光伏技术发展及问题分析

光伏技术发展与问题分析,沈辉博士（Dr.-Ing）教授中山大学太阳能系统研究所，顺德中山大学太阳能研究院2014年03月19，中山大学怀士堂,目录,中山大学光伏团队光伏技术发展背景光伏技术综合评价太阳电池技术发展光伏组件技术现状光伏电站技术发展光伏技术发展趋势广东光伏发展建议,中山大学光伏团队,1.太阳能系统研究所，2005，广州-大学城2005年成立，主要骨干来自中国科学院2.电力电子及控制技术研究所，2003，珠海-唐家湾2003年成立，主要骨干来自教育部光伏技术重点实验室顺德中山大学太阳能研究院，2010，顺德-大良2010年成立，顺德区与中山大学共建广东省教育厅重点实验室，2006国家新能源工程技术研究中心华南分中心2010广东省光伏技术重点实验室，2011,编著的相关专业书籍,沈辉、曾祖勤主编:太阳能光伏发电技术，化学工业出版社，2005沈辉、曾祖勤主编：马振基校订：太阳能光电技术，台湾五南图书出版社，2008刘正新、沈辉,译著：太阳电池，化学工业出版社，2010吴志坚、叶枝全、沈辉，主编:新能源和可再生能源的利用，机械工业出版社，2006沈辉、刘勇、徐学青，编著:纳米材料与太阳能利用，化学工业出版社，2012沈辉、褚玉芳、王丹萍、张原，译著：太阳能光伏建筑设计，科学出版社，2013梁宗存、沈辉、史珺、任丽、张新、任丙炎多晶硅与硅片生产技术，化学工业出版社（2014）正在修改：晶体硅太阳电池工艺、光伏电站设计与建造、太阳能光伏发电技术（第二版）、光伏器件与系统检测技术正在翻译：硅薄膜太阳电池、纳米磁性颗粒在医学中应用,光伏技术发展背景,一切能源来自太阳化石能源自然能源电能人类找到的长期的能源形式，方便、快捷、安全、高效。来自太阳的启示：人工照明，导致人造光源（促进了电的需求）数百年发展史，即电转为光的时代！目的：能源消除黑暗！现在：光转为电的时代！目的：解决能源需求问题！,托马斯阿尔瓦爱迪生（ThomasAlvaEdison，1847年-1931年），1879年发明电灯，1880年获得专利。,光伏技术发展背景技术源泉：伏打-贝克勒尔-爱迪生-爱因斯坦,亚历山德罗伏打伯爵（CountAlessandroVolta,1745-1827），意大利物理学家，因在1800年发明化学电池：伏打电堆（voltaicpile）而闻名于世。,埃德蒙贝克勒尔（E.Becquerel，1820-1891，1839年在19岁的时候在做电化学实验时发现光伏现象。,阿尔伯特爱因斯坦(AlbertEinstein，1879-1955)，1905年用光子假说圆满“光电效应”，提出光量子（E=h）概念与定义。,光伏技术发展背景,1839年贝克勒尔发现光电流效应（光伏效应）Volta：伏打，人名，Voltaic：电的；Volt：伏特，电压单位英国皇家医生A.Smee在1849年采用“Photo-Voltaic”Photovoltaic(PV):光伏？即光电PVconversion:光伏转换？光电转换！从伏打的电力-贝克勒尔光伏效应（伏打印记）-爱迪生对光的追求：电力转为光能-爱因斯坦对光的本性的认识：光的转化与产生；光伏发展思想路线-科学发现与创新接力传递-同样来自太阳的启发：光究竟是什么？电磁波还是粒子？,光伏技术综合评价,光伏技术发展条件：原理、材料、技术、需求半导体材料与技术太阳电池发展，类似于半导体照明，可以说太阳电池发电是半导体发电：太阳电池是光子器件！（如何用太阳电池来探索光的本性？）从现在开始，能源革命：人类要将进入将光转变为电的时代！世界太阳电池产量：1976年不到1MW，2012年大于35GW！,图1太阳能的自然转换与技术转换即所谓的一次能源及二次能源对应关系,图2获得电力的几种代表性的能量转换过程,光伏技术综合评价,化石能源发电综合效率50%，但是消耗地球有限资源，并造成污染！核电：1克当量的铀235相当与燃烧3.3吨煤的能量！但铀资源有限，安全性？核废料处理？大水电：最经济，但地质影响？安全性？光伏发电：效率不高，但是没有消耗地球资源，且不产生污染！光伏发电效率与化石能源发电效率不能相提并论！（光伏电力所需原料来源于地球外的阳光资源！）