分布式光伏電站系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與集成

分布式光伏電站系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)

計

與集成

目錄

一、光伏發(fā)電的原理

二、太陽電池的發(fā)展歷程

三、太陽電池技術(shù)的現(xiàn)狀與趨勢

四、各種光伏組件制造技術(shù)

五、光伏電站中的組件選型分析

六、光伏電站建設(shè)過程要避免的組件制造缺陷

七、光伏逆變器的原理及選型

八、光伏匯流箱的原理及選型

九、支撐部件

十、箱變

十一、電站監(jiān)控

十二、分布式光伏電站系統(tǒng)設(shè)計與集成

十三、年發(fā)電量與系統(tǒng)效率

十四、分布式現(xiàn)場舉例

十五、系統(tǒng)建設(shè)過程中應(yīng)注意的關(guān)鍵問題

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1光伏效應(yīng)*革球3PlSw^p*?卻，MW

269828.W30.9732.0635.4539.95

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1941年，發(fā)現(xiàn)了硅的光伏效應(yīng)4^4|?!網(wǎng)％/4T3

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形成P-N結(jié)前載流子的擴散過程空間電荷區(qū)和內(nèi)建電場

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2等效電路

Sh

,q(V+IR)/nkT])"/V

P=IV=Ules

pho

Sh

二[Iph1(冽Y+IRs)5kT+&

0

Sh

在短路時

1R/nkT]、IR§

S

sc-ph

0Rsh

通常Rs很小，

sc-ph

在開路時

VnkT]n(Jph+1)

OC

q0

3測試方法

lightsourceapproximates

airmass1.5computer

controlled

powersource

temperaturecontrolled

testingblockfixescell

temoeratureat25℃

光強:1000W/m2光譜分布:AMI.5電池溫度：25℃

輸出曲線

FF=lmpxVmp

\IscxVoc

二山

areaB

rVocVoltage

4太陽電池電性能參數(shù)

短路電流（Isc）：理想情況下，等于光生電流兒。

影響因素：面積、光強、溫度

開路電壓（Voc）：影響因素：光強、溫度、材料特性

填充因子（FF）：最大輸出功率與開路電壓和短路電流乘

積之比

FF=Pm/VocIsc-VmIm/VocIsc

影響因素：串聯(lián)電阻、并聯(lián)電阻

轉(zhuǎn)換效率（n）：

ImVm

Pin

5太陽電池的分類

(1)晶體硅電池：單晶硅，多晶硅(類單晶)，

帶硅等；

(2)薄膜電池：a-Si,a-Si/(Lic-Si,poly-Si,

CIGS,CdTe,GaAs等；

(3)Gratzel(納米氧化鈦染料電池)，有機電

池。

(4)新型概念電池：

中間帶(雜質(zhì)帶，量子點)電池,

熱載流子電池等。

二、太陽電池的發(fā)展歷程

1晶體硅太陽電池組件的發(fā)展歷程

1941年，發(fā)現(xiàn)了硅的光伏效應(yīng)

1954年，貝爾實驗室的Chapin,Fullerand

Pearson(J.Appl.Phys.251954,676)發(fā)明了

可輸出電力的第一塊、具有現(xiàn)代意義的硅太

陽電池，其效率由當(dāng)初的6%很快提高到10%。

1955年，Bell實驗室為了驗證光伏技術(shù)為通

信系統(tǒng)供電的潛力，設(shè)計了第一塊光伏組件

（10W,硅油密封，組件效率：2%）,10月投入

使用，1956年3月退出，結(jié)論是不成熟的。

1958年，硅太陽電池開始在空間使用。

重新評估光伏地面應(yīng)用的潛力發(fā)生在70年代

早期。

Sharp：1959涉足光伏，1964年建立生產(chǎn)

