占世界主導(dǎo)地位，但不可忽略的一點(diǎn)是，我國(guó)光伏組件主要還是靠低價(jià)取勝。對(duì)于系統(tǒng)造價(jià)單價(jià)的過于關(guān)注，讓光伏企業(yè)對(duì)實(shí)際發(fā)電成本即度電成本認(rèn)識(shí)不足，對(duì)如何提高系統(tǒng)運(yùn)行的壽命和提高每瓦發(fā)電量體會(huì)也不夠深刻。在太陽能市場(chǎng)逐漸東移，尤其是日本市場(chǎng)在我國(guó)太陽能出口市場(chǎng)比例越來越高的情況下，由于市場(chǎng)補(bǔ)貼削減，以及支持從地面安裝轉(zhuǎn)向屋頂(商業(yè)和住宅)需要更高產(chǎn)量的組件，日本客戶更青睞高效晶硅電池產(chǎn)品。

即使是在目前在系統(tǒng)建造成本較低的中國(guó)地面電站，單晶比多晶系統(tǒng)成本高約2%。在造價(jià)較高分布式電站項(xiàng)目，單晶系統(tǒng)成本和多晶系統(tǒng)造價(jià)基本持平。而在日本、德國(guó)等建造成本較高的地區(qū)，單晶系統(tǒng)成本已經(jīng)低于多晶系統(tǒng)。由于單晶硅電池發(fā)電效率高于多晶硅電池，其度電成本已經(jīng)低于看起來低價(jià)的多晶硅電池系統(tǒng)。

因此，我們有理由相信雖然多晶硅是之前市場(chǎng)份額最大的一部分，但是單晶硅則是未來發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮囊徊糠帧?/p>

類型固定多晶硅固定碲化鎘固定單晶硅平單軸多晶硅斜單軸多晶硅日發(fā)電量3.44 3.4 3.72 3.57 4.27雙軸跟蹤多晶硅5.37

強(qiáng)秀華（1978-），女，工學(xué)碩士，蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，講師；

李林（1979-），男，工學(xué)碩士，蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師。