薄膜太陽能電池在荒漠電站的應用前景分析

寇建玉，張燕娜

(內蒙古電力勘測設計院，內蒙古 呼和浩特 010020)

我國是一個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，發展太陽能可以降低一次能源消耗、保護環境，最大限度的實現節能減排。近年來，我國在太陽能光伏發電領域發展迅速，截至2009年底，光伏發電累計裝機容量達到300.3MWp，2009年當年的裝機容量較上一年增加近300%。

1 太陽能電池

目前，世界上已經商業化并開始規模化推廣應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。晶硅電池光電轉換效率高、技術成熟，是目前太陽能光伏電池的主流產品，占整個光伏電池市場份額的80%以上，尤以多晶硅電池的應用最為廣泛。但晶體硅的生產成本和生產能耗相對較高，價格也較高。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、光電轉換效率相對較低，但弱光響應相對較好，生產成本和生產能耗均遠低于晶硅電池，最近一兩年發展勢頭強勁。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，光電轉換效率較低而且隨光照時間的延續衰減較快；隨著科技發展和技術進步，疊層太陽能電池技術解決了非晶硅薄膜電池的光電轉換效率低和光致衰退效應快的問題。非晶硅/微晶硅雙結疊層太陽能電池就是疊層技術的一種很好的應用實例，拓展了光譜的響應范圍，提高光電轉換效率，同時減小了光致衰退效應。目前，非晶硅/微晶硅薄膜電池的光電轉換效率可達8%，壽命也與多晶硅電池相當。非晶硅/微晶硅雙結疊層電池的光譜響應范圍見圖1。

圖1 非晶硅/微晶硅雙結疊層電池的光譜響應范圍

與多晶硅太陽能電池相比，非晶硅薄膜電池主要有以下優點：

(1)硅原料使用量小、生產能耗低。

硅是地殼中分布最廣的元素，其含量達到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硅，然后再提純得到高純硅。

常規晶硅電池的厚度為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小于多晶硅電池。高純硅材料的生產工藝決定了太陽能電池的硅原料使用量大，其生產能耗越高；因此多晶硅電池的生產能耗較非晶硅薄膜高得多。根據高科技行業研究機構馳昂咨詢(Sinotes)的分析，多晶硅電池的生產能耗與其2年的發電量相當，非晶硅薄膜電池的生產能耗與其1年的發電量相當。單晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜電池的生產能耗對比見圖2。

(2)光譜響應范圍寬、弱光響應好。

非晶硅材料的光譜響應范圍寬，吸收系數在整個可見光范圍內，對低光、強光均有較好的適應性。

(3)功率溫度系數低。

當太陽能電池工作溫度高于標準測試溫度25℃時，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不到多晶硅的一半，也就是說當溫度變化時，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 生產能耗對比柱狀圖

本文以內蒙古阿左旗某并網光伏發電工程為例，對應用最廣的多晶硅光伏組件和薄膜電池中原材料易得、成本較低和環境效益好的非晶硅/微晶硅薄膜電池進行綜合經濟效益比較。

3 工程實例

3.1 工程概況

內蒙古阿左旗某并網光伏發電工程建設規模10MWp，站址(37.88°N，105.4°E)位于阿拉善盟最南端的孿井灘生態移民示范區，屬未開發的暖溫帶荒漠干旱區。站址地區太陽能資源豐富，日照時間長，年日照時數在2800h～3500h之間；太陽輻射強度高，年太陽輻射量可達6049MJ/m2。

工程采用“分塊發電，集中并網”的總體設計方案，10MWp光伏陣列分為10個1.0MWp的光伏方陣，組成10個1MWp并網發電單元。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1MWp的并網發電單元通過直流匯流裝置分別接至2臺500kW的逆變器，經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1MW光伏發電單元設置1個分站房，直流匯流裝置、逆變器和交流柜布置在分站房內；35kV、380/220V配電裝置布置在站區35kV配電室內。

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，光伏陣列的總容量10.0234MWp。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參數表。

表2 230Wp多晶硅光伏組件技術參數

表3 460Wp非晶硅/微晶硅薄膜光伏組件技術參數

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點到下午3點之間光伏組件間無遮擋，計算后確定非晶硅/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多晶硅光伏發電單元占地94098m2，5MWp非晶硅/微晶硅薄膜光伏發電單元占地157218.75m2。

