太陽能光電建筑一體化示范項目電池板選型和發(fā)電量估計

太陽能光電建筑一體化示范項目電池板選型和發(fā)電量估計1.1太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類及構(gòu)成太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)按與電力系統(tǒng)關(guān)系分類，通常分為獨立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。并網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是與電力系統(tǒng)連接在一起的光伏發(fā)電系統(tǒng)，一般分為集中式和分散式兩種，集中式并網(wǎng)電站一般容量較大，通常在幾百千瓦到兆瓦級以上，而分散式并網(wǎng)系統(tǒng)一般容量較小，在幾千瓦到幾十千瓦。本工程屬于新建低壓并網(wǎng)型太陽能光伏發(fā)電裝置，主要供給所在廠房內(nèi)低壓負荷用電。在并網(wǎng)光伏電站中，太陽能通過太陽電池組成的光伏陣列轉(zhuǎn)換成直流電，經(jīng)過三相逆變器（DC-AC）轉(zhuǎn)換成電壓較低的三相交流電，接入廠內(nèi)變壓器低壓側(cè)，直接送入低壓配電室供廠內(nèi)負荷用電。本工程光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽電池陣列、逆變器及并網(wǎng)系統(tǒng)三大部分組成，其中太陽電池陣列及逆變器組合為發(fā)電單元部分。1.2太陽能電池發(fā)電原理太陽能電池是利用光伏效應(yīng)將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置。當N型和P型兩種不同型號的半導體材料接觸后，由于擴散和漂移作用，在界面處形成由P型指向N型的內(nèi)建電場。太陽能電池吸收一定能量的光子后，半導體內(nèi)部產(chǎn)生電子—空穴對，電子帶負電，空穴帶正電。在P-N結(jié)內(nèi)建電場的作用下，電子和空穴被分離，產(chǎn)生定向運動，并被太陽能電池的正、負極收集，在外電路中產(chǎn)生電流，從而獲得電能。圖1.1太陽能電池結(jié)構(gòu)原理1.3太陽電池組件選擇太陽電池組件的選擇應(yīng)綜合考慮目前已商業(yè)化的各種太陽電池組件的產(chǎn)業(yè)形勢、技術(shù)成熟度、運行可靠性、未來技術(shù)發(fā)展趨勢等，并結(jié)合電站周圍的自然環(huán)境、施工條件、交通運輸?shù)臓顩r，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟綜合比較選用適合集中式大型并網(wǎng)光伏電站使用的太陽電池組件類型。1.3.1太陽電池組件類型的選擇1.3.1.1太陽電池分類目前太陽電池按基體材料主要分為：（1）硅太陽電池：主要包括單晶硅（Monocrystallinesilicon）電池、多晶硅（polycrystallinesilicon）電池、非晶硅（Amorphous-Si）電池、微晶硅（μc-Si）電池以及HIT電池等。（2）化合物半導體太陽電池：主要包括單晶化合物電池如砷化鎵（GaAs）電池、多晶化合物電池如銅銦鎵硒（CIGS）電池、碲化鎘（CdTe）電池等、氧化物半導體電池如Cr2O3和Fe2O3等。（3）有機半導體太陽電池：其中有機半導體主要有分子晶體、電荷轉(zhuǎn)移絡(luò)合物、高聚物三類。（4）薄膜太陽電池：主要有非晶硅薄膜電池（α-Si）、多晶硅薄膜太陽電池、化合物半導體薄膜太陽電池、納米晶薄膜電池等。2010年，我國的太陽能電池年產(chǎn)量約為10GW，占全球總產(chǎn)量的50%。結(jié)合國內(nèi)太陽電池市場的的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和產(chǎn)能情況，市場主流依然還是晶硅類太陽電池，約占80%市場份額，非晶硅薄膜太陽電池所占市場份額較小。