太阳能先进技术在电站中的应用

 

从硅电池制造的变化到双面技术的优势在内，European Energy公司高级项目经理Jan Vedde分析了太阳能光伏市场的关键技术趋势。

今天，人们似乎普遍认为，太阳能光伏可以在世界各地的许多市场提供具有价格竞争力的电力，国际能源署(IEA)最近对这一看法表示了认可并指出， "在大多数市场中，太阳能光伏或风能代表了当下最便宜的新电力来源。"

能源专业人士表示，竞争力与安装成本的大幅下降有关，2010年至2019年间，大型地面电站光伏项目的发电成本下降了82%。

推动成本下行的因素主要包括规模经济、大规模生产、组件制造商和供应商之间的合作、支持计划以及中国光伏行业的竞争。本文将讨论技术进步的性质，这些升级对大型地面电站系统设计和开发的相关需求，如并网、融资、资产的剥离和管理。

由First Solar生产的、基于碲化镉电池的薄膜组件以及硅基光伏组件实现了光伏组件的这一进展，前者占据了整个市场的约5%

本文将讨论与硅基大功率组件相关的技术进展，包括增加Czochralski单晶直径，把线锯切割磨料从碳化硅替换成金刚石，打开电池背面以实现双面组件，在双面应用中用玻璃代替背板，通过组件工厂的第三方检查加强质量保证，在最大功率点跟踪(MPPT)中引入具有更高载流能力的逆变器，确保并网点符合极其复杂的电力质量要求。

硅基太阳电池

谈到太阳能电池，最重要的技术进步与硅基板有关，这是大多数太阳能市场，也就是硅基太阳电池市场的一个关键因素。

多年来，人们使用浆液式线锯将铸造多晶硅和Czochralski(CZ)单晶硅锭切割成硅片，作为电池加工的基材。

短短几年内，铸造方法已被放弃，所有新的光伏产品现在都是基于单晶硅片的。它们是用金刚石涂层的钢丝切割的，这确保了比以前的浆液式线锯更少的材料损失。

更重要的是，单晶的直径也大大增加，以前的电池通常是200-223mm，而今天占据主导地位的是250mm或300mm电池，对应的是边长为182mm或210mm的全方形硅片。

由于太阳电池在光照下产生的电流与电池的面积成正比，这两种硅片尺寸会影响太阳能组件的额定电流，这是电气设计时的一个重要标准。至少在考虑主流p型PERC电池结构时，210mm电池电流将比相应的182mm电池高出约1.3倍。

大尺寸组件

标准组件尺寸主要取决于封装在层压板中的全电池的数量，通常为72片或78片。通过使用半片电池来减少内部电阻损耗，电池片的数量可能会增加一倍。

当前，两种典型的大尺寸组件是182mm硅片540Wp系列产品，一种为尺寸2256 x 1133mm2(以隆基为代表)，第二种以天合光能、东方日升和其他公司的210mm硅片600Wp系列产品，尺寸为2172 x 1303mm2。

Svinningegaarden是一个位于Zeeland的33.9MWp项目，这是欧洲第一批使用隆基公司新型大尺寸540Wp双面组件的项目之一

540Wp产品将产生近13A的组件电流， 600Wp组件将产生超过17A的电流。

与大电流相应的是，这些组件的电压也不同，功率最高的组件的电压最低，约为41V，而540Wp组件可提供近50V的最大功率点(mpp)电压。在评估这些新产品的系统设计时，大尺寸和组件电流都会产生影响。

双面性能和双玻组件

在这些新的大尺寸组件中，一个非常重要的特点是可选择打开电池和层压板背面，使光线渗透到电池的半导体结中。

对于p型组件，背面的光转换效率约为70%，而n型组件的背面效率可能达到85%或更高。在大多数情况下，双面组件的能量增益超过了为这一特性所支付的、有限的额外价格，但这一增益的财务价值取决于这一额外增益的建模在科学界得到了多大程度的验证和确认，这在很大程度上决定了增益的可融资性。

