光伏組件的分類及選型

光伏組件的分類及選型摘要：在光伏電站的建設中，光伏組件作為光伏發(fā)電的核心，其選型是決定工程效率的重要因素。文中首先介紹了三類主要的太陽能電池光伏組件——單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池和薄膜太陽能電池，并針對現(xiàn)今大型光伏電站所處的地理位置等特點，從經(jīng)濟性和實用性等方面對三類光伏組件進行分析。再基于青海格爾某50MW光伏電站項目進行實際分析，指出單晶硅太陽能電池憑借其性能上的優(yōu)勢以及其成本上的降低，將成為大規(guī)模光伏發(fā)電工程中的重要組件。

關鍵詞：太陽能電池；光伏組件；單晶；多晶；薄膜

SelectionandApplicationofPhotovoltaicModuleinthePracticalEngineering

YOUWeitao

（XiamenUniversity

Fujianxiamen

361005China）

Abstract：IntheconstructionofthePVpowerstation，themodelselectionofthePVmodule，whichisthecoreofthePVpowergeneration，isthekeyfactorofthegeneratingefficiency.ThisstudyfirstlymakesacomparisonamongthreemainkindsofPVmodulesofsolarbattery——singlecrystallinesiliconsolarcell，polycrystallinesiliconsolarcellandthinfilmsolarcell.Basedonthecharacteristiclikegeographicpositionofthecurrentlarge-scalePVpowerstation，itanalyzesthesethreekindsofPVmodulesfromeconomyandpracticability.ThenitcarriesoutactualanalysesoftheGolmudPVpowerstationprojectinQinghaiandpointsoutthatthesinglecrystallinesiliconsolarcellwillbecomethemainmoduleofthelarge-scalePVpowergenerationprojectbyitsadvantagesinperformanceanddeclinesincost.

KeyWords：solarbattery；PVmodules；single-crystal；poly-crystal；thinfilm

1引言

傳統(tǒng)意義上的資源因人類的過度開采和使用而日益枯竭，許多國家都意識到開發(fā)新能源的迫切性，各國都投入更大的人力和物力研究開發(fā)新的可再生能源。太陽能作為可再生能源中研究的重點之一，其總量相當于現(xiàn)在人類所利用的能源的一萬多倍而備受關注。因而，在可再生能源中，太陽能因其具有資源豐富，分布廣泛，綠色環(huán)保等優(yōu)點，成為新能源中的焦點。

太陽能可用于發(fā)電，目前將太陽能轉化成電能的方式主要為太陽能光伏發(fā)電。太陽能光伏發(fā)電是利用太陽能級半導體電子器件有效地吸收太陽光輻射能，并使之轉變成電能的直接發(fā)電方式，是當今太陽光發(fā)電的主流。其中，光伏組件是影響光伏發(fā)電效率的重要因素。

2光伏組件的分類

光伏組件是由大量的太陽能電池組合在一起構成。現(xiàn)今太陽能光伏電池的主要類型有：晶體硅電池（包括單晶硅、多晶硅和帶狀硅等）、非晶硅電池、非硅光伏電池（包括硒化銅銦、碲化鎘等）。[1]單晶硅、多晶硅及非晶硅薄膜太陽能電池由于制造技術成熟、產品性能穩(wěn)定、使用壽命長、光電轉化效率相對較高的特點，被廣泛應用于大型并網(wǎng)光伏電站項目。其中晶硅類太陽能電池是目前發(fā)展最成熟并且作為商用電站應用最為廣泛的電池，在應用中居主導地位，占據(jù)了90％左右的市場份額。[2]薄膜電池因其產品特性，今年來雖然極少應用于大型地面光伏電站，但在分布式及離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中應用較多。[3]