1.3.1.2太陽電池性能技術(shù)比較結(jié)合目前國內(nèi)太陽電池市場的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和產(chǎn)能情況，選取目前市場上主流太陽電池（即晶體硅電池和非晶硅薄膜電池）進行性能技術(shù)比較。（1）晶體硅太陽電池單晶硅是規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu)，它的每個原子都理想地排列在預(yù)先確定的位置，因此，它能表現(xiàn)出均勻、穩(wěn)定的特性。單晶硅電池太陽電池是發(fā)展最早，工藝技術(shù)也最為成熟的太陽電池，也是大規(guī)模生產(chǎn)的硅基太陽電池中，效率最高的電池，目前規(guī)模化生產(chǎn)的商用電池效率在14%～20%，曾經(jīng)長期占領(lǐng)最大的市場份額。正是由于其晶體結(jié)構(gòu)需要規(guī)則排列，單晶硅材料的制造過程較為復(fù)雜，面積利用率和材料利用率均較低，制造成本相對較高。多晶硅太陽電池是二十世紀八十年代發(fā)明的一種新型太陽電池，自問世以來，發(fā)展非常迅速，八十年代末期它僅占太陽電池材料的10%左右，而到1996年底，已占整個太陽電池材料的36%左右。它以相對低成本、高效率的優(yōu)勢不斷擠占單晶硅太陽電池的市場，已成為最有競爭力的的太陽電池材料。多晶硅太陽電池的主要缺點是電池片中含有大量的晶粒、晶界、位錯，因此轉(zhuǎn)換效率低于單晶硅太陽電池。規(guī)模化生產(chǎn)的商用多晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率目前在14%～17%。和單晶硅電池相比，多晶硅電池雖然效率有所降低，但是生產(chǎn)成本也較單晶硅太陽電池低，具有節(jié)約能源，節(jié)省硅原料的特點，易達到工藝成本和效率的平衡，目前已成為產(chǎn)量和市場占有率最高的太陽電池。晶體硅類太陽電池在二十一世紀的前20年內(nèi)仍將是居主導地位的光伏器件，并將不斷向效率更高、成本更低的方向發(fā)展。（2）薄膜類太陽電池由沉積在玻璃、不銹鋼、塑料、陶瓷襯底或薄膜上的幾微米或幾十微米厚的半導體膜構(gòu)成。由于其半導體層很薄，可大為節(jié)省電池材料，降低生產(chǎn)成本，因而是最有前景的新型太陽電池，已成為當今世界光伏技術(shù)研究開發(fā)的重點項目、熱點課題。在薄膜類電池中非晶硅薄膜電池（α-Si）所占市場份額最大。其主要具有如下特點：a)材料用量少，制造工藝簡單，可連續(xù)大面積自動化批量生產(chǎn)，制造成本低；b)制造過程消耗電力少，能量償還時間短；c)基板種類可選擇；d)弱光效應(yīng)好，溫度系數(shù)低，發(fā)電量多。薄膜類太陽電池中碲化鎘、銅銦硒電池則由于原材料劇毒或原材料稀缺性，其規(guī)?；a(chǎn)受到限制，目前仍在進一步研究中。緊緊圍繞提高光電轉(zhuǎn)換效率和降低生產(chǎn)成本兩大目標，世界各國均在進行各種新型太陽電池的研究開發(fā)工作。目前，晶體硅高效太陽電池和各類薄膜太陽電池是全球新型太陽電池研究開發(fā)的兩大熱點和重點。已進行商業(yè)化應(yīng)用的單晶太陽電池、多晶硅太陽電池、非晶硅薄膜太陽電池、碲化鎘薄膜太陽電池、銅銦硒薄膜太陽電池主要特性如表1.1。表1.1 單晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜太陽電池的比較電池種類晶硅類薄膜類單晶硅多晶硅非晶硅碲化鎘銅銦硒商用效率14%～20%14%～17%5%～9%5%～8%5%～8%實驗室效率24%20.3%12.8%17.3%19.5%使用壽命25年25年25年25年25年組件層厚度厚層厚層薄層薄層薄層規(guī)模生產(chǎn)已形成已形成已形成已形成已證明可行環(huán)境問題中性中性中性有（使用鎘）除使用鎘外為中性能量償還時間2～3年2～3年1～2年1～2年1～2年主要原材料中中豐富鎘和碲化物都是稀有金屬銦是昂貴的稀有金屬生產(chǎn)成本高較高較低相對較低相對較低主要優(yōu)點效率高技術(shù)成熟效率較高技術(shù)成熟弱光效應(yīng)好成本較低弱光效應(yīng)好成本相較低弱光效應(yīng)好成本相對較低由上表可見，晶硅類電池中單晶硅電池和多晶硅電池最大的差別是單晶硅電池的光電轉(zhuǎn)化效率略高于多晶硅電池，也就是相同功率的電池組件，單晶硅電池組件的面積小于多晶硅電池組件的面積。