多种光伏发电形式的对比

2016-12-23强秀华李林兰州职业技术学院

科学中国人 2016年18期

关键词：单晶硅多晶硅单轴

强秀华，李林兰州职业技术学院

多种光伏发电形式的对比

强秀华，李林兰州职业技术学院

研究不同材料光伏组件及同一材料光伏组件在不同跟踪方式下，发电效率的对比，从而得出最佳费效比。

光伏发电；单晶硅；多晶硅；非晶硅（碲化镉）

项目：甘肃省教育厅2015年度甘肃省高等学校科研项目。

现代社会能源供应紧张、环境污染和气候变化等问题日趋严重，无论从世界还是从中国来看，常规能源都是很有限的。中国的一次能源储量远远低于世界的平均水平，大约只有世界总储量的10%。太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、确实的长寿命和免维护性、资源的充足性及潜在的经济性等优点，在长期的能源战略中具有重要地位。光伏发电作为最具可持续发展理想特征的清洁能源，正越来越受到全世界的普遍高度关注。我国对太阳能光伏发电的政策支持力度也在不断过大，鼓励各级地方政府，因地制宜地利用废弃土地、荒山野岭、建筑屋顶等就地建设分布式的光伏电站。

随着科技的发展，光伏电池材料从单晶硅发展到多晶硅，从多晶硅发展到高倍聚光直到现在的薄膜组件。追踪形式从固定支架到单轴跟踪、双轴跟踪、光电建筑一体化等。2013年，晶硅电池站市场主导地位，其产量约占光伏电池总产量的90%：其中多晶硅太阳能电池约占68%，单晶硅太阳能电池约占22%。薄膜太阳能电池产量约占总产量的10.8%，聚光电池约为100MW，几乎不占有市场份额。

现阶段全球太阳能电池生产规模持续保持增长势头。《全球与中国太阳能电池产业发展现况与投资展望》的最新报告预计，2015～2018年，中国太阳能电池市场的年增长率为14%。届时，2018年的总安装量将达65吉瓦。

不同材料的发电效率不同，同种材料的不同追光形式造成发电效率也不同。虽然理论上双轴跟踪发电效率最高，可是双轴跟踪的支架成本和人工维护费用也最高，这其中费效比是关键。

确定不同类型光伏组件最适宜的发电环境，从而选用更合适的光伏组件来增加发电量是提高经济一的一个重要手段。研究不同材料光伏组件及同一材料光伏组件在不同跟踪方式下，发电效率的对比，对于在光伏电站或光伏项目建设中光伏组件材料和追光形式的选择具有实际的参考意义。大部分企业生产的光伏组件产品参数往往来源于实验室测试数据或理论数据，但实际环境中，日照强度、外部环境温度、风力、沙尘和光伏发电系统等部件的运行性能等方面都会影响光伏发电系统的实际发电量。光伏组件作为发电系统的核心部件，不同材料光伏材料光伏组件因其基体结构的不同，在性能上也表现出较大差异。因此，研究光伏组件选型可进一步优化光伏系统设计，达到降低成本的目的。

本课题主要研究采用6种不同材料和安装形式的太阳能电池板的发电效率：多晶硅（固定式）、碲化镉（固定式）、单晶硅（背电极、固定式）、多晶硅（双轴跟踪）、多晶硅（斜单轴跟踪）、多晶硅（平单轴跟踪）。

某学院国家级重点光伏电站项目，不同材料、不同追光形式的光伏组件均在同一电站内，使得它们之间发电效率的对比可做到相同地理环境、相同日照条件、相同逆变技术下的对比。根据光伏电站发电监控记录，研究在实际环境中，不同日照强度、外部环境温度、风力、沙尘情况下多晶硅（固定式）、碲化镉（固定式）、单晶硅（背电极、固定式）、多晶硅（双轴跟踪）、多晶硅（斜单轴跟踪）、多晶硅（平单轴跟踪）的发电效率。研究在特定情况下最适宜的光伏材料和追光系统结合投资成本，给出在不同状况下最优性价比的光伏材料和追光形式。在光伏行业飞速发展的今天，无论对于生产企业或是对“金太阳”工程、大型光伏电站的建设，建筑光伏一体化项目建设中光伏材料的选择和追光形式的选择都有直接的参考意义。

