太阳能光电建筑一体化示范项目电池板选型和发电量估计

太阳能光电建筑一体化示范项目电池板选型和发电量估计1.1太阳能光伏发电系统的分类及构成太阳能光伏发电系统按与电力系统关系分类，通常分为独立太阳能光伏发电系统和并网太阳能光伏发电系统。并网太阳能光伏发电系统是与电力系统连接在一起的光伏发电系统，一般分为集中式和分散式两种，集中式并网电站一般容量较大，通常在几百千瓦到兆瓦级以上，而分散式并网系统一般容量较小，在几千瓦到几十千瓦。本工程属于新建低压并网型太阳能光伏发电装置，主要供给所在厂房内低压负荷用电。在并网光伏电站中，太阳能通过太阳电池组成的光伏阵列转换成直流电，经过三相逆变器（DC-AC）转换成电压较低的三相交流电，接入厂内变压器低压侧，直接送入低压配电室供厂内负荷用电。本工程光伏发电系统主要由太阳电池阵列、逆变器及并网系统三大部分组成，其中太阳电池阵列及逆变器组合为发电单元部分。1.2太阳能电池发电原理太阳能电池是利用光伏效应将太阳能直接转换成电能的装置。当N型和P型两种不同型号的半导体材料接触后，由于扩散和漂移作用，在界面处形成由P型指向N型的内建电场。太阳能电池吸收一定能量的光子后，半导体内部产生电子—空穴对，电子带负电，空穴带正电。在P-N结内建电场的作用下，电子和空穴被分离，产生定向运动，并被太阳能电池的正、负极收集，在外电路中产生电流，从而获得电能。图1.1太阳能电池结构原理1.3太阳电池组件选择太阳电池组件的选择应综合考虑目前已商业化的各种太阳电池组件的产业形势、技术成熟度、运行可靠性、未来技术发展趋势等，并结合电站周围的自然环境、施工条件、交通运输的状况，经技术经济综合比较选用适合集中式大型并网光伏电站使用的太阳电池组件类型。1.3.1太阳电池组件类型的选择1.3.1.1太阳电池分类目前太阳电池按基体材料主要分为：（1）硅太阳电池：主要包括单晶硅（Monocrystallinesilicon）电池、多晶硅（polycrystallinesilicon）电池、非晶硅（Amorphous-Si）电池、微晶硅（μc-Si）电池以及HIT电池等。（2）化合物半导体太阳电池：主要包括单晶化合物电池如砷化镓（GaAs）电池、多晶化合物电池如铜铟镓硒（CIGS）电池、碲化镉（CdTe）电池等、氧化物半导体电池如Cr2O3和Fe2O3等。（3）有机半导体太阳电池：其中有机半导体主要有分子晶体、电荷转移络合物、高聚物三类。（4）薄膜太阳电池：主要有非晶硅薄膜电池（α-Si）、多晶硅薄膜太阳电池、化合物半导体薄膜太阳电池、纳米晶薄膜电池等。2010年，我国的太阳能电池年产量约为10GW，占全球总产量的50%。结合国内太阳电池市场的的产业现状和产能情况，市场主流依然还是晶硅类太阳电池，约占80%市场份额，非晶硅薄膜太阳电池所占市场份额较小。1.3.1.2太阳电池性能技术比较结合目前国内太阳电池市场的产业现状和产能情况，选取目前市场上主流太阳电池（即晶体硅电池和非晶硅薄膜电池）进行性能技术比较。（1）晶体硅太阳电池单晶硅是规则的晶体结构，它的每个原子都理想地排列在预先确定的位置，因此，它能表现出均匀、稳定的特性。单晶硅电池太阳电池是发展最早，工艺技术也最为成熟的太阳电池，也是大规模生产的硅基太阳电池中，效率最高的电池，目前规模化生产的商用电池效率在14%～20%，曾经长期占领最大的市场份额。正是由于其晶体结构需要规则排列，单晶硅材料的制造过程较为复杂，面积利用率和材料利用率均较低，制造成本相对较高。多晶硅太阳电池是二十世纪八十年代发明的一种新型太阳电池，自问世以来，发展非常迅速，八十年代末期它仅占太阳电池材料的10%左右，而到1996年底，已占整个太阳电池材料的36%左右。它以相对低成本、高效率的优势不断挤占单晶硅太阳电池的市场，已成为最有竞争力的的太阳电池材料。多晶硅太阳电池的主要缺点是电池片中含有大量的晶粒、晶界、位错，因此转换效率低于单晶硅太阳电池。规模化生产的商用多晶硅电池的转换效率目前在14%～17%。