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光伏发电基础知识讲解

时间:2022-11-25 00:04:34 点击:

光伏系统(Photovoltaic system)主要由光伏组件、汇流箱、配电柜、逆变器、 变压器等设备组成。

  1. 汇流箱

作用:将若干个光伏串列并联接入汇流,兼有监控和保护作用。汇流箱可减少光伏组件与逆变器之间的接线,方便维护,提高系统的可靠性。

2. 配电柜

作用:二级汇流,在应用中可以对上下级起到保护。

3. 逆变器

作用:太阳能光伏阵列产生的直流电,经逆变器 (Inverter) 转换成正弦波交流电,从而输入电网。

4. 变压器

作用:变压器 (Transformer) 能够起到升降压得作用。当其使电压升高,可有效减少电压的损耗。

5. 光伏组件

5.1 光伏组件定义

光伏组件的基本单元是电池片,单体太阳能电池不能直接做电源使用,须将若干单体电池串、并联连接和严密封装成组件。光伏组件(或称太阳能电池板 Solar panel)是光伏发电系统中的最重要的部分,其作用是将太阳能转化为电能,以推动负载工作。

5.2 光伏组件分类

目前光伏电站常用的电池组件为:单晶硅光伏组件、多晶硅光伏组件及薄膜光伏组件。从外观上看,单晶硅光伏组件为深蓝色,近乎黑色,单晶电池片四角呈圆弧状。多晶硅为天蓝色,多晶电池片呈正方形,表面有类似冰花一样的花纹。

薄膜光伏组件主要包括钙钛矿、碲化镉 (CdTe)、铜铟镓硒 (CIGS)、砷化镓 (GaAs)。非晶硅电池包含在薄膜电池内。此外,最近较火的异质结(HIT/HJT)为晶体硅上沉积非晶硅薄膜,属于单晶硅电池与非晶硅电池的结合产物。

从使用性能上来说,单晶硅光伏组件光电转化效率为21%左右,最高达24%,但制作成本大。由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装,因此坚固耐用,使用寿命一般可达15年,最高可达25年。

多晶硅光伏组件光电转化效率则降低不少,约为17%左右,但制作成本较低,因此得到大量发展。但其寿命比单晶硅电池板短,从性价比来讲,单晶硅略好。

异质结综合了晶体硅电池与薄膜电池的优势,相较于其他光伏电池,异质结电池具备高转换率和高稳定度的优势。异质结的主要问题就是成本,一是设备投资高,二是银浆用量大,从而目前的性价较低。

钙钛矿作为第三代非硅薄膜电池的代表,具有以下优点:

(1) 材料用量少。因其光吸收能力强,材料的用量非常低。组件中钙钛矿层厚度大概是0.4um,而晶硅组件中的硅片厚度通常为180um,相差450倍。

(2) 对制造工艺要求不高,且工艺简单,产业链缩短,成本低。晶硅材料纯度必须达到99.9999%(6个9)以上才能用于制造太阳能电池,而钙钛矿只需98%(1个9)左右就可以用于制造效率达20%以上的太阳能电池;晶硅在拉单晶的过程中需要900℃以上的温度将硅料融化,而钙钛矿各功能层的加工温度不超过180℃,且大多数环节也无需真空条件。

同时,对于晶硅来说,硅料、硅片、电池、组件需要4个以上不同工厂生产加工,一片组件的制造时间需要3天左右。而对于钙钛矿只需要1个工厂,从玻璃、胶膜、靶材、化工原料进入,到组件成型,总共只需45分钟。

(3) 光电转化效率高。钙钛矿材料吸收的光子转换成电子后,由于其载流子具有较长的扩散距离(几个微米), 远大于钙钛矿薄膜厚度,很容易被电极收集、损耗较小,因此能产生较高的光生电压和电流,综合表现出较高的光电转换效率。

单结钙钛矿电池理论最高转换效率达31%,多结理论效率超过50%,远高于晶硅的转换效率。

(4) 弱光性能好。钙钛矿光伏电池弱光下具有优异的光电转化效率,未来有机会将室内照明的弱光和阴天时室外弱的太阳光利用起来发电,这也是钙钛矿光伏区别于传统硅基光伏的一大优势。

然而钙钛矿也有缺点:

