非晶硅薄膜電池在MWP級光伏電站的應用

2010-12-25 07:03:02張燕娜

重慶與世界 2010年11期

張燕娜

(內蒙古電力勘測設計院,呼和浩特 010020)

非晶硅薄膜電池在MWP級光伏電站的應用

張燕娜

(內蒙古電力勘測設計院,呼和浩特 010020)

結合中節能阿拉善盟孿井灘 10MW p光伏并網發電項目工程,光伏組件分別采用多晶硅與非晶硅薄膜電池各5MW p,通過設計計算,對比多晶硅,綜合考慮組件價格,陣列占地面積,年發電量等經濟指標得出,非晶硅薄膜電池在MW P級光伏電站的應用發展前景可觀。

非晶硅;薄膜電池 ;光伏電池;發電量

1975年 Spear和Lecom ber用輝光放電法制備出性能優良的非晶硅(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。經過 20世紀 80年代的研發,非晶硅太陽電池的轉化效率和穩定性有了明顯的突破,在工業化商品中,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,為解決轉化效率和穩定性問題,疊層非晶硅太陽電池得到了發展,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開發非晶硅/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線。但由于氫化非晶硅合金是一種性能復雜的半導體材料,許多性質還有待研究認識,相關的理論也正在豐富完善,雖然非晶硅太陽電池的研究與發展成果斐然,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,生產過程無毒,能耗低,無污染,對生態環境不會造成不利影響。非晶硅/微晶硅雙結疊層電池可以采用不同帶隙的電池組成疊層電池,拓展光譜響應范圍,提高電池的光伏特性并能大面積生產。非晶硅/微晶硅雙結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在工藝中實現了電池互連,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。其溫度系數低,因而季節的變化不會影響其轉化效率。同時,由于光譜響應范圍寬,與相同功率的晶體硅太陽電池相比,其發電量大約可增加 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定性方面:通過有不同帶隙的多結疊層提高效率和穩定性;降低表面光反射;改進電池結構;使用更薄的本征層,以增強內電場降低光致衰減。

二、工程實例

結合中節能孿井灘 10 MW p光伏并網發電工程中的設計數據(表 1～表 3),對比多晶硅與薄膜電池,綜合比較陣列占地面積、年發電量等經濟指標。

該工程采用“分塊發電,集中并網”的總體設計方案。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并網發電單元,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,光伏陣列的總容量為10.023 4MW p。本方案的優點是可以實現獨立安裝和調試,分系統上網;也可以分期建設和進行不同設備的技術經濟性能評估。

表1 460W p非晶硅薄膜光伏組件主要參數

表 2 230W p多晶硅光伏組件主要參數

表 3 500 k W p逆變器主要參數

(一)主接線系統

選擇 1MW p作為 1個發電單元,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35 kV側。

(二)發電單元接線

(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箱變內低壓側斷路器,箱變低壓側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箱變內各自的低壓側斷路器,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電量是最大的,所以基于固定式安裝經驗(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發電單元,單元容量為 1 002.8k W p,連接兩個并網逆變器,共用一臺箱式升壓變壓器,組成一個分系統。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發電單元,單元容量為 1 000.94 kW p,連接兩臺并網逆變器經隔離變,共用兩臺箱式升壓變壓器,組成一個分系統。圖 2為一個支架單元的示意圖。