和单晶硅电池相比，多晶硅电池虽然效率有所降低，但是生产成本也较单晶硅太阳电池低，具有节约能源，节省硅原料的特点，易达到工艺成本和效率的平衡，目前已成为产量和市场占有率最高的太阳电池。晶体硅类太阳电池在二十一世纪的前20年内仍将是居主导地位的光伏器件，并将不断向效率更高、成本更低的方向发展。（2）薄膜类太阳电池由沉积在玻璃、不锈钢、塑料、陶瓷衬底或薄膜上的几微米或几十微米厚的半导体膜构成。由于其半导体层很薄，可大为节省电池材料，降低生产成本，因而是最有前景的新型太阳电池，已成为当今世界光伏技术研究开发的重点项目、热点课题。在薄膜类电池中非晶硅薄膜电池（α-Si）所占市场份额最大。其主要具有如下特点：a)材料用量少，制造工艺简单，可连续大面积自动化批量生产，制造成本低；b)制造过程消耗电力少，能量偿还时间短；c)基板种类可选择；d)弱光效应好，温度系数低，发电量多。薄膜类太阳电池中碲化镉、铜铟硒电池则由于原材料剧毒或原材料稀缺性，其规模化生产受到限制，目前仍在进一步研究中。紧紧围绕提高光电转换效率和降低生产成本两大目标，世界各国均在进行各种新型太阳电池的研究开发工作。目前，晶体硅高效太阳电池和各类薄膜太阳电池是全球新型太阳电池研究开发的两大热点和重点。已进行商业化应用的单晶太阳电池、多晶硅太阳电池、非晶硅薄膜太阳电池、碲化镉薄膜太阳电池、铜铟硒薄膜太阳电池主要特性如表1.1。表1.1 单晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜太阳电池的比较电池种类晶硅类薄膜类单晶硅多晶硅非晶硅碲化镉铜铟硒商用效率14%～20%14%～17%5%～9%5%～8%5%～8%实验室效率24%20.3%12.8%17.3%19.5%使用寿命25年25年25年25年25年组件层厚度厚层厚层薄层薄层薄层规模生产已形成已形成已形成已形成已证明可行环境问题中性中性中性有（使用镉）除使用镉外为中性能量偿还时间2～3年2～3年1～2年1～2年1～2年主要原材料中中丰富镉和碲化物都是稀有金属铟是昂贵的稀有金属生产成本高较高较低相对较低相对较低主要优点效率高技术成熟效率较高技术成熟弱光效应好成本较低弱光效应好成本相较低弱光效应好成本相对较低由上表可见，晶硅类电池中单晶硅电池和多晶硅电池最大的差别是单晶硅电池的光电转化效率略高于多晶硅电池，也就是相同功率的电池组件，单晶硅电池组件的面积小于多晶硅电池组件的面积。两种电池组件的电性能、寿命等重要指标相差不大，若仅考虑技术性能，在工程实际应用过程中，无论单晶硅还是多晶硅电池都可以选用。晶硅类太阳电池由于产量充足、制造技术成熟、产品性能稳定、使用寿命长、光电转化效率相对较高的特点，被广泛应用于大型并网光伏电站项目。非晶硅薄膜太阳电池存在效率相对较低、占地面积较大、稳定性不佳等缺点，随着技术和市场的发展，由于制造工艺相对简单、成本低、不需要高温过程、在弱光条件下性能好于晶硅类太阳电池等突出的优点，非晶硅薄膜电池占据了一定的市场份额。1.3.1.3太阳电池经济性比较晶体硅太阳电池、非晶硅薄膜太阳电池在目前已建或在建的光伏电站中均已有应用。采用各种不同类型电池组件建造的光伏电站主要差异在于：由于转化效率不同，使得光伏阵列的占地面积不同，电缆用量不同，支架用钢量、支架基础混凝土量等有所差异。随着光伏产业技术进步及市场的发展，各类电池生产厂商之间的竞争也日趋激烈，市场价格不断下降。尽管非晶硅薄膜电池由于弱光效应会带来一定的发电量增加（约5%），但由于当前晶硅类太阳电池组件价格大幅走低，非晶硅薄膜太阳电池组件在经济性方面暂时没有优势。1.3.1.4太阳电池技术路线发展从目前已出台的电价政策来看，想在1元/kWh或更低的电价下实现一定的收益率，其根本途径仍然在于大幅度降低光伏电池材料成本。降低光伏电池材料成本的技术目前主要有三条：一是冶金法生产太阳能级多晶硅（UMG-Si）。相比较于目前主流的改良西门子法生产多晶硅工艺，冶金法具有明显的成本优势。目前的主要障碍在于冶金法生产的多晶硅杂质不稳定性十分明显，杂质分布不均匀，批次间质量不稳定。如何解决质量稳定性问题已经成为冶金法最重要的课题。