薄膜太阳能电池在荒漠电站的应用前景分析

寇建玉，张燕娜

(内蒙古电力勘测设计院，内蒙古 呼和浩特 010020)

我国是一个能源相对匮乏的国家，太阳能是取之不尽、用之不竭的清洁能源，发展太阳能可以降低一次能源消耗、保护环境，最大限度的实现节能减排。近年来，我国在太阳能光伏发电领域发展迅速，截至2009年底，光伏发电累计装机容量达到300.3MWp，2009年当年的装机容量较上一年增加近300%。

1 太阳能电池

目前，世界上已经商业化并开始规模化推广应用的太阳能电池有晶硅电池和薄膜电池，晶硅电池包括单晶硅和多晶硅电池，薄膜电池基本上可分为非/微晶硅薄膜电池、铜铟镓硒(CIGS)薄膜电池和碲化镉(CdTe)薄膜电池三种。晶硅电池光电转换效率高、技术成熟，是目前太阳能光伏电池的主流产品，占整个光伏电池市场份额的80%以上，尤以多晶硅电池的应用最为广泛。但晶体硅的生产成本和生产能耗相对较高，价格也较高。CIGS薄膜电池和CdTe薄膜电池中包含稀有元素，可获取性较低，非晶硅薄膜电池原材料易得、光电转换效率相对较低，但弱光响应相对较好，生产成本和生产能耗均远低于晶硅电池，最近一两年发展势头强劲。太阳能电池分类见表1。

表1 太阳能电池分类

2 非晶硅/微晶硅薄膜电池

非晶硅薄膜太阳能电池是一种以非晶硅化合物为基本组成的薄膜太阳能电池，光电转换效率较低而且随光照时间的延续衰减较快；随着科技发展和技术进步，叠层太阳能电池技术解决了非晶硅薄膜电池的光电转换效率低和光致衰退效应快的问题。非晶硅/微晶硅双结叠层太阳能电池就是叠层技术的一种很好的应用实例，拓展了光谱的响应范围，提高光电转换效率，同时减小了光致衰退效应。目前，非晶硅/微晶硅薄膜电池的光电转换效率可达8%，寿命也与多晶硅电池相当。非晶硅/微晶硅双结叠层电池的光谱响应范围见图1。

图1 非晶硅/微晶硅双结叠层电池的光谱响应范围

与多晶硅太阳能电池相比，非晶硅薄膜电池主要有以下优点：

(1)硅原料使用量小、生产能耗低。

硅是地壳中分布最广的元素，其含量达到25.8%；但自然界中的硅主要以石英砂的形式存在，主要成分是硅氧化物。生产太阳能电池的高纯硅材料是用石英砂冶炼得来的，石英砂首先在电炉中冶炼得到工业硅，然后再提纯得到高纯硅。

常规晶硅电池的厚度为200um～350um，而非晶硅薄膜电池只有0.5um， 非晶硅薄膜光伏组件的厚度不足多晶硅的1%；也就是说非晶硅薄膜组件的硅材料消耗量远小于多晶硅电池。高纯硅材料的生产工艺决定了太阳能电池的硅原料使用量大，其生产能耗越高；因此多晶硅电池的生产能耗较非晶硅薄膜高得多。根据高科技行业研究机构驰昂咨询(Sinotes)的分析，多晶硅电池的生产能耗与其2年的发电量相当，非晶硅薄膜电池的生产能耗与其1年的发电量相当。单晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜电池的生产能耗对比见图2。

(2)光谱响应范围宽、弱光响应好。

非晶硅材料的光谱响应范围宽，吸收系数在整个可见光范围内，对低光、强光均有较好的适应性。

(3)功率温度系数低。

当太阳能电池工作温度高于标准测试温度25℃时，其最佳输出功率会有所下降；非晶硅薄膜太阳能电池的功率温度系数不到多晶硅的一半，也就是说当温度变化时，非晶硅薄膜电池功率的降低幅度较多晶硅电池小得多。

图2 生产能耗对比柱状图

本文以内蒙古阿左旗某并网光伏发电工程为例，对应用最广的多晶硅光伏组件和薄膜电池中原材料易得、成本较低和环境效益好的非晶硅/微晶硅薄膜电池进行综合经济效益比较。

3 工程实例

3.1 工程概况

内蒙古阿左旗某并网光伏发电工程建设规模10MWp，站址(37.88°N，105.4°E)位于阿拉善盟最南端的孪井滩生态移民示范区，属未开发的暖温带荒漠干旱区。站址地区太阳能资源丰富，日照时间长，年日照时数在2800h～3500h之间；太阳辐射强度高，年太阳辐射量可达6049MJ/m2。

工程采用“分块发电，集中并网”的总体设计方案，10MWp光伏阵列分为10个1.0MWp的光伏方阵，组成10个1MWp并网发电单元。选用230(29.5)Wp多晶硅和460(218)Wp非晶硅/微晶硅薄膜光伏组件各5MWp,每个1MWp的并网发电单元通过直流汇流装置分别接至2台500kW的逆变器，经0.29/35kV箱式变压器，采用一次升压方案接入35kV配电装置，最后通过孪井滩110kV变的单回35kV线路送出。