3.3 經濟性比較

3.3.1 發電量

我們通過Retscreen光伏計算軟件來估算發電量，計算原始數據和結果見表4。

表4 發電量計算一覽

從表4可以看出，非晶硅/微晶硅薄膜電池的光電轉換效率較低，單位面積的發電量較低；也就是說與多晶硅電池相比，相同的發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好于多晶硅組件，非晶硅/微晶硅薄膜組件的年發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能耗僅為多晶硅組件的50%，考慮光伏組件的生產能耗后，非晶硅/微晶硅薄膜組件的壽命期總發電量較多晶硅組件高約5.6%；從環保角度考慮，非晶硅/微晶硅薄膜組件在節能降耗方面的優勢更大。

3.3.2 初投資

本文只對5MWp多晶硅發電單元和5MWp非晶硅/微晶硅薄膜發電單元初投資的差異部分進行比較，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/微晶硅薄膜發電單元初投資對比表見表5、表6。

表5 初投資計算原始數據

表6 5MWp多晶硅和5MWp非晶硅/微晶硅薄膜發電單元初投資對比

從表6可以看出，由于非晶硅/微晶硅薄膜光伏組件的價格遠低于多晶硅組件，因此在容量相同的條件下，非晶硅/微晶硅薄膜發電單元的初投資遠低于多晶硅組件。但非晶硅/微晶硅薄膜電池的光電轉換效率較低，與多晶硅電池相比，相同的發電功率需要更大的組件面積，因此占地面面積較大、支架費用較高，從而導致直流側接入電纜的數量較大。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/微晶硅薄膜發電單元在征地、支架、電纜等方面的劣勢與其在組件價格方面的優勢相比顯得微不足道。5MWp多晶硅較5MWp非晶硅/微晶硅薄膜發電單元的總投資高984萬元。

3.3.3 綜合經濟效益比較

非晶硅/微晶硅薄膜光伏發電單元的年發電量高于多晶硅，但差異不大；考慮到多晶硅和非晶硅/微晶硅薄膜光伏發電單元在初投資方面的差異，進行年還貸額的比較；綜合考慮發電量和初投資兩方面因素，得出多晶硅和非晶硅/微晶硅光伏發電單元綜合經濟效益比較的結論。以下計算結果以還貸年限15年、年貸款利率6.98%、當地光伏發電上網電價1.10元為原始輸入。

表7 綜合經濟效益對比

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

本工程站址屬荒漠地區，為國家土地劃分的第15類地區，征地取費標準按60元/m2收取。通過計算，當征地費上漲到216元/m2時(9類地區)，多晶硅與非晶硅/微晶硅/微晶硅薄膜發電單元的年還貸額相當；也就是說在同容量、同站址、同太陽能資源的條件下，征地費216元/m2是多晶硅與非晶硅/微晶硅薄膜發電單元綜合經濟效益的一個臨界點；征地費低于216元/m2，非晶硅/微晶硅薄膜發電單元的綜合經濟效益優于多晶硅，征地費高于216元/m2，多晶硅發電單元的綜合經濟效益優于非晶硅/微晶硅薄膜。

4 結論

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

多晶硅光伏發電單元的占地面積約為

20000m2/MWp，非晶硅薄膜發電單元的占地面積約為32000m2/MWp，非晶硅薄膜發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成本低，價格約為多晶硅電池的60%；非晶硅薄膜電池的生產能耗低，為多晶硅電池的50%。

非晶硅薄膜電池弱光響應好，在相同裝機容量、同等光照條件下，非晶硅薄膜發電單元的年發電量高于多晶硅。

在征地費用較低(≯216元/m2)的荒漠、半荒漠地區建設大型光伏并網電站，選用非晶硅薄膜光伏電池較選用晶硅電池年發電量高、初投資低、環境效益好，綜合經濟效益更優。而且晶硅電池技術上已相當成熟，已經形成了完備的產業鏈；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以上的地區年輻射量大于5020MJ/m2.a，年日照時數在2000h以上；太陽年輻射總量基本呈現西部高于東部、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集中在西北地區，主要包括新疆、西藏、青海、甘肅和內蒙古西部，而荒漠和半荒漠地形、地貌占西北地區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光伏發電領域應用前景廣闊，發展潛力巨大。