銅銦鎵硒及硅基異質(zhì)結(jié)光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析與討論

孔凡迪

(中國(guó)中元國(guó)際工程有限公司，北京 100089)

0 引言

目前光伏技術(shù)的出現(xiàn)已有半個(gè)世紀(jì)，各項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成熟，具有一定的開發(fā)價(jià)值。尤其在遠(yuǎn)離電網(wǎng)的地區(qū)，光伏發(fā)電已成為提供電力保障的重要方式。

目前商業(yè)化太陽(yáng)電池中晶體硅是最主要的一種，其制造成本的逐年降低對(duì)市場(chǎng)開發(fā)十分有利。隨著硅基太陽(yáng)電池的制造工藝不斷提高，不僅開發(fā)了雙面電池、疊片電池、半片電池等，同時(shí)也對(duì)發(fā)電材料本身進(jìn)行改善，開發(fā)出硅基異質(zhì)結(jié)(SHJ)等改良材料，綜合提高了硅基太陽(yáng)電池的性價(jià)比。除此之外，銅銦鎵硒(CIGS)薄膜電池也因?yàn)槿豕庑院?、外觀顏色均勻、高溫特性好等特點(diǎn)占有一定的市場(chǎng)份額，實(shí)驗(yàn)室效率已達(dá)23.35%，1 200×600mm 大面積組件的效率也可達(dá)17.6%。其他常見的電池種類還包括碲化鎘太陽(yáng)電池、砷化鎵太陽(yáng)電池等。

1 項(xiàng)目背景介紹

本項(xiàng)目位于北京市，光伏系統(tǒng)安裝于一新建建筑上，周圍無(wú)明顯遮擋，光照條件較好，發(fā)電年限為25年，采用自發(fā)自用余電上網(wǎng)的運(yùn)行模式。本建筑按綠色建筑三星等級(jí)設(shè)計(jì)，建筑所用電能一部分來(lái)自于電網(wǎng)，另一部分由光伏系統(tǒng)提供。結(jié)合建筑設(shè)計(jì)方案，本項(xiàng)目安裝容量可達(dá)159kW。建筑對(duì)光伏系統(tǒng)外觀要求較高，與外立面風(fēng)格統(tǒng)一。

經(jīng)研究，最終使用光伏建筑一體化(BIPV)及附加式光伏發(fā)電系統(tǒng)(BAPV)相結(jié)合的方式：將SHJ發(fā)電玻璃作為建筑采光天窗材料，組件具有建材級(jí)別的耐候性、防火性，保證了建筑外立面的美觀；同時(shí)在建筑南側(cè)前廣場(chǎng)及各層室外平臺(tái)處設(shè)置地面光伏系統(tǒng)，使用CIGS薄膜組件，安裝位置位于人行步道兩側(cè)，方便為訪客展示新型光伏組件的應(yīng)用。室外平臺(tái)組件采用平鋪，保證了建筑內(nèi)房間的采光；室外廣場(chǎng)組件采用南向10°傾角敷設(shè)方式，可以增加發(fā)電小時(shí)數(shù)。CIGS組件外形更加美觀，安裝效果輕盈，具有科技感，同時(shí)弱光、高溫等條件下的發(fā)電能力較傳統(tǒng)晶硅更加優(yōu)異，滿足新型綠色建筑設(shè)計(jì)理念。具體排布方式參見圖1。

圖1 分布式光伏系統(tǒng)排布圖

2 關(guān)鍵組件介紹

本項(xiàng)目使用的SHJ電池，從上向下結(jié)構(gòu)層包括柵電極、透明導(dǎo)電膜、硼摻雜非晶硅、本征非晶硅、N型單晶硅及背電極。提高異質(zhì)界面鈍化直流，可以提高太陽(yáng)電池的開路電壓。SHJ電池所采用的ITO材料透明導(dǎo)電膜和絲網(wǎng)印刷電極，成本低、易采購(gòu)，在價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)中具有優(yōu)勢(shì)。

本項(xiàng)目使用的另一種組件為CIGS薄膜電池，它的溫度系數(shù)較小，較傳統(tǒng)晶硅電池具有更好的高溫特性，在組件工作溫度下，發(fā)電量提升10%以上。CIGS電池自身結(jié)構(gòu)的遮擋率更低，無(wú)封裝框及金屬匯流條等結(jié)構(gòu)，有效發(fā)電面積大。作為一種薄膜電池，它可以沉積在柔性襯底上，不僅適用于曲面造型屋頂，同時(shí)可明顯降低荷載重量。雖然非晶硅材料也可制作薄膜電池，但此種材料的光致衰減效應(yīng)嚴(yán)重限制發(fā)電能力，而CIGS材料沒有這種短板，它可在工作年限內(nèi)表現(xiàn)出非常優(yōu)異的發(fā)電穩(wěn)定性。