,表11982年晶体硅电池能量回收期估算（沈辉整理自MartinA.Green太阳能电池工作原理、技术和系统应用7576页）,表2在2009年任丙炎对光伏发电经济分析结果（沈辉整理自任丙炎报告）,光伏组件生产全过程耗电量,某公司拥有整个产业链，1、2月份的数据，只计算了主材的生产电耗，银浆、玻璃、边框等辅材没有计算在内，以每片多晶硅电池效率17.5%（已经扣除组件封装损失），折合4.25W计算。详细的数据如下：硅料：采用冷氢化技术以及36对棒还原炉，每公斤硅料电耗为91度；每公斤多晶硅可以产出硅片45片。则每瓦的电耗为91/45/4.25=0.476（度/瓦）硅片：铸锭0.34度/片，切片0.48度/片。合计0.82度/片，折合0.193度/瓦。（硅片厚度180？尺寸156x156）电池：0.116度/瓦。组件：0.047度/瓦。（组件由60片电池组成）合计：每瓦多晶硅电耗：0.476+0.193+0.116+0.047=0.832度/瓦(以上数据由许欣翔、梁学勤2004年3月提供),光伏技术综合评价,广州地区光伏组件发电效果比较（2006年-）单晶硅、多晶硅、HIT、非晶硅、铜铟镓硒、碲化镉2006年单晶阵列（3.2kWp）建成（8月底9月初建成）；2007年8月7日多晶阵列（2.3kWp）建成；2008年1月CIGS方阵（1.120kWp）建成；2008年1月21日非晶硅方阵（1kWp）、CdTe方阵（1.120kWp）、HIT方阵（1.08kWp）建成；2009年3月13日-2010年3月23日，多晶硅断开，修建光伏小屋，多晶硅方阵移位，移位过程中两块组件摔坏，多晶硅方阵变为2.1kWp。2013年5月4日，六个方阵线路改造，所有线路停，至2010年10月系统全部改造完，并且数据采集系统开始采集数据。1982年多晶硅组件（23年+4年，1982年产，1984年安装在海南岛）旧组件阵列安装容量为5.88kWp，该阵列中的144块多晶硅太阳点知组件已经在海南运行了23年，时间为1986年-2008年。在2010年，中山大学太阳能系统研究所对这批组件的电性能进行了测试研究，重新标定并更换了组件的接线盒后，把144块组件重新建成光伏发电阵列，通过逆变器并入公共电网。1996年单晶硅组件（西门子，1996年安装在深圳外资企业110kW）即将在全国布点安装，以研究晶体硅组件寿命与衰减情况,光伏技术综合评价,建立我国光伏技术评价体系：效率评价、寿命评价等技术中国标准：太阳电池的效果是与地域分不开的！（与气象部门合作？）电池技术评价国际室外试验场：统一实验标准！西宁：高海拔、高寒带，晶体硅、薄膜？旧组件？齐齐哈尔：低海拔、高寒带，晶体硅、薄膜？旧组件？昆明：高海拔、光照丰富带无锡：长三角平原、四季分明广州：珠三角平原、长夏无冬地带（顺德、中山）晶体硅、薄膜、旧组件桂林：晶体硅、薄膜武汉：中部地区、冬寒夏热，晶体硅、薄膜、旧组件？西昌：西南地区、阳光充沛三亚、海口：海岛、亚热带、长夏无冬，,表3.我国光伏发电占比与光伏组件安装量发展预测,太阳电池技术现状,国际发展概况2012年光伏安装100GW，美国、欧盟双方背景欧盟、日本、美国等光伏发展现状国内发展概况产业调整、重组阶段，光伏产业具有国际竞争力！2015：35GW；2020：50100GW17个分布式能源示范区、三个重点推广地区光伏产业技术现状晶体硅电池：多晶-18%-19%；单晶-20%-22%薄膜电池：处于低潮阶段，但是仍是重要的发展方向光伏技术研究课题高效晶体硅电池、系统技术、储能技术、新材料与新技术,太阳电池技术现状,高效晶体硅太阳电池典型结构,IBC电池,MWT电池,HIT电池,PERC电池,EWT电池,新型结构晶体硅太阳电池：集成旁路二极管,仅需要改变丝网印刷工序即可制得，十分简便。