非晶硅薄膜电池在MWP级光伏电站的应用

张燕娜

(内蒙古电力勘测设计院,呼和浩特 010020)

非晶硅薄膜电池在MWP级光伏电站的应用

张燕娜

(内蒙古电力勘测设计院,呼和浩特 010020)

结合中节能阿拉善盟孪井滩 10MW p光伏并网发电项目工程,光伏组件分别采用多晶硅与非晶硅薄膜电池各5MW p,通过设计计算,对比多晶硅,综合考虑组件价格,阵列占地面积,年发电量等经济指标得出,非晶硅薄膜电池在MW P级光伏电站的应用发展前景可观。

非晶硅;薄膜电池 ;光伏电池;发电量

1975年 Spear和Lecom ber用辉光放电法制备出性能优良的非晶硅(a-si)膜;1976年 RCA实验室的 CarlsonD.E.和W ronski C.R.利用氢化非晶硅 (a-si:H)制作出第一个非晶硅太阳电池。从此,氢化非晶硅作为一种制作太阳能电池的新型材料开始受到广泛的重视。经过 20世纪 80年代的研发,非晶硅太阳电池的转化效率和稳定性有了明显的突破,在工业化商品中,面积为 0.5 m2,效率 5%以下的非晶硅太阳电池组件成为主流。20世纪 90年代,为解决转化效率和稳定性问题,叠层非晶硅太阳电池得到了发展,1m2以下,效率 6%左右的非晶硅太阳电池组件成为主流。21世纪初,美国(如Uni-so lar),日本(如 Kaneka,MH I)的一些非晶硅太阳电池企业开发非晶硅/微晶硅,非晶硅、非晶硅锗叠层太阳电池,已将单一组件面积超过 1 m2,转化效率 7%的非晶硅太阳电池投入市场。2008年更是推出了同一组件尺寸的65MW非晶硅、微晶硅叠层太阳电池生产线。但由于氢化非晶硅合金是一种性能复杂的半导体材料,许多性质还有待研究认识,相关的理论也正在丰富完善,虽然非晶硅太阳电池的研究与发展成果斐然,但与晶体硅太阳电池相比,无论是材料理论,器件研究,还是工艺过程,仍处在积极发展阶段。

一、非晶硅薄膜电池及其特点

非晶硅薄膜电池制造的原材料丰富,生产过程无毒,能耗低,无污染,对生态环境不会造成不利影响。非晶硅/微晶硅双结叠层电池可以采用不同带隙的电池组成叠层电池,拓展光谱响应范围,提高电池的光伏特性并能大面积生产。非晶硅/微晶硅双结叠层电池与其他太阳电池相比,除了成本远远低于晶体硅太阳电池,还具有以下优点:一是制造过程消耗电力少,能量偿还时间短。用气体分解法制备非晶硅,基板温度仅 200～300℃且放电电极所需的放电功率密度较低,而单晶硅要在 1 412℃以上反复多次熔解。晶体硅太阳电池能量偿还时间 2～3年,而非晶硅太阳电池只有 1～1.5年。二是电池互连。实用的集成型薄膜太阳电池已经在工艺中实现了电池互连,使输出电压增高,避免了晶体硅太阳电池组件封装互连引起的可靠性等问题。其温度系数低,因而季节的变化不会影响其转化效率。同时,由于光谱响应范围宽,与相同功率的晶体硅太阳电池相比,其发电量大约可增加 10%。但是非晶硅太阳电池也存在缺点,非晶硅太阳电池的最大缺点是转化效率较低,且因光致衰弱影响,其效率会随着时间增加而逐渐降低。对于这些问题的解决现在有了很大的突破。

非晶硅薄膜电池的研究工作主要集中在提高效率和稳定性方面:通过有不同带隙的多结叠层提高效率和稳定性;降低表面光反射;改进电池结构;使用更薄的本征层,以增强内电场降低光致衰减。

二、工程实例

结合中节能孪井滩 10 MW p光伏并网发电工程中的设计数据(表 1～表 3),对比多晶硅与薄膜电池,综合比较阵列占地面积、年发电量等经济指标。

该工程采用“分块发电,集中并网”的总体设计方案。10MW p的光伏阵列可分为 10个 1.0 MW p的光伏方阵,组成 10个 1MW p并网发电单元,其中 230(29.5)多晶硅光伏组件 21 800块,容量 5.014 MW p;460(218)非晶硅薄膜光伏组件 10 890块,容量 5.009 4 MW p,光伏阵列的总容量为10.023 4MW p。本方案的优点是可以实现独立安装和调试,分系统上网;也可以分期建设和进行不同设备的技术经济性能评估。

表1 460W p非晶硅薄膜光伏组件主要参数

表 2 230W p多晶硅光伏组件主要参数

表 3 500 k W p逆变器主要参数

(一)主接线系统

选择 1MW p作为 1个发电单元,电气主接线非晶硅薄膜组件部分采用10台500 kVA箱式升压变并联连接后接至35 kV集电线路,多晶硅组件部分采用 5台 1 000 kVA箱式升压变并联连接后接至 35 kV集电线路。2回集电线路接入 35 kV母线。35 kV采用单母线接线。35 kV出线 1回接入系统35 kV侧。