2.1單晶硅太陽能電池

單晶硅太陽能電池是最早出現(xiàn)、工藝最為成熟的太陽能光伏電池，也是大規(guī)模生產的硅基太陽能電池中效率最高的。單晶是指整塊材料的原子都按同一間距規(guī)則在空間做周期性排列的晶體。單晶硅電池是將硅單晶進行切割、打磨制成單晶硅片，再在單晶硅片上經(jīng)過印刷電極、封裝流程制成的。大規(guī)模生產的單晶硅電池效率可以達到14～20%。不足之處在于流程中需要采用切割、打磨等工藝，會造成大量硅原料的損失；且受硅單晶棒形狀的限制，單晶硅電池必須做成圓形，對光伏組件的布置也有一定的影響。

2.2多晶硅太陽能電池

多晶硅太陽能電池的整塊材料是由很多小單晶晶粒組成的，由于各個晶粒的方向不同，制成的多晶硅電池可見很多閃亮斑點。多晶硅電池的生產主要有兩種方法，一種是通過澆鑄、定向凝固的方法，制成多晶硅的晶錠，再經(jīng)過切割、打磨等工藝制成多晶硅片，進一步印刷電級、封裝，制成電池。澆鑄方法制造多晶硅片不需要經(jīng)過單晶拉制工藝，消耗能源較單晶硅電池少，并且形狀不受限制，可以做成方便光伏組件布置的方形。另一種方法是在單晶硅襯底上采用化學氣相沉積（VCD）等工藝形成無序分布的非晶態(tài)硅膜，然后通過退火形成較大的晶粒，從而提高發(fā)電效率。多晶硅電池的效率能夠達到13～18％，略低于單晶硅電池的水平。和單晶硅電池相比，多晶硅電池雖然效率有所降低，但是節(jié)約能源，節(jié)約硅原料，達到工藝成本和效率的平衡。

2.3薄膜太陽能電池

薄膜太陽能電池就是將一層薄膜制備成太陽能電池，其用硅量極少，更容易降低成本，同時它既是一種高效能源產品，又是一種新型建筑材料，更容易與建筑完美結合。非晶硅電池是在不同襯底上附著非晶態(tài)硅晶粒制成的，工藝簡單，硅原料消耗量少，襯底廉價，并且可以方便地制成薄膜，具有弱光性好，受高溫影響小的特性。非晶硅薄膜電池市場占有率一度高達20%，但受限于較低的效率，非晶硅薄膜電池市場份額逐步被晶體硅電池取代，目前約為12%。非硅薄膜太陽電池是在廉價的玻璃、不銹鋼和塑料襯底附上非常薄的感光材料制成，比用料較多的晶體硅技術造價更低。目前已商業(yè)化的薄膜光伏電池材料有：硒化銅銦（CIS）、碲化鎘（CdTe）：它們的厚度只有幾微米。薄膜太陽能電池雖然早已出現(xiàn)，其用料少、工藝簡單、能耗低，成本有一定優(yōu)勢，但存在光電轉換效率低約為8%左右、光致衰退率較高等問題。

2.4光伏組件的比較

2.4.1

三種光伏組件比較

單晶硅、多晶硅太陽能電池具有制造技術成熟、產品性能穩(wěn)定、使用壽命長、光電轉化效率相對較高的特點，但多晶硅性能較單晶硅有差距。

硅薄膜太陽能電池具有弱光效應好，成本相對于硅太陽能電池較低的優(yōu)點，但其但碲化鎘則由于原材料存在較嚴重的環(huán)?；厥諉栴}；銅銦硒電池則因原材料稀缺性、成品率低，其規(guī)?；a受到限制。不同組件類型比較見表1。

表1

不同組件類型比較一覽表

從比較結果可以看出：

（1）晶體硅光伏組件技術成熟，性能穩(wěn)定，使用壽命長；

（2）晶體硅電池組件故障率低，運行維護簡單；

（3）在開闊場地上使用晶體硅光伏組件安裝方便，結構簡單緊湊；

（4）盡管非晶硅薄膜電池在價格、弱光響應，高溫性能等方面具有一定的優(yōu)勢，但是使用壽命期相對較短。

一直以來非晶硅薄膜太陽能電池以其成本低，弱光性能較好的優(yōu)點而受到重視。然而隨著晶硅組件技術的不斷提高，晶硅組件價格快速下降，而薄膜太陽能產業(yè)化還屬于技術完善和更新階段，設備不定型，初始投資成本高，所以價格下降幅度小。[3]