關(guān)于SHJ電池與CIGS薄膜電池的區(qū)別不僅在于組件材料結(jié)構(gòu)的不同，同時(shí)也體現(xiàn)在光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)上。對(duì)于CIGS薄膜電池一般要求負(fù)極接地，達(dá)到釋放電荷、減少組件性能的點(diǎn)位誘導(dǎo)衰減，防止電池退化，故需使用帶負(fù)極接地的逆變器，且在并網(wǎng)處設(shè)置隔離變壓器。但對(duì)于SHJ電池組件，并沒有負(fù)極接地的要求，也不需要安裝隔離變壓器。

本項(xiàng)目采用的2種太陽(yáng)電池具體參數(shù)詳見表1。

3 光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目具體安裝容量及安裝方式詳見表2。各部件發(fā)電效果詳見表3。

太陽(yáng)電池參數(shù)表 表1

分布式光伏系統(tǒng)安裝容量及方式表 表2

由表1可以發(fā)現(xiàn)，CIGS材料發(fā)電性能與SHJ組件不同，具有更高的開路電壓以及較低的短路電流。這就導(dǎo)致在進(jìn)行系統(tǒng)串并聯(lián)設(shè)計(jì)的時(shí)候需要先進(jìn)行一級(jí)的直流匯流，提高電池串的電流水平，然后再分串接入組串式逆變器，發(fā)揮逆變器輸入能力。

由于現(xiàn)有商業(yè)化組串式逆變器大多針對(duì)晶硅組件開發(fā)，在輸入特性上與CIGS系統(tǒng)有一定差異，為避免逆變器的功率浪費(fèi)，在同功率逆變器選擇上需選用單路輸入電流更大、工作電壓范圍更廣的產(chǎn)品。

光伏組件串聯(lián)數(shù)量計(jì)算，利用GB 50797-2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》中組串計(jì)算公式如式(1)～(2)所示：

(1)

及

(2)

式中，Vdcmax為逆變器允許最大直流輸入電壓，V；Vmppt min為逆變器MPPT電壓最小值，V；Vmppt max為逆變器MPPT電壓最大值，V；Voc為光伏組件開路電壓，V；Vpm為光伏組件工作電壓，V；Kv為光伏組件開路電壓溫度系數(shù)；K′v為光伏組件工作電壓溫度系數(shù)；t'為光伏組件工作條件下的極限最高溫度，℃；t為光伏組件工作條件下的極限最低溫度，℃，此處取-20℃；N為光伏組件串聯(lián)數(shù)，取整。

各部分部件發(fā)電效果 表3

以極低溫-20℃進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)結(jié)合排布方式(圖1)，分別算出每個(gè)安裝區(qū)域的串并聯(lián)方案。

(1)天窗部分：得出的每串光伏組件為18塊，4串為一組直流匯流后接入逆變器。此時(shí)一串組件的Voc=44.14×[1+(-20-25)×(-0.003)]×18=901.780 2V，小于逆變器最大輸入電壓，滿足要求。

(2)上人平臺(tái)部分：得出的每串光伏組件為8塊，5串為一組直流匯流后接入逆變器。此時(shí)一串組件的Voc=101.2×[1+(-20-25)×(-0.0027)]×8=907.9 664V，小于逆變器最大輸入電壓，滿足要求。

(3)室外地面部分：得出的每串光伏組件為9塊，8串為一組直流匯流后接入逆變器。此時(shí)一串組件的Voc=101.2×[1+(-20-25)×(-0.0027)]×9=1 021.462 2V，小于逆變器最大輸入電壓，滿足要求。

綜上本項(xiàng)目天窗部分8臺(tái)12kW逆變器，平臺(tái)部分需要1臺(tái)20kW及1臺(tái)28kW逆變器，室外地面部分需要1臺(tái)20kW逆變器，共計(jì)11臺(tái)組串式逆變器，每臺(tái)逆變器具有多路MPPT功能。經(jīng)過(guò)逆變后的交流電按不同區(qū)域分為4路接入建筑配電室內(nèi)，為保證系統(tǒng)安全，其中CIGS薄膜組件部分3路需各設(shè)置1臺(tái)隔離變壓器，然后接入大樓整體0.4kV配電系統(tǒng)。在接入點(diǎn)處設(shè)有雙向計(jì)量電表，檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)發(fā)電數(shù)據(jù)，同時(shí)設(shè)置能源管控平臺(tái)，可將數(shù)據(jù)上傳至平臺(tái)，方便運(yùn)維。

4 發(fā)電量測(cè)算

表3所示分別測(cè)算各部分組件的發(fā)電效果。由于組件敷設(shè)朝向不同，故不同安裝位置的組件表面峰值輻照發(fā)電小時(shí)數(shù)不同，其中南向10°傾角的最高。系統(tǒng)3部分合計(jì)25年發(fā)電期的平均發(fā)電小時(shí)數(shù)為997h/年，總計(jì)發(fā)電量為396.3萬(wàn)kWh。組件的年均發(fā)電小時(shí)數(shù)較低，主要原因是安裝角度較小，不利于組件接收太陽(yáng)光的入射。

5 結(jié)束語(yǔ)