因该国家重点项目采用的多晶硅组件为20块板面串联为1组，每8-16组进入一个汇流箱，所以任意一个光伏组件的不正常情况都能影响该组的发电效率，这就要求为确保不同材料和追光系统的工作状况一致，必须精心维护光伏电站的正常运行。

1）剔除因阴影遮挡造成的发电效率改变，对树荫和鸟粪造成的影响及时解决。

2）剔除因热斑造成的光伏组件发电效率的改变，及时找出和更换热斑严重的光伏组件。及时更换因外力造成的光伏板面的破损的组件。例如硬物坠落造成的破损。剔除光伏表面沙尘遮盖程度不一致等造成的对比误差，及时清洗光伏组件。

3）确保平单轴、斜单轴、双轴跟踪的追光系统正常工作。及时解决不能正常追光造成的发电效率改变。

4）维护监控系统的正常运行，因该电站占地面积大，主要发电数据依靠监控软件获得。必须及时更新维护监控系统，保持上位机与现场小逆变、汇流箱的通讯正常。能及时准确的获得实验数据。

下图为监测数据

1、同种追光形式（固定支架），不同发电材料：多晶硅、碲化镉、单晶硅之间发电效率的对比；

固定支架有2880块多晶硅板（245W），所以日平均发电量（度/千瓦）为2429.4/(245*2880/1000)=3.44。

碲化镉有块电池板（75W），所以日平均发电量（度/千瓦）为39.3/(75*154/1000)=3.40

单晶硅有144块电池板（100W），所以日平均发电量（度/千瓦）为53.6/(100*144/1000)=3.72。

2、同种光伏电池（多晶硅），不同追光形式：固定支架、平单轴、斜单轴、双轴跟踪之间发电效率对比。

本光伏电站采用的是245W的多晶硅。

固定支架有2880块多晶硅板，所以日平均发电量（度/千瓦）为2429.4/(245*2880/1000)=3.44。

平单轴有80块多晶硅板，所以日平均发电量（度/千瓦）为70/ (245*80/1000)=3.57。

斜单轴有100块多晶硅板，所以日平均发电量（度/千瓦）为104.6/(245*100/1000)=4.27。

双轴跟踪有60块多晶硅板，所以日平均发电量（度/千瓦）为79/(245*60/1000)=5.37。

由上表可以看出，双轴跟踪（多晶硅）的发电效率最高，但是它的造价也最大。考虑到造价成本，现阶段固定支架约为7000元/千瓦；平单轴约为8500元/千瓦；斜单轴约为11000元/千瓦；双轴跟踪约为12000元/千瓦。最佳效费比的是固定支架，这在其他研究报告中也得以体现。最值得关注的是固定支架的单晶硅，在此次研究中它的发电效率比多晶硅高。以往单晶硅造价高于多晶硅，使得生产和使用中多选择价格低的多晶硅。

单晶硅是一种比较活泼的非金属元素，是晶体材料的重要组成部分，一直处于新能源发展的前沿。主要用于半导体材料和太阳能光伏产业。近些年由于太阳能光伏产业的飞速发展，也带动了硅行业的持续，快速发展。

《2014-2018年中国单晶硅行业全景规划及投资风险评估报告》指出在过去几年中,多晶硅产品借助成本优势,发展成为国内光伏应用市场的主流。但种种迹象表明,单晶硅产品正在孕育着极强的爆发力。我国太阳能电池制造当前仍占世界主导地位，但不可忽略的一点是，我国光伏组件主要还是靠低价取胜。对于系统造价单价的过于关注，让光伏企业对实际发电成本即度电成本认识不足，对如何提高系统运行的寿命和提高每瓦发电量体会也不够深刻。在太阳能市场逐渐东移，尤其是日本市场在我国太阳能出口市场比例越来越高的情况下，由于市场补贴削减，以及支持从地面安装转向屋顶(商业和住宅)需要更高产量的组件，日本客户更青睐高效晶硅电池产品。

即使是在目前在系统建造成本较低的中国地面电站，单晶比多晶系统成本高约2%。在造价较高分布式电站项目，单晶系统成本和多晶系统造价基本持平。而在日本、德国等建造成本较高的地区，单晶系统成本已经低于多晶系统。由于单晶硅电池发电效率高于多晶硅电池，其度电成本已经低于看起来低价的多晶硅电池系统。

因此，我们有理由相信虽然多晶硅是之前市场份额最大的一部分，但是单晶硅则是未来发展潜力最大的一部分。