,图制备流程图,图丝网印刷工序(a)实物图(b),(a),(b),新型结构晶体硅太阳电池：集成旁路二极管,图36片太阳电池的集成旁路二极管组件,晶体硅太阳电池漏电缺陷修复中试线,修复工艺原理及中试线建设,激光隔离,激光隔离修复原理,优化激光工艺,晶体硅太阳电池漏电缺陷修复中试线,修复中试线部分装备,中试线主要设备：电致发光（EL，左）和红外热像（右）测试仪（自主开发）,晶体硅太阳电池漏电缺陷修复中试线,修复中试线部分装备,中试线主要设备：激光处理系统（左）及工作细节（右）（自主开发定制）,晶体硅太阳电池漏电缺陷修复中试线,修复的太阳电池实例,隔离前,隔离后,实例：边缘漏电电池修复前后的红外热像测试（左）及IV特性测试（右）结果,晶体硅太阳电池漏电缺陷修复中试线,修复电池组件制作及实验发电系统,安装在发电系统中的修复电池组件（组件1为正常参考组件，组件2-5为激光修复电池制成的组件）,晶体硅太阳电池漏电缺陷修复中试线,修复电池组件制作及实验发电系统,实验组件运行1年的发电性能数据,1DamingChenetal.PREVENTINGTHEFORMATIONOFVOIDSINTHEREARLOCALCONTACTAREASFORINDUSTRIAL-TYPEPERCSOLARCELLS,高效晶体硅太阳电池研究,高效晶体硅太阳电池研究陈达明博士在欧洲光伏会议上作分会邀请报告,高效晶体硅太阳电池研究,提出一个用于丝网印刷铝背场的Al-O复合数值模型，澄清了Al-BSF的复合机理，并为高效PERC电池优化指明方向；该工作通过盲审被2013年SiliconPV国际大会选为ExtendedOralPresentation演讲(30分钟)，并获得SiliconPVAward.论文被推荐到SolarEnergyMaterials,首次通过数值模拟方法对晶体硅电池的光学、半导体、电学损失进行定量分析，并指出21%电池的研发方向；提出一种有效的消除PERC电池背面空洞的方法，有效的将空洞率从100%(文献报道)降到12%以下.,SiliconPVAward2013,TheSiliconPVAward2013wasgiventothe10bestrankedcontributionsofSiliconPV2013inHamelin,Germany.Theywereselectedamong198submissionsbyablindreviewprocess.,TheprogramcommitteeoftheSiliconPVconferencedesignatedthefollowingauthors:,光伏组件技术现状,1、组件寿命综合评估；2、PID效应机理研究及解决方案。在既定光伏电站中，组件的发电效率和使用寿命决定了整个项目的投资回报。目前影响组件发电效率的重要因素为PID效应和隐裂。至今PID效应产生机理和组件寿命一直没有一个权威而统一的说法。,-光伏电站设计及技术交流-,2020年6月7日,组件寿命综合评估,1、收集不同时间、不同运行区域的各种老旧组件，进行IV测试、安全测试、各个关键部件的深化分析，对组件各部件的使用寿命以及组件综合寿命进行评估，并结合组件运行区域气候条件和现行组件老化试验标准，提出更具地域性特色和与实际运行数据更接近的测试标准，以便更科学地评估组件寿命。2、已有工作基础：1）6种不同类系光伏组件的对比跟踪（位于中山大学工学院楼顶）；2）Solarex多晶硅组件，1982年生产85年使用，标称功率42.6Wp，共177块；3）BP单晶硅组件，1987年生产并使用，标称功率67Wp，共50块；4）SIEMENS单晶硅组件，1997年生产并使用，标称功率55Wp，共2000块。,2020年6月7日,Solarex多晶组件,SIEMENS单晶组件,-36-,2020年6月7日,Solarex组件外观缺陷情况统计,2020年6月7日,功率相对值的分布如上图，将偏离较远的点去掉，大致可以看作是呈正态分布，平均的功率相对值为94%，整体性能较好，衰减不大，大约6%。即便是将平均功率与原最大值Pmax=47W相比，相对值为84.6%。,Solarex组件功率衰减分析,2020年6月7日,23年+旧组件光伏系统监测项目,旧组件电性能分析,注：总共有组件177块，其中六块接线盒严重腐蚀，未能测出具体值。