兩種電池組件的電性能、壽命等重要指標相差不大，若僅考慮技術(shù)性能，在工程實際應(yīng)用過程中，無論單晶硅還是多晶硅電池都可以選用。晶硅類太陽電池由于產(chǎn)量充足、制造技術(shù)成熟、產(chǎn)品性能穩(wěn)定、使用壽命長、光電轉(zhuǎn)化效率相對較高的特點，被廣泛應(yīng)用于大型并網(wǎng)光伏電站項目。非晶硅薄膜太陽電池存在效率相對較低、占地面積較大、穩(wěn)定性不佳等缺點，隨著技術(shù)和市場的發(fā)展，由于制造工藝相對簡單、成本低、不需要高溫過程、在弱光條件下性能好于晶硅類太陽電池等突出的優(yōu)點，非晶硅薄膜電池占據(jù)了一定的市場份額。1.3.1.3太陽電池經(jīng)濟性比較晶體硅太陽電池、非晶硅薄膜太陽電池在目前已建或在建的光伏電站中均已有應(yīng)用。采用各種不同類型電池組件建造的光伏電站主要差異在于：由于轉(zhuǎn)化效率不同，使得光伏陣列的占地面積不同，電纜用量不同，支架用鋼量、支架基礎(chǔ)混凝土量等有所差異。隨著光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)進步及市場的發(fā)展，各類電池生產(chǎn)廠商之間的競爭也日趨激烈，市場價格不斷下降。盡管非晶硅薄膜電池由于弱光效應(yīng)會帶來一定的發(fā)電量增加（約5%），但由于當前晶硅類太陽電池組件價格大幅走低，非晶硅薄膜太陽電池組件在經(jīng)濟性方面暫時沒有優(yōu)勢。1.3.1.4太陽電池技術(shù)路線發(fā)展從目前已出臺的電價政策來看，想在1元/kWh或更低的電價下實現(xiàn)一定的收益率，其根本途徑仍然在于大幅度降低光伏電池材料成本。降低光伏電池材料成本的技術(shù)目前主要有三條：一是冶金法生產(chǎn)太陽能級多晶硅（UMG-Si）。相比較于目前主流的改良西門子法生產(chǎn)多晶硅工藝，冶金法具有明顯的成本優(yōu)勢。目前的主要障礙在于冶金法生產(chǎn)的多晶硅雜質(zhì)不穩(wěn)定性十分明顯，雜質(zhì)分布不均勻，批次間質(zhì)量不穩(wěn)定。如何解決質(zhì)量穩(wěn)定性問題已經(jīng)成為冶金法最重要的課題。二是改進硅片生產(chǎn)工藝。通過降低硅片厚度、減少切片損耗降低硅材料成本。目前硅片厚度已普遍從370微米降到200微米甚至更薄。三是采用薄膜技術(shù)。薄膜太陽能電池的厚度一般只有1微米～10微米，制備在玻璃等相對廉價的襯底材料上，可以實現(xiàn)低成本、大面積的工業(yè)化生產(chǎn)。對于非晶硅薄膜、多晶硅薄膜太陽能電池而言，目前的主要問題是轉(zhuǎn)換效率低，而且存在光致衰減效應(yīng)。由以上可見，晶硅類電池與薄膜類電池在技術(shù)方面互有優(yōu)劣，未來到底哪種技術(shù)占據(jù)主流取決于哪種技術(shù)能取得突破性進展，克服自身弱點。1.3.1.5太陽電池類型的確定從太陽輻照特征和環(huán)境條件的角度來說，本工程場址區(qū)內(nèi)各種類型的太陽電池均可應(yīng)用，但在具體應(yīng)用時應(yīng)進行合理的系統(tǒng)設(shè)計，以達到最佳運行效果。對市場上所占份額最大的兩類電池（晶硅太陽電池和非晶硅薄膜太陽電池）的技術(shù)經(jīng)濟經(jīng)行綜合比較可知：多晶硅電池成熟度較高，效率穩(wěn)定，國內(nèi)外均有較大規(guī)模應(yīng)用的實例，太陽電池市場占有率最大，目前相價格對較低，綜合考慮各種因素，本工程推薦全部選用多晶硅電池組件。1.3.2太陽電池組件的選型多晶硅太陽電池組件的功率規(guī)格較多，從5Wp到300Wp國內(nèi)均有生產(chǎn)廠商生產(chǎn)，且產(chǎn)品應(yīng)用也較為廣泛。由于本工程系統(tǒng)裝機容量為2.6MWp，組件用量大，占地面積廣，組件安裝量大，所以設(shè)計優(yōu)先選用單位面積功率大的電池組件，以減少占地面積，降低組件安裝量。采用不同規(guī)格多晶硅電池組件組成2.6MWp電池方陣的組件用量比較，見表1.3。