(1) 尺寸小。转换效率较高的钙钛矿电池其尺寸均为实验室级别,未达到商业化尺寸。

(2) 稳定性差。氧气氧化、光辐照、紫外线等都会对钙钛矿电池稳定性产生显著影响。

(3) 寿命相对较短。目前,钙钛矿电池寿命不长,其最高寿命为3000小时(125天),但晶硅电池寿命为25年。

(4) 原料毒性。钙钛矿电池原料中含铅元素,具有毒性,可能对环境造成一定的污染。

(5) 涂覆技术不成熟。钙钛矿层没法均匀涂抹在设备表面,对器件性能有明显负面影响,需要开发更好的喷涂工艺。

 

5.3 光伏组件结构

光伏组件由太阳能电池片串并联,用钢化玻璃、胶膜及背板热压密封而成,周边加装铝合金边框,具有抗风、抗冰雹能力强、安装方便等优点。

(1) 电池片:光伏效应将光能转化成电能的器件。发电原理如下图所示。以半导体制成的电池片在吸收太阳光后,P型半导体和N型半导体产生电子(负)和空穴(正),同时分离电子和空穴形成电压降,再经由导线传输至负载。

不同的波长也会影响太阳能板的转化效率,太阳能电池的光吸收波段:单多晶硅一般在1100-1200nm,薄膜晶硅薄膜一般800nm,有的能到900nm。LED波长在460-636nm,是无法满足光伏电池发电的。

(2) 互联带:互联带是用来串联电池片的。每片电池片背面都会焊接一条互联带,从而将几片电池串焊在一起,形成电池片串。

(3) 汇流带:连接电池串的载体,将串联好的电池串连接在一起,最后引出正负极,连接在接线盒上。互联带和汇流带都是涂锡铜带。

(4) 钢化玻璃:分为镀膜玻璃和普通玻璃。采用低铁超白绒面钢化玻璃,透光率可达90%以上,同时可耐太阳紫外线辐射。

超白指玻璃含铁量低,从侧面看是白色的,普通玻璃是绿色的,所以为超白低铁。绒面是为减少对光的反射,增加减反射的处理,一般有溶胶凝胶纳米技术和涂布技术。钢化是熔融的玻璃迅速风冷使其表面为压力,内部为张力,从而达到钢化的目的。

(5) EVA胶膜:一种热固性胶膜,在粘着力、耐久性、光学特性等方面具有优越性,广泛应用于电流组件及光学产品。同时常温下不发粘,便于操作。

热固性指加热时不能软化和反复塑制,也不在溶剂中溶解的性能,体型聚合物具有这种性能。第一次加热时可以软化流动,加热到一定温度,产生化学反应一交联固化而变硬,这种变化是不可逆的,此后,再次加热时,已不能再变软流动了。正是借助这种特性进行成型加工,利用第一次加热时的塑化流动,在压力下充满型腔,进而固化成为确定形状和尺寸的制品。这种材料称为热固性塑料。

(6) 背板:常用的背板材料有TPT即聚氟乙烯复合膜,具有良好的抗环境侵蚀能力、绝缘性能及与EVA良好的粘结性能。

(7) 铝合金边框:保护玻璃边缘;与硅胶打边协同加强了组件的密封性能;提高组件整体机械强度;便于组件安装运输。

(8) 硅胶:粘接、密封作用。

(9) 接线盒:组件电池正负极引出线,与外部连接的电器盒。

光伏组件发电的主要影响因素

(1) 光伏组件自身结构的固有损耗

电池片封装组件过程中会产生功率损失,一部分是由玻璃和EVA等材料减小了光的射入和吸收,一部分是电气连接损耗,主要是焊条等连接材料引起的损耗。光伏组件运行过程中也会产生自然衰减。

(2) 热斑效应

串联支路中被遮的太阳电池组件,将被当作负载消耗其他有光照的太阳电池组件所产生的能量。被遮挡的太阳电池组件此时会发热,这就是热斑效应。

热斑的产生在影响发电效率的同时,甚至会对光伏组件造成永久性的伤害,为电站带来火灾隐患。据统计,严重的热斑效应会使太阳电池组件的实际使用寿命至少减少30%。长此以往可能会造成组件失效。而造成热板效应的,可能仅仅是一块污渍、鸟粪或是一片树叶、杂草。