组件背面的透明度可以通过透明背板和玻璃来实现。背板可以确保较轻的组件整体重量，这对某些屋顶项目会很重要。双玻层压板的好处是组件会更坚固，能更好的保护电池免受湿气侵入和机械应力的影响。

组件质量保证

大型地面太阳能项目往往将总资本支出的40%用于光伏组件，因此，对融资银行和最终项目业主而言，这一关键部件的质量、耐用性和性能保证非常重要。

如今，不仅是在选择供应商之前，而且在制造活动期间和实际生产后的发运前检查中，工厂现场的第三方审核也很常见。为了确保这种检查为买方提供价值，有必要将详细的检查范围、验收标准和检查员授权纳入合同。

合同的这一部分也是与新的大尺寸组件相关的技术问题，必须定义专门用于降低质量和性能不确定性的检查程序。对于无法提供长期现场测试的新产品，先行者需要解决这一问题，并且不能排除未知的模式。

底层结构解决方案

为了确保组件背面结构阴影保持在一个可接受的低水平，双面组件确实需要新的下部结构设计。

更大的电池组件也可能导致每个固定倾斜面或跟踪器的面积更大，这意味着需要重新关注静态计算。虽然设计标准基本不变，但需要考虑最近发生的扭绞事件——大风将组件吹离跟踪器的事件。为此，技术顾问可以提高对静态计算的认识，确保充分了解新尺寸组件。

逆变器层面

当1500V组串(典型的最大电压标准)配备了新的大尺寸组件时，会对逆变器将直流电转换为交流电的能力提出更高的要求。

在典型的组串长度下，每个组串可承载多达33个的600Wp组件或27个540Wp组件。整体直流/交流功率比给电气设计带来了设计限制，而且由于需要管理来自多个输入组串的功率，每个MPPT的最大电流通常接近25A，这使由一个MPPT管理两个大电流组(每个17A，不包括双面升压)的方案失效。

为了以高于逆变器额定功率的合理直流电容量加载逆变器，通常需要新的逆变器型号，这些型号的产品能够管理每个MPPT的多个大电流组。

新的光伏组件规格不仅引入了新的、要求更严格的逆变器功能和更新，欧盟内部最近还实施了对发电机的新要求，这使人们更加关注逆变器和逆变器制造商在电网合规性领域的专业知识。

并网规定

多年来，只需办理很少的手续并提供逆变器型式认证的电网合规文件，典型的户用或商业光伏系统就可以并入电网。在根据要求提供电网支持方面，这种系统的能力有限，而且往往只能根据公用事业部门要求的 "开 ""关 "状态进行远程控制。

今天，对发电机的技术要求已显著提升，在一些国家，如丹麦和爱尔兰，输电系统运营商(TSO)已采取行动确保符合要求。它们不仅基于型式验证证书，而且通过详细分析验证电网模拟模型。例如，这是用PSCAD(电力系统计算机辅助设计)制作的，PSCAD定义了电力系统中的组件特性，进行了RMS(瞬态分析)建模。

欧洲国家刚刚实施关于发电机要求的欧洲法规(2016/631)，因而新的大尺寸组件的电气设计也刚刚实施。由于刚引入的逆变器新模型允许每个MPPT管理更多电流，因而这种电网仿真模型合规性验证的过程不仅耗时，而且存在着很高的延误风险。

即使新光伏电站有可能获得启动运行通知(EON)以开始测试安装的电气设备，但这些电网模拟模型在获得批准之前，仍无法获得临时运行通知(ION)。ION允许项目在最初几年向电网输电。

TSO可能不会公布对逆变器子模型文件的确切要求，但这些要求可能超过常用的VDE AR-N 4110/4120/4130和EN 50549-2证书中给出的要求，因此，确保及时遵守并网条件可能相当麻烦。