表1.2 不同多晶硅電池組件組成的2.6MWp方陣的組件數(shù)量比較方案參數(shù)方案一方案二方案三組件峰值功率(Wp)175250280串聯(lián)數(shù)量（塊）2620171MWP子方陣并聯(lián)數(shù)量（路）2322002201MWP子方陣組件數(shù)量（塊）6032400037402.6MWp方陣組件數(shù)量（塊）*15684104009724由表1.3比較可以得出：采用250Wp組件和280Wp組件組成2.6MWp光伏陣列所使用的組件數(shù)量均較少，組件數(shù)量少意味著組件間連接點少，施工進度快；且故障幾率減少，接觸電阻小，線纜用量少，系統(tǒng)整體損耗相應(yīng)降低。另外，通過市場調(diào)查，國內(nèi)主流廠商生產(chǎn)的多晶硅太陽能組件應(yīng)用于大型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的，其規(guī)格大多數(shù)均在150Wp到300Wp之間，在這個區(qū)間范圍內(nèi)，市場占有率比較高的幾家廠商所生產(chǎn)的多晶硅太陽能組件規(guī)格尤以235Wp到250Wp之間居多。綜合考慮組件效率、技術(shù)成熟性、市場占有率，以及項目建設(shè)工期、廠家供貨能力等多種因素。本工程推薦選用多晶硅太陽能組件規(guī)格為250Wp。250Wp型多晶硅電池組件各項性能指標如下，其特性曲線見圖1.3。表1.3多晶硅電池組件性能指標表名 稱參數(shù)標準測試條件下峰值功率（Wp）250最佳工作電流（A）8.0最佳工作電壓（V）29.2短路電流（A）8.4開路電壓（V）36.7工作溫度（℃）-40～+85最大系統(tǒng)電壓（V）1000組件效率15%短路電流溫度系數(shù)（%/℃）（0.065±0.015）開路電壓溫度系數(shù)（%/℃）－（0.36±0.05）峰值功率溫度系數(shù)（%/℃）－（0.5±0.05）組件尺寸（mm）1650×992×50重量（kg）19.4圖1.2太陽能電池組件結(jié)構(gòu)圖圖1.3250Wp多晶硅電池組件特性曲線圖1.4不同輻射和溫度下的電流—電壓特性1.4電池陣列的運行方式設(shè)計1.1.1電池陣列的運行方式選擇1.1.1.1電池陣列的運行方式分類在光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計中，光伏組件方陣的運行方式對系統(tǒng)接收到的太陽總輻射量有很大的影響，從而影響到光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電能力。光伏組件的運行方式有固定安裝式和自動跟蹤式幾種型式。其中自動跟蹤系統(tǒng)包括單軸跟蹤系統(tǒng)和雙軸跟蹤系統(tǒng)。單軸跟蹤（水平單軸跟蹤和斜單軸跟蹤）系統(tǒng)以固定的傾角從東往西跟蹤太陽的軌跡，雙軸跟蹤系統(tǒng)（全跟蹤）可以隨著太陽軌跡的季節(jié)性位置的變換而改變方位角和傾角。1.1.1.2電池陣列的運行方式的比較對于自動跟蹤式系統(tǒng)，其傾斜面上能最大程度的接收太陽總輻射量，從而增加了發(fā)電量。經(jīng)初步計算，若采用水平單軸跟蹤方式，系統(tǒng)理論發(fā)電量（指跟蹤系統(tǒng)自日出開始至日落結(jié)束均沒有任何遮擋的理想情況下）可提高15%～20%；若采用斜單軸跟蹤方式，系統(tǒng)理論發(fā)電量可提高25%～30%；若采用雙軸跟蹤方式，系統(tǒng)理論發(fā)電量可提高30%～35%。然而系統(tǒng)實際工作效率往往小于理論值，其原因有很多，例如：太陽電池組件間的相互投射陰影，跟蹤支架運行難于同步等。雙軸跟蹤式投資遠高于單軸系統(tǒng)，并且占地面積比較大。根據(jù)已建工程調(diào)研數(shù)據(jù)，安裝晶硅類電池組件，若采用水平單軸跟蹤方式，系統(tǒng)實際發(fā)電量可提高約15%，若采用斜單軸跟蹤方式，系統(tǒng)實際發(fā)電量可提高約20%。在此條件下，以固定安裝式為基準，對1MWp光伏陣列采用三種運行方式比較如表1.4。