非晶硅薄膜電池具有穩(wěn)定性差、光致衰減嚴重、轉換效率低以及成本高的缺點，雖然在20世紀70年代非晶硅薄膜電池就已經(jīng)研發(fā)成功，但一直沒有大規(guī)模應用。更適用于分布式及離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)?，F(xiàn)今大型電站多處荒漠戈壁，風沙大，薄膜電池在運行維護過程中難以清洗且易損壞，故不推薦采用薄膜電池作為大型電站的光伏組件。[4]

2.4.2

單晶硅和多晶硅基礎特性比較

晶硅是太陽能利用最主要的光伏材料。單晶硅太陽能電池光電轉換效率高[5]、可靠性高；各處轉換效率的均勻性；應用高品質的金屬漿料制作背場和電極，導電性優(yōu)于多晶硅。從制作成本上來講，多晶硅太陽能材料制造簡便，節(jié)約電耗，總的生產成本較低，產量和市場占有率最高。[6]單晶與多晶組件對比見表2。

表2

單晶與多晶組件基礎特性比較一覽表

目前多晶硅組件價格要比單晶硅組件價格要低，大約是它的85%，即在組件投資上，多晶硅要節(jié)省15%。然而，就商業(yè)轉化率來看，單晶硅比多晶硅要高。另外，它們的制造工藝不一樣，單晶硅的結構更穩(wěn)定，使用壽命也更長。就整個系統(tǒng)建設投資來看，采用單晶硅，其性價比會更好，能夠取得更好的效益。[7]現(xiàn)在單晶與多晶之間的價格差在不斷減小，就性價比來看，單晶硅的性價比將會更高。[3]

2.4.3

單晶與多晶硅發(fā)電量對比

（1）弱光性

根據(jù)國內某研究所提供的弱光性對比數(shù)據(jù)分析，分析過程如下：

試驗方案：采用在組件置于戶外條件下進行I-V曲線測試，測得組件在戶外條件下不同輻照度的實際輸出功率。

組件選?。翰捎猛瑥S家、同BOM材料、同生產條件的單晶270W、多晶260W組件（其中電池也為同一廠家生產）各3塊進行對比。

數(shù)據(jù)選?。哼x取不同輻照度下的單、多晶組件實時輸出功率，并標準化到每瓦安裝量對應的輸出功率。

數(shù)據(jù)采集周期：2014年9月24日——2015年1月4日。

實驗數(shù)據(jù)：見表3。

表3

單晶與多晶組件光譜響應特性表

結論：270W單晶光譜響應特性優(yōu)于260W多晶，在不同輻照度下單晶比多晶單瓦發(fā)電量高約1.41%（加權平均值）；且輻照度低于500W/m2時差異明顯，單晶的弱光性能優(yōu)于多晶。

（2）工作溫度

根據(jù)溫度系數(shù)原理，組件工作溫度比標準溫度每上升1℃，組件輸出功率降低0.41%。一般來說，單多晶組件溫度差在冬季為3-5℃，在夏季為8-12℃。由能量守恒定律可知，單晶組件光電轉換效率高，將更多光能轉化為電能，所以單晶的光熱轉換相對就少，組件溫度上升緩慢，功率損失就相應減少。[8]

（3）光譜響應

實驗表明，單晶的光譜響應范圍比多晶高5.68%-7.68%，因而單晶量子效率高于多晶，所以一般來說，單晶的上午系統(tǒng)啟動時間比多晶早15-30分鐘，下午系統(tǒng)停止時間比多晶晚15-30分鐘，單晶每日的發(fā)電量要多于多晶。