線，100美元/瓦，航標(biāo)燈

Philips（FrenchRTC）：1961年開始生產(chǎn)太

陽能航標(biāo)燈，用硅橡膠封在環(huán)氧玻璃板上，50美

金/瓦）向市場供應(yīng)了小的商業(yè)組件

隨后的石油危機和通信的需求刺激了光伏的

發(fā)展，SolarPower（1973年成立）開始從事光伏,

把電池用硅橡膠密封在PCB板上。

70年代中期，美國政府開始大力支持光伏的

發(fā)展，1976年，第一塊現(xiàn)代意義的光伏組件誕生

To

BlockI：1975-1976,54K肌兩家公司的結(jié)構(gòu)是：將電池封

在丙烯酸樹脂里和玻璃/硅橡膠/電池/硅橡膠/鋁板(NOCT：

35℃)o

高可靠組件的標(biāo)志是Philips公司在1976年生產(chǎn)的BPX47A,

其結(jié)構(gòu)是雙層玻璃+硅橡膠、橡膠邊緣密封、鋁框、電池的電極

是Ti/Pd/Ag,組件效率6.4%。

BlockII：1976-1977,127KW,Qualificationtest,

四家制造商提供樣品。

Spectrolab:Glass/PVB/Cells/PVB/聚酯；層壓工藝，絲

網(wǎng)印刷，A1背場，對現(xiàn)代電池及組件技術(shù)貢獻很大，后集中精

力于空間光伏，1978年前后退出地面光伏，ARCO購買地面部分。

BlockIII：1978-1979,ARCO提供了259KW,12-18美元/

瓦，Tedlar代替聚酯(Spectrolab的一部分,1999,BP)。

BlockIV：1980-1981,26K肌G/PVB/Cells

/PVB/T/St/T(ARCO)。

1980-1981,EVA代替了PVB,出現(xiàn)準(zhǔn)方

片、多晶電池(Solarex)o

1982年，ARCO推出了五年質(zhì)保的組件，

1982年5月，安裝了10KW的系統(tǒng)，20年后，

22%的組件有碎片(熱斑)，絕大部分發(fā)黃

或背板分層。

BlockV：1981-1985,全部由PVB變成

EVA,ARCO開始用TPT。

經(jīng)歷了十年的大幅支持后，美國政府

開始大量減小了對光伏的支持。

1985年，Kyocera開始提供十年質(zhì)保的組件，

1987年,增加到12年。

九十年代中期，BPSolar將質(zhì)保增加到20年。

1997年6月，Siemens開始提供25年的質(zhì)保。

15年的組件

2非晶硅薄膜光伏電池的發(fā)展歷程

(1)材料和制造工藝成本低。這是因為襯底材料，如玻璃、不

銹鋼、塑料等，價格低廉。高的光學(xué)吸收系數(shù)導(dǎo)致其所用材料很

少；制作工藝為低溫工藝(200—300℃),生產(chǎn)的耗電量小，能量

回收時間短。

(2)易于形成大規(guī)模生產(chǎn)能力。這是因為核心工藝適合制作特

大面積無結(jié)構(gòu)缺陷的a-Si：H合金薄膜，只需改變氣相成分或者

氣體流量便可實現(xiàn)pn結(jié)以及相應(yīng)的迭層結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)可全流程自動

化。

(3)品種多，用途廣。薄膜a-Si:H太陽電池易于實現(xiàn)集成化，

器件功率、輸出電壓、輸出電流都可自由設(shè)計制造，可以較方便

地制作出適合不同需求的多品種產(chǎn)品。由于光吸收系數(shù)高，暗電

導(dǎo)很低，適合制作室內(nèi)用的微低功耗電源，如手表電池、計算器

電池等。由于a-Si:H膜的硅網(wǎng)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能結(jié)實，適合在柔性的

襯底上制作輕型的太陽電池，可以制造建筑幕墻(BIPV)o

(4)非晶硅弱光性能和低的溫度系數(shù)的優(yōu)點，從實際的測量結(jié)