开路电压下降很小短路电流下降较大最大功率点电压略有上升,2020年6月7日,23年旧组件光伏系统监测项目,旧组件系统配置,组件数量：144pcs容量：5.4kWp安装时间：2010.07,2020年6月7日,日本产业技术综合研究院公布数据,種類10年後（%）20年後（%）25年後（%）単結晶92.493.785.387.88285多結晶94.595.589.391.186.889CIS/CIGS9797.294.194.592.793.2接合（HIT）96.092.290.488.97974.6参考UR：http:/standard-,1、集中式（包括主从结构）2、组串式（包括带逆变器的组件：微逆变）,光伏电站技术发展,组串式逆变器,集中式逆变器,1、对于大型并网光伏系统，采用大型的集中式三相逆变器（功率一般是100kW以上），其主要优点是：1）逆变器集中放置，安装简单，维护方便2）逆变器单机自身效率较高3）逆变器初始成本比较低2、其主要缺点是：单路MPPT，发电量无法做到最优。一旦故障，造成大面积的光伏系统停用。,光伏电站技术发展-集中式,集中式系统图,1、大型的光伏系统有时候采用23个集中型逆变器，总功率被几个逆变器均分，在辐射低的时候，一个逆变器工作，这样效率较高;当辐射升高，超过一个逆变器的工作上限，其它的逆变器相继开始工作。2、为了保证逆变器的工作量均等，主从逆变器经常轮换。德国慕尼黑会展中心的1MWp的屋顶光伏系统就是采用的主从结构。,集中式-主从工作模式,主要优点是：,主从结构图,1、将有同样朝向、倾角和无阴影的组件串成一串，由一串或者几串构成一个子阵列，安装一台几十千瓦功率的逆变器(20-50kW)。2、其主要优点是：多路MPPT，发电量有优势；维护不需要专业人员减少了组件的相互串并联的线缆长度，尤其是直流主电缆的长度，可降低电缆成本。逆变器可以安装在光伏组件的旁边，有利于合理布线。在有些情况下可以省略汇线盒，降低成本。可以对光伏系统进行分片的维修。,光伏电站技术发展-组串式,组串式结构图,交流汇流箱,升压变,组串式逆变器,组串式逆变器,组串式逆变器,1、在光伏组件上集成一个微型逆变器，实际上是组件和逆变器作为一个整体单元，也称为ACmodules。2、其优、缺点分别是：逆变器针对单个组件达到性能的最优化。逆变器可以很快的扩容。目前在BIPV上得到了较广泛的应用。成本较高，无法大规模应用。效率相对较低。,光伏电站技术发展-微型逆变器,多MPPT技术-降低mismatch损失,1、造成mismatch的原因1）阴影；2）不同的倾角、朝向3）灰尘、鸟粪4）热斑5）组件之间的偏差2、一般采用集中式逆变器的系统在5年后的mismatch损失会达到810%左右。使用组串式逆变器方案则可以大幅规避此损失。,光伏电站技术发展-组件失配的损失,太阳电池技术发展趋势：晶体硅太阳电池仍是光伏电站的主导产品，单晶硅电池效率在20%以上，多晶硅电池效率在18%以上，CIGS薄膜电池也有很好的发展空间；光伏组件的基本发展要求是高质量、长寿命；多样化光伏组件；光伏建筑组件；随着现代制造业技术的进步以材料性能的提升，组件预期寿命将得到进一步延长。针对不同安装环境与条件，集中式、组串式及微型逆变器都有发展优势。从运输安装、发电效率、维修运营等方面综合考虑，近期组串式逆变器会有很大的发展。,光伏技术发展趋势,光伏技术发展趋势,光伏发电是世界能源发展的必然趋势。美国、欧盟采用双反措施的原因之一，就是要保护本国企业。光伏组件不是一般的消费品，而是未来主要的电力设备。出于国家安全考虑，任何国家不可能大量采用别国的电力设备维持本国的电力供应。发展光伏产业的目的在于：-改变能源消费结构与习惯；-保持良好的环境，同时尽量多留些化石能源给子孙后代；-为改善生存环境做贡献；-拉动经济发展与技术进步，催生新产业发展。,广东光伏发展若干建议,（1）建立光伏长期发展规划，确定发展目标。2013年广东用电量：4830亿千瓦时，预计2014年用电需求5120亿千瓦时。光伏发电可以成为广东电力供应的重要补充部分！广东光伏年度发展目标：-2015年实现年总电耗中光伏发电占1%；-2020年实现年总电耗中光伏发电占3%；-成为国内光伏电力应用样板（德国2012年光伏电力占总电耗6%！）,广东光伏发展若干建议,建议实施项目：广东3000MW光伏发展计划（2014-2016）-应用模式之一：建筑结合与并网发电屋顶电站、建筑集成、市政工程（停车场、道路隔音栏）、厂房屋顶、高档住宅区，特别是别墅区光伏发电应用推广。-应用模式之二：地面光伏电站与农业、花卉、养殖、水处理、道路建设等等产业结合。-资助办法：度电补贴，在国