二是改进硅片生产工艺。通过降低硅片厚度、减少切片损耗降低硅材料成本。目前硅片厚度已普遍从370微米降到200微米甚至更薄。三是采用薄膜技术。薄膜太阳能电池的厚度一般只有1微米～10微米，制备在玻璃等相对廉价的衬底材料上，可以实现低成本、大面积的工业化生产。对于非晶硅薄膜、多晶硅薄膜太阳能电池而言，目前的主要问题是转换效率低，而且存在光致衰减效应。由以上可见，晶硅类电池与薄膜类电池在技术方面互有优劣，未来到底哪种技术占据主流取决于哪种技术能取得突破性进展，克服自身弱点。1.3.1.5太阳电池类型的确定从太阳辐照特征和环境条件的角度来说，本工程场址区内各种类型的太阳电池均可应用，但在具体应用时应进行合理的系统设计，以达到最佳运行效果。对市场上所占份额最大的两类电池（晶硅太阳电池和非晶硅薄膜太阳电池）的技术经济经行综合比较可知：多晶硅电池成熟度较高，效率稳定，国内外均有较大规模应用的实例，太阳电池市场占有率最大，目前相价格对较低，综合考虑各种因素，本工程推荐全部选用多晶硅电池组件。1.3.2太阳电池组件的选型多晶硅太阳电池组件的功率规格较多，从5Wp到300Wp国内均有生产厂商生产，且产品应用也较为广泛。由于本工程系统装机容量为2.6MWp，组件用量大，占地面积广，组件安装量大，所以设计优先选用单位面积功率大的电池组件，以减少占地面积，降低组件安装量。采用不同规格多晶硅电池组件组成2.6MWp电池方阵的组件用量比较，见表1.3。表1.2 不同多晶硅电池组件组成的2.6MWp方阵的组件数量比较方案参数方案一方案二方案三组件峰值功率(Wp)175250280串联数量（块）2620171MWP子方阵并联数量（路）2322002201MWP子方阵组件数量（块）6032400037402.6MWp方阵组件数量（块）*15684104009724由表1.3比较可以得出：采用250Wp组件和280Wp组件组成2.6MWp光伏阵列所使用的组件数量均较少，组件数量少意味着组件间连接点少，施工进度快；且故障几率减少，接触电阻小，线缆用量少，系统整体损耗相应降低。另外，通过市场调查，国内主流厂商生产的多晶硅太阳能组件应用于大型并网光伏发电系统的，其规格大多数均在150Wp到300Wp之间，在这个区间范围内，市场占有率比较高的几家厂商所生产的多晶硅太阳能组件规格尤以235Wp到250Wp之间居多。综合考虑组件效率、技术成熟性、市场占有率，以及项目建设工期、厂家供货能力等多种因素。本工程推荐选用多晶硅太阳能组件规格为250Wp。250Wp型多晶硅电池组件各项性能指标如下，其特性曲线见图1.3。表1.3多晶硅电池组件性能指标表名 称参数标准测试条件下峰值功率（Wp）250最佳工作电流（A）8.0最佳工作电压（V）29.2短路电流（A）8.4开路电压（V）36.7工作温度（℃）-40～+85最大系统电压（V）1000组件效率15%短路电流温度系数（%/℃）（0.065±0.015）开路电压温度系数（%/℃）－（0.36±0.05）峰值功率温度系数（%/℃）－（0.5±0.05）组件尺寸（mm）1650×992×50重量（kg）19.4图1.2太阳能电池组件结构图图1.3250Wp多晶硅电池组件特性曲线图1.4不同辐射和温度下的电流—电压特性1.4电池阵列的运行方式设计1.1.1电池阵列的运行方式选择1.1.1.1电池阵列的运行方式分类在光伏发电系统的设计中，光伏组件方阵的运行方式对系统接收到的太阳总辐射量有很大的影响，从而影响到光伏发电系统的发电能力。光伏组件的运行方式有固定安装式和自动跟踪式几种型式。其中自动跟踪系统包括单轴跟踪系统和双轴跟踪系统。单轴跟踪（水平单轴跟踪和斜单轴跟踪）系统以固定的倾角从东往西跟踪太阳的轨迹，双轴跟踪系统（全跟踪）可以随着太阳轨迹的季节性位置的变换而改变方位角和倾角。1.1.1.2电池阵列的运行方式的比较对于自动跟踪式系统，其倾斜面上能最大程度的接收太阳总辐射量，从而增加了发电量。