太陽能先進(jìn)技術(shù)在電站中的應(yīng)用

從硅電池制造的變化到雙面技術(shù)的優(yōu)勢在內(nèi)，European Energy公司高級項目經(jīng)理Jan Vedde分析了太陽能光伏市場的關(guān)鍵技術(shù)趨勢。

今天，人們似乎普遍認(rèn)為，太陽能光伏可以在世界各地的許多市場提供具有價格競爭力的電力，國際能源署(IEA)最近對這一看法表示了認(rèn)可并指出， "在大多數(shù)市場中，太陽能光伏或風(fēng)能代表了當(dāng)下最便宜的新電力來源。"

能源專業(yè)人士表示，競爭力與安裝成本的大幅下降有關(guān)，2010年至2019年間，大型地面電站光伏項目的發(fā)電成本下降了82%。

推動成本下行的因素主要包括規(guī)模經(jīng)濟(jì)、大規(guī)模生產(chǎn)、組件制造商和供應(yīng)商之間的合作、支持計劃以及中國光伏行業(yè)的競爭。本文將討論技術(shù)進(jìn)步的性質(zhì)，這些升級對大型地面電站系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)的相關(guān)需求，如并網(wǎng)、融資、資產(chǎn)的剝離和管理。

由First Solar生產(chǎn)的、基于碲化鎘電池的薄膜組件以及硅基光伏組件實現(xiàn)了光伏組件的這一進(jìn)展，前者占據(jù)了整個市場的約5%

本文將討論與硅基大功率組件相關(guān)的技術(shù)進(jìn)展，包括增加Czochralski單晶直徑，把線鋸切割磨料從碳化硅替換成金剛石，打開電池背面以實現(xiàn)雙面組件，在雙面應(yīng)用中用玻璃代替背板，通過組件工廠的第三方檢查加強(qiáng)質(zhì)量保證，在最大功率點跟蹤(MPPT)中引入具有更高載流能力的逆變器，確保并網(wǎng)點符合極其復(fù)雜的電力質(zhì)量要求。

硅基太陽電池

談到太陽能電池，最重要的技術(shù)進(jìn)步與硅基板有關(guān)，這是大多數(shù)太陽能市場，也就是硅基太陽電池市場的一個關(guān)鍵因素。

多年來，人們使用漿液式線鋸將鑄造多晶硅和Czochralski(CZ)單晶硅錠切割成硅片，作為電池加工的基材。

短短幾年內(nèi)，鑄造方法已被放棄，所有新的光伏產(chǎn)品現(xiàn)在都是基于單晶硅片的。它們是用金剛石涂層的鋼絲切割的，這確保了比以前的漿液式線鋸更少的材料損失。

更重要的是，單晶的直徑也大大增加，以前的電池通常是200-223mm，而今天占據(jù)主導(dǎo)地位的是250mm或300mm電池，對應(yīng)的是邊長為182mm或210mm的全方形硅片。

由于太陽電池在光照下產(chǎn)生的電流與電池的面積成正比，這兩種硅片尺寸會影響太陽能組件的額定電流，這是電氣設(shè)計時的一個重要標(biāo)準(zhǔn)。至少在考慮主流p型PERC電池結(jié)構(gòu)時，210mm電池電流將比相應(yīng)的182mm電池高出約1.3倍。

大尺寸組件

標(biāo)準(zhǔn)組件尺寸主要取決于封裝在層壓板中的全電池的數(shù)量，通常為72片或78片。通過使用半片電池來減少內(nèi)部電阻損耗，電池片的數(shù)量可能會增加一倍。

當(dāng)前，兩種典型的大尺寸組件是182mm硅片540Wp系列產(chǎn)品，一種為尺寸2256 x 1133mm2(以隆基為代表)，第二種以天合光能、東方日升和其他公司的210mm硅片600Wp系列產(chǎn)品，尺寸為2172 x 1303mm2。

Svinningegaarden是一個位于Zeeland的33.9MWp項目，這是歐洲第一批使用隆基公司新型大尺寸540Wp雙面組件的項目之一

540Wp產(chǎn)品將產(chǎn)生近13A的組件電流， 600Wp組件將產(chǎn)生超過17A的電流。

與大電流相應(yīng)的是，這些組件的電壓也不同，功率最高的組件的電壓最低，約為41V，而540Wp組件可提供近50V的最大功率點(mpp)電壓。在評估這些新產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計時，大尺寸和組件電流都會產(chǎn)生影響。

雙面性能和雙玻組件

在這些新的大尺寸組件中，一個非常重要的特點是可選擇打開電池和層壓板背面，使光線滲透到電池的半導(dǎo)體結(jié)中。

對于p型組件，背面的光轉(zhuǎn)換效率約為70%，而n型組件的背面效率可能達(dá)到85%或更高。在大多數(shù)情況下，雙面組件的能量增益超過了為這一特性所支付的、有限的額外價格，但這一增益的財務(wù)價值取決于這一額外增益的建模在科學(xué)界得到了多大程度的驗證和確認(rèn)，這在很大程度上決定了增益的可融資性。