一般组件中安装了有旁路二极管的接线盒来降低热斑的影响。当有热斑现象发生时,接线盒中的二极管启动,从而屏蔽掉含有问题电池片的串。

(3) PID效应

电位诱发衰减效应(PID, Potential induced degradation)是电池组件长期在高电压下,玻璃、封装材料之前存在漏电流,大量电荷聚集在电池片表面,可引起组件功率衰减50%以上,从而影响整个组串的功率输出。高温、高湿、高盐碱的沿海地区最易发生PID现象。

(4) 电池片隐裂

隐裂是电池片的缺陷。由于晶体结构的自身特性,晶硅电池片十分容易发生破裂。不同的裂纹,对电池片功能造成的影响不同。对电池片功能影响最大的,是平行于主栅线的隐裂。电池片产生的电流要依靠表面的主栅线及垂直于主栅线(Busbar)的细栅线(Finger)搜集和导出。当隐裂导致细栅线断裂时,细栅线无法将收集的电流输送到主栅线,将会导致电池片部分甚至全部失效。

基于上述原因,我们可以看出对电池片功能影响最大的,是平行于主栅线的隐裂。根据研究结果,50%的失效片来自于平行于主栅线的隐裂。45°倾斜裂纹的效率损失是平行于主栅线损失的1/4。垂直于主栅线的裂纹几乎不影响细栅线,因此造成电池片失效的面积几乎为零。相比于晶硅电池表面的栅线,薄膜电池表面整体覆盖了一层透明导电膜,所以这也是薄膜组件无隐裂的一个原因。

(5) 日照强度及温度变化

日照强度与光伏的光电流成正比,日照强度在1000-2100W/m2范围内变化时,光电流始终随日照强度的增长而线性增长;而日照强度对电压的影响很小,在温度固定的条件下,当日照强度在1000-2400W/m2范围内变化,光伏组件的开路电压基本保持不变。所以,光伏电池的输出功率与日照强度也基本保持成正比。

光伏组件的温度越高,其工作效率就越低。随着组件温度的升高,其输出电压将下降:在20-100摄氏度范围,组件温度每升高1摄氏度,每个电池片的输出电压大约减小5毫伏;随温度的升高,输出电流略有上升。总的来说,组件温度升高,其输出功率下降:组件温度每升高1摄氏度,则功率减少0.35%。

因此,输出功率随季节的温度变化而变化。在同一日照强度下,冬天的输出功率比夏天高。由下图可见,6-8月份的PR值几乎是全年最低的几个月份,然而由于光照时间长,6-8月发电量仍然会较多。

(6) 光伏板的倾角

对光伏电池板斜面,太阳在其的入射角度不同,其单位面积接收的太阳法向辐射量则不同。具体的,入射角(太阳与光伏板法向的夹角)越小,接收到的太阳法向辐射量就越大。从而,光伏板倾角的设置会对发电效率产生影响。使得全年总的辐射接收量最大的光伏板倾角,即为《光伏发电站设计规范》所述的最佳倾角。

最佳倾角计算需要: 1. 当地经纬度 2. 多年平均的太阳辐射数据 3. 光伏板方位角(Azimuth)。从而通过相关软件(如PVsyst)进行分析。

也可搜索如《全国地面光伏电站最佳安装角度及发电量速查表》、《中国各省市光伏电站最佳安装倾角、发电量及年利用小时数速查表》数据确定大致确定最佳倾角。通过下图可以总结出,纬度越低的地区,倾角越小。

最佳倾角并不意味着光伏电站发电量一定最高。因为在相同的面积下进行光伏板铺设时,最佳倾角下也会存在前后光伏板的相互遮挡产生阴影。所以光伏板的发电量由倾角及间距两个因素一起控制。所以最大发电量的倾角和最佳倾角之间会有些许差距,但一般两者差距不会太大。

要点回顾

1.光伏系统主要由光伏组件、汇流箱、配电柜、逆变器、 变压器等设备组成。

2. 逆变器可将光伏产生的直流电转换成交流电,从而输入电网。

3.被遮的太阳电池组件成为负载,消耗能量且发热的现象,是热斑效应。

4.热斑效应可通过旁路二极管缓解。

5.电池片隐裂最易造成电池失效的是平行于主栅线的隐裂。

5.日照强度和光伏电池输出功率成正比。

6.光伏电池输出功率随着电池片表面温度升高而下降。