果來說，相同功率的非晶硅組件和晶體硅組件相比，每年能夠多

10%-20%的能量.特別對于陰雨天較多的地區(qū)，效果會更加明顯。

非晶硅太陽電池是在70年代中期誕生的，這

是科學(xué)家力圖使自己從事的科研工作適應(yīng)社會需

求的一個范例。他們在報告中提出了發(fā)明非晶硅

太陽電池的兩大目標(biāo)：與昂貴的晶體硅太陽電池

競爭；利用非晶硅太陽電池發(fā)電，與常規(guī)能源競

爭。

1975年，英國的W.E.Spear等人利用SiH4的輝

光放電技術(shù)成功地實現(xiàn)了非晶硅膜的高效率氣相

攙雜，使非晶硅p-n結(jié)的制備成為可能；

1976年,美國的Carlson和Wronski制成了世

界上第一個光電轉(zhuǎn)換效率為2.4%的可供實用的非

晶硅太陽電池；

1979年，日本三洋公司開發(fā)了集成型非晶硅

太陽電池和大面積實用化技術(shù)，發(fā)展了多室沉積

工藝；

1980年，日本三洋公司和富士公司首次工業(yè)化生產(chǎn)a-Si：

H電池作電源的計算器投放市場；

1982年，Catalano、Morimoto等人將非晶硅太陽電池的

實驗室效率提高到10.1%,同年日本三洋公司建成了

100X100mm2,生產(chǎn)效率為5.6%,產(chǎn)能達IMWp的生產(chǎn)廠，開發(fā)卷

筒式生產(chǎn)工藝；

1984年，美國Chronar公司研發(fā)的大面積單室生產(chǎn)工藝投

產(chǎn)，產(chǎn)量為IMWp/年，電池面積為2790cm2,最高效率達7.2%,

同年日本富士公司面積為100cm2的電池效率達到了9.3%,從此,

開始了大面積非晶硅太陽電池的生產(chǎn)及廣泛使用；

1988年，日本富士公司100cm2電池效率達到了10.1%；

1990牟，美jlChronar公司Eurekaa-Si：H太陽電池投產(chǎn),

lOMWp生產(chǎn)線建成，面積為787mmX1549mm,穩(wěn)定功率為50Wp；

1992年，日本三洋公司100cm2電池效率達到11.1%,美

國Solarex公司三結(jié)電池效率達9.8%,面積大于900cm2。

此后迄今，主要的研發(fā)工作主要集中在提高、穩(wěn)定其光

電轉(zhuǎn)換效率和擴大生產(chǎn)規(guī)模上。

3化合物薄膜電池的發(fā)展歷程

1963年，Cusano等人將CdS,CdSe,CdTe

浸入CuCl溶液，形成CuxS,CuXSe,CuxTe,制

備出了CuxS-CdS,CuxSe-CdSe,CuxTe-CdTe

太陽電池，效率超過10%,因衰減過大而停

但開始了化合物太陽電池研究的新紀(jì)

）Uo

II-VI族化合物（CdTe薄膜電池等）

化合物半導(dǎo)體：二111—V族化合物（InP、GaAs等）

（多元素半導(dǎo)體）

I—皿一VI族化合物（CuInSe2>CuInGaSe?等薄

膜電池）

I

AreaJscFFEfficiency

Voc

(cm勺r(mAJcm勺(%)(%)Comments

CIGSe/CdS/Cell

o.4

CIGSe35.581

iQ.692NREL,3-stageprocess

1-f

CIGSe35.178.7818.5CIGSe/ZnS(OOH)

勺iQ.67NREL,Nakadaetal

nVA.1nVl：

Cu(ln.Ga|S/CdS

GIGS0.8320.969.1312.0

nAnaDhere,FSEC

TCu(ln,AI)Sd/CdS

CIAS0.62136.075.50g

IEC,Eg=1.15eV

“匚CTO/ZTOCdS/Cdle

CdTe25.975.51165NREL

1NCSS

iQ.840

CdTe24.465.00133SnO.JG&03/CdS/CdTe

IEC,VTD

U.814

CdTe23JIIZnO/CdS/(:dTe/Metal

0.16U.ofToledc,sputtere(

CompanyDeviceApertureEfficiencyPower(W)Date

Area(cm2)(%)

GlobalSolarCIGS839010.2*88.9*05/05

ShellSolarCIGSS737611,711186.1*10/05

WDrthSolarCIGS650013.084.606/04

FirstSolarCdTe662310.2*67.5*O2/04

ShellSolarGmbHCIGSS493813.164.805/03

AnteeSolarCdTe66337.352.306/04

ShellSolarCIGSS362612.81'H46.5*03/03

ShowaShellCIGS360012.844.1505/03

三、太陽電池技術(shù)的現(xiàn)狀與趨勢

44,.