经初步计算，若采用水平单轴跟踪方式，系统理论发电量（指跟踪系统自日出开始至日落结束均没有任何遮挡的理想情况下）可提高15%～20%；若采用斜单轴跟踪方式，系统理论发电量可提高25%～30%；若采用双轴跟踪方式，系统理论发电量可提高30%～35%。然而系统实际工作效率往往小于理论值，其原因有很多，例如：太阳电池组件间的相互投射阴影，跟踪支架运行难于同步等。双轴跟踪式投资远高于单轴系统，并且占地面积比较大。根据已建工程调研数据，安装晶硅类电池组件，若采用水平单轴跟踪方式，系统实际发电量可提高约15%，若采用斜单轴跟踪方式，系统实际发电量可提高约20%。在此条件下，以固定安装式为基准，对1MWp光伏阵列采用三种运行方式比较如表1.4。表1.41MWp阵列各种运行方式比较项目固定安装式水平单轴跟踪方式斜单轴跟踪方式双轴跟踪方式发电量增加百分比(%)100115120125占地面积（万m2）2.43.21.85.0直接投资增加百分比(%)100111114122运行维护工作量小有旋转机构，工作量较大有旋转机构，工作量大有旋转机构，工作量更大支撑点多点支撑多点支撑多点支撑单点支撑抗大风能力迎风面积固定，抗风较差。风大时可将板面调平，抗风较好。风大时可将板面调平，抗风较好。风大时可将板面调平，抗风较好。由表中数据可见，固定式与自动跟踪式各有优缺点：固定式初始投资较低、且支架系统基本免维护；自动跟踪式初始投资较高、需要一定的维护，但发电量较倾角最优固定式相比有较大的提高，假如不考虑后期维护工作增加的成本，采用自动跟踪式运行的光伏电站单位电度发电成本将有所降低。若自动跟踪式支架造价能进一步降低，则其发电量增加的优势将更加明显；同时，若能较好解决阵列同步性及减少维护工作量，则自动跟踪式系统相较固定安装式系统将更有竞争力。1.1.1.3电池阵列的运行方式的确定经对固定式和跟踪式两种运行方式的初步比较，考虑到本工程规模较大，固定式初始投资较低、且支架系统基本免维护；自动跟踪式虽然能增加一定的发电量，但目前初始投资相对较高、而且后期运行过程中需要一定的维护，运行费用相对较高，另外电池阵列的同步性对机电控制和机械传动构件要求较高，自动跟踪式缺乏在场址区或相似特殊的气候环境下的实际应用的可靠性验证，在我国气候环境较复杂的荒漠区大规模应用的工程也相对较少，同时国内技术成熟可靠稳定的跟踪系统生产厂家相对较少。因此，本工程推荐选用固定式运行方式。1.1.2电池阵列倾角的选择本工程设计容量2.6MWp，选用CNPV-250P产品共10440片。电池阵列的安装倾角对光伏发电系统的效率影响较大，对于固定式电池列阵最佳倾角即光伏发电系统全年发电量最大时的倾角。本项目混凝土屋面采用太阳能电池板采用31°铺设的方式进行布置，彩钢瓦屋面采用太阳能电池板采用平铺方式进行布置。厂房屋顶的平面效果图如图1.5所示。图1.5厂区屋顶平面效果图1.1.3多晶硅电池组件铺设与安装设计光伏组件在作用于光伏组件上的各种荷载中，主要有风、雪荷载、地震作用、结构自重和由环境温度变化引起的作用效应等等，其中风荷载引起的效应最大。在进行构件、连接件和预埋件承载力计算时，必须考虑各种荷载和作用效应的分项系数，在节点设计中通过预留一定的间隙，消除了由各种构件和饰面材料热胀冷缩引起的作用效应。因此，在选址时必须请相关设计单位进行建筑屋顶结构安全的复核。公共建筑供人们进行各种公共活动的建筑，经现场踏勘结果，安装光伏系统主体建筑物是混凝土屋面。根据其结构形式，在保证荷载量的基础上/或者采用必要的加固措施后，在原有屋面直接做条形混凝土支墩基础，上接电池组件的金属支架。这样保证了不会破坏原有的屋面防水层和保温层。1.5本工程年发电量的估算山东省内目前仅济南、福山、莒县三个日射站，对比3个日射站所处的地理位置及气象条件，福山站与某的气候条件相似，故本工程暂按福山站太阳总辐射资料计算，但福山站没有水平直接辐射量和散射辐射量的资料，故本阶段暂按济南日射站直接辐射量和散射辐射量的比例关系确定。本阶段太阳辐射量资料见表1.6。表1.5太阳辐射量资料2009年修正值代表年1月243.46.3249.72月321.48.