組件背面的透明度可以通過透明背板和玻璃來實現(xiàn)。背板可以確保較輕的組件整體重量，這對某些屋頂項目會很重要。雙玻層壓板的好處是組件會更堅固，能更好的保護(hù)電池免受濕氣侵入和機(jī)械應(yīng)力的影響。

組件質(zhì)量保證

大型地面太陽能項目往往將總資本支出的40%用于光伏組件，因此，對融資銀行和最終項目業(yè)主而言，這一關(guān)鍵部件的質(zhì)量、耐用性和性能保證非常重要。

如今，不僅是在選擇供應(yīng)商之前，而且在制造活動期間和實際生產(chǎn)后的發(fā)運前檢查中，工廠現(xiàn)場的第三方審核也很常見。為了確保這種檢查為買方提供價值，有必要將詳細(xì)的檢查范圍、驗收標(biāo)準(zhǔn)和檢查員授權(quán)納入合同。

合同的這一部分也是與新的大尺寸組件相關(guān)的技術(shù)問題，必須定義專門用于降低質(zhì)量和性能不確定性的檢查程序。對于無法提供長期現(xiàn)場測試的新產(chǎn)品，先行者需要解決這一問題，并且不能排除未知的模式。

底層結(jié)構(gòu)解決方案

為了確保組件背面結(jié)構(gòu)陰影保持在一個可接受的低水平，雙面組件確實需要新的下部結(jié)構(gòu)設(shè)計。

更大的電池組件也可能導(dǎo)致每個固定傾斜面或跟蹤器的面積更大，這意味著需要重新關(guān)注靜態(tài)計算。雖然設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)基本不變，但需要考慮最近發(fā)生的扭絞事件——大風(fēng)將組件吹離跟蹤器的事件。為此，技術(shù)顧問可以提高對靜態(tài)計算的認(rèn)識，確保充分了解新尺寸組件。

逆變器層面

當(dāng)1500V組串(典型的最大電壓標(biāo)準(zhǔn))配備了新的大尺寸組件時，會對逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的能力提出更高的要求。

在典型的組串長度下，每個組串可承載多達(dá)33個的600Wp組件或27個540Wp組件。整體直流/交流功率比給電氣設(shè)計帶來了設(shè)計限制，而且由于需要管理來自多個輸入組串的功率，每個MPPT的最大電流通常接近25A，這使由一個MPPT管理兩個大電流組(每個17A，不包括雙面升壓)的方案失效。

為了以高于逆變器額定功率的合理直流電容量加載逆變器，通常需要新的逆變器型號，這些型號的產(chǎn)品能夠管理每個MPPT的多個大電流組。

新的光伏組件規(guī)格不僅引入了新的、要求更嚴(yán)格的逆變器功能和更新，歐盟內(nèi)部最近還實施了對發(fā)電機(jī)的新要求，這使人們更加關(guān)注逆變器和逆變器制造商在電網(wǎng)合規(guī)性領(lǐng)域的專業(yè)知識。

并網(wǎng)規(guī)定

多年來，只需辦理很少的手續(xù)并提供逆變器型式認(rèn)證的電網(wǎng)合規(guī)文件，典型的戶用或商業(yè)光伏系統(tǒng)就可以并入電網(wǎng)。在根據(jù)要求提供電網(wǎng)支持方面，這種系統(tǒng)的能力有限，而且往往只能根據(jù)公用事業(yè)部門要求的 "開 ""關(guān) "狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

今天，對發(fā)電機(jī)的技術(shù)要求已顯著提升，在一些國家，如丹麥和愛爾蘭，輸電系統(tǒng)運營商(TSO)已采取行動確保符合要求。它們不僅基于型式驗證證書，而且通過詳細(xì)分析驗證電網(wǎng)模擬模型。例如，這是用PSCAD(電力系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計)制作的，PSCAD定義了電力系統(tǒng)中的組件特性，進(jìn)行了RMS(瞬態(tài)分析)建模。

歐洲國家剛剛實施關(guān)于發(fā)電機(jī)要求的歐洲法規(guī)(2016/631)，因而新的大尺寸組件的電氣設(shè)計也剛剛實施。由于剛引入的逆變器新模型允許每個MPPT管理更多電流，因而這種電網(wǎng)仿真模型合規(guī)性驗證的過程不僅耗時，而且存在著很高的延誤風(fēng)險。

即使新光伏電站有可能獲得啟動運行通知(EON)以開始測試安裝的電氣設(shè)備，但這些電網(wǎng)模擬模型在獲得批準(zhǔn)之前，仍無法獲得臨時運行通知(ION)。ION允許項目在最初幾年向電網(wǎng)輸電。

TSO可能不會公布對逆變器子模型文件的確切要求，但這些要求可能超過常用的VDE AR-N 4110/4120/4130和EN 50549-2證書中給出的要求，因此，確保及時遵守并網(wǎng)條件可能相當(dāng)麻煩。