WultijanctionConc?fltntorsBestResearch-CellEfficierfP

▼Ih^urctcn;t'-temraITOOOMIEI411

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Sin^itJunetionGaA$

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付的1沁51餉。1螂礎(chǔ)勾

1晶體硅光伏產(chǎn)業(yè)

從沙到電的故事

改良西門子法制備多晶硅料

（補充）

H2

工業(yè)硅

冶金級

超純硅

HC1

（補充）

單晶硅棒

直拉單晶爐

鑄造多晶

DSS450Hpm定向凝固系統(tǒng)(DSS)

a

晶體硅太陽電池生產(chǎn)工藝流程（直拉單晶

鑄造多晶、鑄造單晶）

主要工序

單晶硅太陽電池

多晶硅太陽電池

常規(guī)晶體硅太陽電池的工業(yè)化水平

單晶硅

19.4-19.6%,4.87W

多晶硅

18.0-18.2%,4.43W

2非晶硅光伏產(chǎn)業(yè)

目前生產(chǎn)的非晶硅太陽電池分為三大類：

（1）第一類是以玻璃為襯底的剛性非晶硅太陽電池，它的基本結(jié)構(gòu)是：玻璃

/TCO/P（a-SiC：H）/I（a-Si：H）/N（a-Si：H）/Al；剛性非晶硅太陽電池大

多用一塊一塊的斷續(xù)生產(chǎn)辦法。

（2）第二類是以很薄的不銹鋼板或塑料等柔性材料為襯底的柔性非晶硅太陽

電池，柔性不銹鋼板（或塑料板）/Al/N（a-Si：H）/I（a-Si：H）/P（a-

SiC：H）/TCO,柔性非晶硅太陽電池大多用滾筒到滾筒（rolltoroll）的連

續(xù)生產(chǎn)方法。

（3）第三類是與建筑集成的非晶硅太陽電池組件（BIPV）

從

沙

到

電

的

故

事

從沙到電

礦石破碎=>洗滌=>I石英=>混料—檢測

退火|一|玻璃I—I成型I―I爐煉I―I加熱I—I入爐I

刻劃PECVD|一|刻劃「T|磁控「T刻劃一組件

從沙到電

（d）pd-SiC儲）i（f）n

（嚅遨汨叫「北二

>：=>B2H6T-P%—

(h)金屬電

日本Fuji電氣公司目前生產(chǎn)40cmX80

cm的SCAF(Series-connectionthrough

aperturesformedonfilm)柔性電池，

據(jù)介紹其電池的穩(wěn)定效率高達9%。

Back-sideelectrode

ProcessFlow

Cleaningunit

Punchingunit

Punchingapparatus

Sputteringapparatus

Evaluationapparatus

日本Kaneka公司的非晶硅太陽電池

日本Kaneka公司也是非晶硅太陽電池

開發(fā)的急先鋒。1993年，首先在Shiga的生

產(chǎn)廠就量產(chǎn)非晶硅太陽電池。1999年，、

KanekaSolartechCorporation(KST)建成

了年產(chǎn)20MW的生產(chǎn)線(位于Toyooka

city),組件的襯底選用的是玻璃，尺寸

為95cm><98cm,單結(jié)集成非晶硅太陽電池

穩(wěn)定效率達8%,雙結(jié)非晶硅太陽電池的效

率達10%。日本Kaneka公司非晶硅太陽電

池在Toyookacity的工廠外景。

日本Kaneka公司非晶硅太陽電池在Toyookadty的工廠

日本MitsubishiHeavyIndustries,Ltd.(MHI)