(二)发电单元接线

(1)460W p(218 V,2.11 A)非晶硅薄膜光伏组件共 5 MW p,每个 1 MW光伏发电单元共安装2 178件 460 W p (218)光伏组件,每 3件光伏板组件串联为一个电池串列,共 726个,每 3个电池串列并接至 1个汇流盒,共 242个汇流盒,作为1个子阵列,各子阵列平均分配接入16个16进1出的直流汇线箱,每 8个直流汇线箱接入 1面直流防雷配电柜,共 2面直流柜。每面直流防雷配电柜输出平均分配接入1面 500 k W逆变器柜的 2个 250 k W通道,共 2面逆变器柜。逆变器输出 290 V三相交流,2面逆变器柜接入 1面交流配电柜,每台逆变器柜通过交流电缆连接到500 kVA箱变内低压侧断路器,箱变低压侧采用双分裂绕组接线形式,共2面箱式变压器。

(2)230 W p(29.5 V,7.8 A)多晶硅光伏组件共 5 MW p,每个 1MW光伏发电单元共安装4 360件230W p(29. 5)光伏组件,每 20件光伏板组件串联为一个支路,共 218个支路,各支路平均分配接入 20个 11进 1出的直流汇线箱,每 10个直流汇线箱接入 1面直流防雷配电柜,共 2面直流柜。每面直流防雷配电柜输出平均分配接入1面500 k W逆变器柜的 2个 250 k W通道,共 2面逆变器柜。逆变器输出290 V三相交流,2面逆变器柜接入 1面交流配电柜,通过交流电缆分别连接到 1 000 kVA箱变内各自的低压侧断路器,箱变采用双绕组变压器。

(三)光伏阵列布置

1光伏方阵的方位角和安装倾角的确定

综合因素考虑方位角对阵列的影响,因为光伏阵列朝向正南(即方阵垂直面与正南的夹角为 0°),光伏阵列在一年中获得的发电量是最大的,所以基于固定式安装经验(北半球)考虑,该项目确定光伏组件方阵的方位角为 0°。通过确定多晶硅光伏组件阵列最佳倾角为 39°,薄膜光伏组件阵列最佳倾角为35°。

2.多晶硅阵列布置

单个支架方阵单元由 40块光伏组件组成,按 2行 ×20列横向放置。整个5MW p光伏阵列由545个方阵单元组成,每 109个方阵单元组成一个并网发电单元,单元容量为 1 002.8k W p,连接两个并网逆变器,共用一台箱式升压变压器,组成一个分系统。图 1为一个支架单元的示意图。

3.薄膜光伏组件阵列布置

单个支架方阵单元由 12块和 6块光伏组件组成,按 1行 ×12列 (181组)和 1行 ×6列 (1组)横向放置。整个 5 MW p光伏阵列由 910个方阵支架单元组成,每 182个方阵单元组成一个并网发电单元,单元容量为 1 000.94 kW p,连接两台并网逆变器经隔离变,共用两台箱式升压变压器,组成一个分系统。图 2为一个支架单元的示意图。

(四)发电量的估算

先输入原始数据 (表 4),再估算该电站发电量,得出结果:

图 1 单元支架方阵面光伏组件布置的三视图(多晶硅)

图 2 单元支架方阵面光伏组件布置的三视图(非晶硅薄膜)

表4 原始数据输入

以上是经软件得出多晶硅、非晶硅薄膜光伏阵列的理论发电量,经过修正,如果光伏组件效率按寿命期内累计折损 20%,且每年衰减的百分比相同进行计算,25年内平均每年发电量为:

多晶硅(5MW p):年总发电量:7 533 004 k W h

非晶硅薄膜(5MW p):年总发电量:7 578 763 kW h。

三、综合指标的比较

综合指标参数的比较见表5。

从表5可以看出,非晶硅薄膜电池除了占地面积大之外(63 120.75 m2),它的价格约为多晶硅价格的一半,发电量比多晶硅多 45 759 kW h,年利用小时数略高多晶硅 10小时。而且非晶硅的能耗回收期约为 1～1.5年,而多晶硅需要两年的时间。

综合比较非晶 -微晶硅电池在MW p级光伏电站应用的经济性远高于多晶硅。若其价格能继续下降,那么它的应用前景广泛。

表 5 综合指标参数比较

[1] 杨金焕,于化丛,葛亮.太阳能光伏发电应用技术[M].北京:电子工业出版社,2009.

[2] 王长贵,王斯成.太阳能光伏发电实用技术 [M].北京:化学工业出版社,2009.

2010-09-26

张燕娜(1982—),女,华北电力大学硕士研究生,助理工程师。

(责任编辑 周江川)