（4）線損少

同樣的安裝容量下，單晶的工程量要比多晶少8%，且單晶電力線纜用量更少，相應的傳輸損耗比多晶要少。

（5）長期衰減低

根據(jù)實測數(shù)據(jù)，從第2年起，單晶組件平均年衰減約為0.55%，少于多晶組件的平均年衰減0.73%。

圖1

單晶與多晶組件25年衰減率比較

綜上所述，由本次試驗我們可以得出單晶組件的實際發(fā)電量要高于多晶組件，因此單晶組件更適合運用于大規(guī)模發(fā)電工程。

實際使用效果將在之后的項目中進行具體的比較。

3實際案例分析

2015年日本AIST光伏技術研究中心層公布數(shù)據(jù)，運行20年，單晶硅比多晶硅衰減率多4個百分點。然而，由于這是日本實驗室的小范圍、短時間實驗數(shù)據(jù)，20年數(shù)據(jù)為外推結果，因此數(shù)據(jù)有很大的局限性。

依據(jù)2015年順德中山大學太陽能系統(tǒng)研究所的研究數(shù)據(jù)，監(jiān)測的5個月內，單晶硅比多晶硅發(fā)電量高3.89%。因此可以認為，組件的類型是單晶硅還是多晶硅，并不是影響組件衰減的最主要因素，也不是影響發(fā)電量的最主要因素。

長江設計院于2015年，參與建設與設計了青海格爾木某光伏電站項目，該項目容量為50.01MWP，采用兩種不同功率的組件，其中單體功率310WP的多晶硅組件96804塊，單體功率320WP的單晶硅組件62532塊，共布置159336塊光伏組件。

該項目共分為50個約1.0MWP的光伏方陣，1#至20#組為單晶硅組件光伏串列，按縱一橫十八豎向布置，共3474組；21#至45#組為多晶硅組件光伏串列，按縱二橫十八豎向布置，共2240組，46#至50#組為多晶硅組件光伏串列，按縱四橫九橫向布置，共449組。

因部分方陣并未同時接入并網(wǎng)，因此，提取2016年1～8月中單晶、多晶同時投產的各10MW實際發(fā)電數(shù)據(jù)進行分析比較，見表4。

正常情況下，10MW單晶硅光伏方陣在2016年1～8月發(fā)電量較多晶硅方陣發(fā)電量增加28.3萬千瓦時，百分比可高出2.44%。

因僅有8個月的數(shù)據(jù)，衰減問題無法判斷，后續(xù)比較數(shù)據(jù)有待驗證。相信該工程的完成和投運對多晶硅、單晶硅的多因素對比分析會起到很重要的數(shù)據(jù)支撐作用。

表4

單晶與多晶發(fā)電量比較表

4結語

太陽能光伏電站電池組件設計選型需要通過對各種太陽電池性能的了解分析，確定太陽電池類型；同時根據(jù)目前市場上該類產品的技術性能、市場占有率、生產情況等因素確定太陽能電池組件規(guī)格；結合工程實際條件對已經(jīng)確定的太陽能電池組件進行技術經(jīng)濟比較，最終確定適于該太陽能光伏電站的技術合理、經(jīng)濟效益顯著的太陽能電池組件。[9]

薄膜太陽電池盡管有制造工藝簡單、成本低、在弱光條件下性能好等突優(yōu)點，但其轉化效率相對較低、占地面積大、穩(wěn)定性較低，在地日照輻射強度大、穩(wěn)定性好的地區(qū)，非晶硅薄膜電池弱光效率好的特性難以充分利用，因此薄膜電池多用于建筑光伏一體化工程而鮮用于大型并網(wǎng)光伏電站。

晶硅類太陽電池由于產量充足、制造技術成熟、產品性能穩(wěn)定、使用壽命長、光電轉化效率相對較高的特點，被廣泛應用于大型并網(wǎng)光伏電站項目。單晶硅首先制成運用于光伏發(fā)電，但由于其成本較高，加之鑄錠單晶技術的失敗導致單晶硅發(fā)電陷入困境。多晶硅則因制造工藝相對簡單、便于加工切割、一體化生產程度高、效率可與單晶硅相抗衡等特點而遙遙領先于其他類型太陽能電池，多晶以低成本的優(yōu)勢快速擴大市場份額，一度占太陽能發(fā)電市場份額的80％以上。[9]然而近年來