非晶硅太陽電池的生產(chǎn)情況

2002年，MitsubishiHeavy

Industries,Ltd.(MHI)建成了一條10MW的非晶

硅太陽電池生產(chǎn)線，采用的沉積方法是甚高頻

等離子化學(xué)汽相沉積(VHF-PECVD),生產(chǎn)的

非晶硅太陽電池組件(L4ni><l.Im),功率轉(zhuǎn)

換效率為8%,輸出電壓為100V,標(biāo)準(zhǔn)光照下的

功率達100W。

?美國UnitedSolarSystemsCorp.(USSC)

非晶硅太陽電池的生產(chǎn)情況

?美國ussc現(xiàn)在能提供三種非晶硅電池：剛

性、柔性及BIPV,現(xiàn)在的產(chǎn)能為30MW/年。

ro

J

ia-Sialloy

n

P

ia-SiGealloy

n

D

ia-SiGealloy

n

ZincOxide

Silver

StainlessSteel

(a)Single-JunctionG^P(c)DualGapTriple-Junction

Double-JunctionDouble?Junction

目前世界上能成套提供非晶硅太陽電池生產(chǎn)線的廠家有：

美國EnergyPhotovoltaicsInc.(EPV)；

瑞士歐瑞康(UNAXIS)成套非晶硅太陽電池生產(chǎn)設(shè)備；

UNAXIS設(shè)備生產(chǎn)的非晶硅太陽電池材料成本約為0.33歐元/瓦

(包括TCO、非晶硅層、背電極)，組件的成本(包括封裝)約1歐元/

瓦。

美國ECD公司的成套非晶硅太陽電池生產(chǎn)設(shè)備

maxis

SOLAR

AttractivewithHighPerformance

2012年Sanyo宣布

16

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一?Substratesize)病辛

=O8Initial/\W.V\

亙I

O?6(Stabilized

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二O?4:1.46A\

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O?2

VnuXiir:171W?

O?0Dope.Rateof:2.4nni/s

/pic-Si:Hi-laycr

?o0

306090120150ISO

Voltage(V)

(IkpositionrateofDepositionrateof

3

)#c-Si:1.5nm/s#c-Si>1.8nm/s

A

W

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B

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U

8J

U

O

ID.R.=2.4nni/s

E,Single

A

U%=161.7V,4=1.46A,FF=72.4%,Plliax=171W

O

USubstratesize，一，、二Substratesize

0.，5m?).65m

0.20mx0.20miAmxlAm

26

0020072008200920102011

Year

3化合物光伏電池產(chǎn)業(yè)

主要CIS和CdTe光伏公司

CIS

ShellSolar,CAWurthSolar,Germany

GlobalSolarEnergy,AZSULFURCELL,Germany

EnergyPhotovoltaics,NJCISSolartechnik,Germany

ISET,CASolarion,Germany

ITN/ES,COSolibro,Sweden

NanoSolarInc.,CACISEL,France

DayStarTechnologies,NY/CAShowaShell,Japan

MiaSole,CAHonda,Japan

HelioVolt,Tx

Solyndra,CA

SoloPower,CA

CdTe

FirstSolar,OHCANRON,NY

SolarFields,OHAntecSolar,Germany

AVATECH,CO

口聳血血力□由forfabricat虹lOrCdTefilmsrorsolar啞臚

LThermalevaporation10,Ion-assistedevaporatinp

2-日氏爾H如ttn11.M飲a卜c叮血；山句va沁

如osition

3.Spray'p滬，神12Va阿tramportdepo石出ion

4.Chemicalvapordepo喊切13,Mole:咖心血屯血xy

S.Cose-spacedsublimation14.Atomic咖d叩osition

6ch句calmoJecular-beam

d叩osition

7伍Sere如p血出尷

8.Sputterft

9.Hottie丘aporation

CIGS太陽電池制造方法

PrecursorDepositionSelenization/Annealing/Recrystallization

(lowsubstratetemperature)(highsubstratetemperature450-600℃)

MethodsMaterialsPretreatmentSelonUation

SputteringCu.In,Ga

E