表1.41MWp陣列各種運行方式比較項目固定安裝式水平單軸跟蹤方式斜單軸跟蹤方式雙軸跟蹤方式發(fā)電量增加百分比(%)100115120125占地面積（萬m2）2.43.21.85.0直接投資增加百分比(%)100111114122運行維護工作量小有旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，工作量較大有旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，工作量大有旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，工作量更大支撐點多點支撐多點支撐多點支撐單點支撐抗大風能力迎風面積固定，抗風較差。風大時可將板面調(diào)平，抗風較好。風大時可將板面調(diào)平，抗風較好。風大時可將板面調(diào)平，抗風較好。由表中數(shù)據(jù)可見，固定式與自動跟蹤式各有優(yōu)缺點：固定式初始投資較低、且支架系統(tǒng)基本免維護；自動跟蹤式初始投資較高、需要一定的維護，但發(fā)電量較傾角最優(yōu)固定式相比有較大的提高，假如不考慮后期維護工作增加的成本，采用自動跟蹤式運行的光伏電站單位電度發(fā)電成本將有所降低。若自動跟蹤式支架造價能進一步降低，則其發(fā)電量增加的優(yōu)勢將更加明顯；同時，若能較好解決陣列同步性及減少維護工作量，則自動跟蹤式系統(tǒng)相較固定安裝式系統(tǒng)將更有競爭力。1.1.1.3電池陣列的運行方式的確定經(jīng)對固定式和跟蹤式兩種運行方式的初步比較，考慮到本工程規(guī)模較大，固定式初始投資較低、且支架系統(tǒng)基本免維護；自動跟蹤式雖然能增加一定的發(fā)電量，但目前初始投資相對較高、而且后期運行過程中需要一定的維護，運行費用相對較高，另外電池陣列的同步性對機電控制和機械傳動構(gòu)件要求較高，自動跟蹤式缺乏在場址區(qū)或相似特殊的氣候環(huán)境下的實際應(yīng)用的可靠性驗證，在我國氣候環(huán)境較復(fù)雜的荒漠區(qū)大規(guī)模應(yīng)用的工程也相對較少，同時國內(nèi)技術(shù)成熟可靠穩(wěn)定的跟蹤系統(tǒng)生產(chǎn)廠家相對較少。因此，本工程推薦選用固定式運行方式。1.1.2電池陣列傾角的選擇本工程設(shè)計容量2.6MWp，選用CNPV-250P產(chǎn)品共10440片。電池陣列的安裝傾角對光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率影響較大，對于固定式電池列陣最佳傾角即光伏發(fā)電系統(tǒng)全年發(fā)電量最大時的傾角。本項目混凝土屋面采用太陽能電池板采用31°鋪設(shè)的方式進行布置，彩鋼瓦屋面采用太陽能電池板采用平鋪方式進行布置。廠房屋頂?shù)钠矫嫘Ч麍D如圖1.5所示。圖1.5廠區(qū)屋頂平面效果圖1.1.3多晶硅電池組件鋪設(shè)與安裝設(shè)計光伏組件在作用于光伏組件上的各種荷載中，主要有風、雪荷載、地震作用、結(jié)構(gòu)自重和由環(huán)境溫度變化引起的作用效應(yīng)等等，其中風荷載引起的效應(yīng)最大。在進行構(gòu)件、連接件和預(yù)埋件承載力計算時，必須考慮各種荷載和作用效應(yīng)的分項系數(shù)，在節(jié)點設(shè)計中通過預(yù)留一定的間隙，消除了由各種構(gòu)件和飾面材料熱脹冷縮引起的作用效應(yīng)。因此，在選址時必須請相關(guān)設(shè)計單位進行建筑屋頂結(jié)構(gòu)安全的復(fù)核。公共建筑供人們進行各種公共活動的建筑，經(jīng)現(xiàn)場踏勘結(jié)果，安裝光伏系統(tǒng)主體建筑物是混凝土屋面。根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式，在保證荷載量的基礎(chǔ)上/或者采用必要的加固措施后，在原有屋面直接做條形混凝土支墩基礎(chǔ)，上接電池組件的金屬支架。這樣保證了不會破壞原有的屋面防水層和保溫層。1.5本工程年發(fā)電量的估算山東省內(nèi)目前僅濟南、福山、莒縣三個日射站，對比3個日射站所處的地理位置及氣象條件，福山站與某的氣候條件相似，故本工程暫按福山站太陽總輻射資料計算，但福山站沒有水平直接輻射量和散射輻射量的資料，故本階段暫按濟南日射站直接輻射量和散射輻射量的比例關(guān)系確定。本階段太陽輻射量資料見表1.6。表1.5太陽輻射量資料2009年修正值代表年1月243.46.3249.72月321.48.