銅銦鎵硒及硅基異質結光伏系統設計分析與討論

孔凡迪

(中國中元國際工程有限公司，北京 100089)

0 引言

目前光伏技術的出現已有半個世紀，各項技術已經成熟，具有一定的開發價值。尤其在遠離電網的地區，光伏發電已成為提供電力保障的重要方式。

目前商業化太陽電池中晶體硅是最主要的一種，其制造成本的逐年降低對市場開發十分有利。隨著硅基太陽電池的制造工藝不斷提高，不僅開發了雙面電池、疊片電池、半片電池等，同時也對發電材料本身進行改善，開發出硅基異質結(SHJ)等改良材料，綜合提高了硅基太陽電池的性價比。除此之外，銅銦鎵硒(CIGS)薄膜電池也因為弱光性好、外觀顏色均勻、高溫特性好等特點占有一定的市場份額，實驗室效率已達23.35%，1 200×600mm 大面積組件的效率也可達17.6%。其他常見的電池種類還包括碲化鎘太陽電池、砷化鎵太陽電池等。

1 項目背景介紹

本項目位于北京市，光伏系統安裝于一新建建筑上，周圍無明顯遮擋，光照條件較好，發電年限為25年，采用自發自用余電上網的運行模式。本建筑按綠色建筑三星等級設計，建筑所用電能一部分來自于電網，另一部分由光伏系統提供。結合建筑設計方案，本項目安裝容量可達159kW。建筑對光伏系統外觀要求較高，與外立面風格統一。

經研究，最終使用光伏建筑一體化(BIPV)及附加式光伏發電系統(BAPV)相結合的方式：將SHJ發電玻璃作為建筑采光天窗材料，組件具有建材級別的耐候性、防火性，保證了建筑外立面的美觀；同時在建筑南側前廣場及各層室外平臺處設置地面光伏系統，使用CIGS薄膜組件，安裝位置位于人行步道兩側，方便為訪客展示新型光伏組件的應用。室外平臺組件采用平鋪，保證了建筑內房間的采光；室外廣場組件采用南向10°傾角敷設方式，可以增加發電小時數。CIGS組件外形更加美觀，安裝效果輕盈，具有科技感，同時弱光、高溫等條件下的發電能力較傳統晶硅更加優異，滿足新型綠色建筑設計理念。具體排布方式參見圖1。

圖1 分布式光伏系統排布圖

2 關鍵組件介紹

本項目使用的SHJ電池，從上向下結構層包括柵電極、透明導電膜、硼摻雜非晶硅、本征非晶硅、N型單晶硅及背電極。提高異質界面鈍化直流，可以提高太陽電池的開路電壓。SHJ電池所采用的ITO材料透明導電膜和絲網印刷電極，成本低、易采購，在價格競爭中具有優勢。

本項目使用的另一種組件為CIGS薄膜電池，它的溫度系數較小，較傳統晶硅電池具有更好的高溫特性，在組件工作溫度下，發電量提升10%以上。CIGS電池自身結構的遮擋率更低，無封裝框及金屬匯流條等結構，有效發電面積大。作為一種薄膜電池，它可以沉積在柔性襯底上，不僅適用于曲面造型屋頂，同時可明顯降低荷載重量。雖然非晶硅材料也可制作薄膜電池，但此種材料的光致衰減效應嚴重限制發電能力，而CIGS材料沒有這種短板，它可在工作年限內表現出非常優異的發電穩定性。

關于SHJ電池與CIGS薄膜電池的區別不僅在于組件材料結構的不同，同時也體現在光伏系統設計上。對于CIGS薄膜電池一般要求負極接地，達到釋放電荷、減少組件性能的點位誘導衰減，防止電池退化，故需使用帶負極接地的逆變器，且在并網處設置隔離變壓器。但對于SHJ電池組件，并沒有負極接地的要求，也不需要安裝隔離變壓器。

本項目采用的2種太陽電池具體參數詳見表1。

3 光伏系統設計

本項目具體安裝容量及安裝方式詳見表2。各部件發電效果詳見表3。

太陽電池參數表 表1

分布式光伏系統安裝容量及方式表 表2

由表1可以發現，CIGS材料發電性能與SHJ組件不同，具有更高的開路電壓以及較低的短路電流。這就導致在進行系統串并聯設計的時候需要先進行一級的直流匯流，提高電池串的電流水平，然后再分串接入組串式逆變器，發揮逆變器輸入能力。

由于現有商業化組串式逆變器大多針對晶硅組件開發，在輸入特性上與CIGS系統有一定差異，為避免逆變器的功率浪費，在同功率逆變器選擇上需選用單路輸入電流更大、工作電壓范圍更廣的產品。

光伏組件串聯數量計算，利用GB 50797-2012《光伏發電站設計規范》中組串計算公式如式(1)～(2)所示：

(1)

及

(2)

式中，Vdcmax為逆變器允許最大直流輸入電壓，V；Vmppt min為逆變器MPPT電壓最小值，V；Vmppt max為逆變器MPPT電壓最大值，V；Voc為光伏組件開路電壓，V；Vpm為光伏組件工作電壓，V；Kv為光伏組件開路電壓溫度系數；K′v為光伏組件工作電壓溫度系數；t'為光伏組件工作條件下的極限最高溫度，℃；t為光伏組件工作條件下的極限最低溫度，℃，此處取-20℃；N為光伏組件串聯數，取整。

各部分部件發電效果 表3

以極低溫-20℃進行評估，同時結合排布方式(圖1)，分別算出每個安裝區域的串并聯方案。

(1)天窗部分：得出的每串光伏組件為18塊，4串為一組直流匯流后接入逆變器。此時一串組件的Voc=44.14×[1+(-20-25)×(-0.003)]×18=901.780 2V，小于逆變器最大輸入電壓，滿足要求。

(2)上人平臺部分：得出的每串光伏組件為8塊，5串為一組直流匯流后接入逆變器。此時一串組件的Voc=101.2×[1+(-20-25)×(-0.0027)]×8=907.9 664V，小于逆變器最大輸入電壓，滿足要求。

(3)室外地面部分：得出的每串光伏組件為9塊，8串為一組直流匯流后接入逆變器。此時一串組件的Voc=101.2×[1+(-20-25)×(-0.0027)]×9=1 021.462 2V，小于逆變器最大輸入電壓，滿足要求。

綜上本項目天窗部分8臺12kW逆變器，平臺部分需要1臺20kW及1臺28kW逆變器，室外地面部分需要1臺20kW逆變器，共計11臺組串式逆變器，每臺逆變器具有多路MPPT功能。經過逆變后的交流電按不同區域分為4路接入建筑配電室內，為保證系統安全，其中CIGS薄膜組件部分3路需各設置1臺隔離變壓器，然后接入大樓整體0.4kV配電系統。在接入點處設有雙向計量電表，檢測系統實時發電數據，同時設置能源管控平臺，可將數據上傳至平臺，方便運維。

4 發電量測算

表3所示分別測算各部分組件的發電效果。由于組件敷設朝向不同，故不同安裝位置的組件表面峰值輻照發電小時數不同，其中南向10°傾角的最高。系統3部分合計25年發電期的平均發電小時數為997h/年，總計發電量為396.3萬kWh。組件的年均發電小時數較低，主要原因是安裝角度較小，不利于組件接收太陽光的入射。

5 結束語