每个1MW光伏发电单元设置1个分站房，直流汇流装置、逆变器和交流柜布置在分站房内；35kV、380/220V配电装置布置在站区35kV配电室内。

3.2 光伏组件

选用多晶硅和非晶硅/微晶硅薄膜两种光伏组件，其中230(29.5)Wp多晶硅光伏组件21800块，容量5.014MWp；460(218) Wp非晶硅/微晶硅薄膜光伏组件10890块，容量5.0094MWp，光伏阵列的总容量10.0234MWp。表2、表3分别为多晶硅和非晶硅/微晶硅薄膜光伏组件的技术参数表。

表2 230Wp多晶硅光伏组件技术参数

表3 460Wp非晶硅/微晶硅薄膜光伏组件技术参数

光伏组件采用固定式安装方式，光伏阵列朝向正南，非晶硅/微晶硅薄膜光伏方阵最佳倾角为35°，多晶硅光伏方阵最佳倾角39°。光伏阵列成排安装，为保证冬至日上午9点到下午3点之间光伏组件间无遮挡，计算后确定非晶硅/微晶硅薄膜光伏方阵行间距为4m，多晶硅光伏方阵行间距为6m。5MWp多晶硅光伏发电单元占地94098m2，5MWp非晶硅/微晶硅薄膜光伏发电单元占地157218.75m2。

3.3 经济性比较

3.3.1 发电量

我们通过Retscreen光伏计算软件来估算发电量，计算原始数据和结果见表4。

表4 发电量计算一览

从表4可以看出，非晶硅/微晶硅薄膜电池的光电转换效率较低，单位面积的发电量较低；也就是说与多晶硅电池相比，相同的发电功率需要更大的组件面积。由于非晶硅/微晶硅薄膜光伏组件的弱光响应好于多晶硅组件，非晶硅/微晶硅薄膜组件的年发电量较多晶硅组件高约0.7%。非晶硅/微晶硅薄膜组件的生产能耗仅为多晶硅组件的50%，考虑光伏组件的生产能耗后，非晶硅/微晶硅薄膜组件的寿命期总发电量较多晶硅组件高约5.6%；从环保角度考虑，非晶硅/微晶硅薄膜组件在节能降耗方面的优势更大。

3.3.2 初投资

本文只对5MWp多晶硅发电单元和5MWp非晶硅/微晶硅薄膜发电单元初投资的差异部分进行比较，相同部分如逆变器、35kV配电装置部分等不列入比较范围。5MWp多晶硅和5MWp非晶硅/微晶硅薄膜发电单元初投资对比表见表5、表6。

表5 初投资计算原始数据

表6 5MWp多晶硅和5MWp非晶硅/微晶硅薄膜发电单元初投资对比

从表6可以看出，由于非晶硅/微晶硅薄膜光伏组件的价格远低于多晶硅组件，因此在容量相同的条件下，非晶硅/微晶硅薄膜发电单元的初投资远低于多晶硅组件。但非晶硅/微晶硅薄膜电池的光电转换效率较低，与多晶硅电池相比，相同的发电功率需要更大的组件面积，因此占地面面积较大、支架费用较高，从而导致直流侧接入电缆的数量较大。由于光伏组件占工程总投资的比例较大，通常在60%左右；因此非晶硅/微晶硅薄膜发电单元在征地、支架、电缆等方面的劣势与其在组件价格方面的优势相比显得微不足道。5MWp多晶硅较5MWp非晶硅/微晶硅薄膜发电单元的总投资高984万元。

3.3.3 综合经济效益比较

非晶硅/微晶硅薄膜光伏发电单元的年发电量高于多晶硅，但差异不大；考虑到多晶硅和非晶硅/微晶硅薄膜光伏发电单元在初投资方面的差异，进行年还贷额的比较；综合考虑发电量和初投资两方面因素，得出多晶硅和非晶硅/微晶硅光伏发电单元综合经济效益比较的结论。以下计算结果以还贷年限15年、年贷款利率6.98%、当地光伏发电上网电价1.10元为原始输入。

表7 综合经济效益对比

从比较结论可以看出，多晶硅发电单元的年还贷额明显高于非晶硅/微晶硅薄膜；非晶硅/微晶硅薄膜光伏发电单元的年收益较多晶硅高113万元，其综合经济效益好于多晶硅发电单元。

本工程站址属荒漠地区，为国家土地划分的第15类地区，征地取费标准按60元/m2收取。通过计算，当征地费上涨到216元/m2时(9类地区)，多晶硅与非晶硅/微晶硅/微晶硅薄膜发电单元的年还贷额相当；也就是说在同容量、同站址、同太阳能资源的条件下，征地费216元/m2是多晶硅与非晶硅/微晶硅薄膜发电单元综合经济效益的一个临界点；征地费低于216元/m2，非晶硅/微晶硅薄膜发电单元的综合经济效益优于多晶硅，征地费高于216元/m2，多晶硅发电单元的综合经济效益优于非晶硅/微晶硅薄膜。

4 结论

多晶硅电池的光电转换效率高(14%)，非晶硅薄膜电池较低(8%)，非晶硅薄膜电池的转换效率约为多晶硅的60%。

多晶硅光伏发电单元的占地面积约为

20000m2/MWp，非晶硅薄膜发电单元的占地面积约为32000m2/MWp，非晶硅薄膜发电单元的占地面积约为多晶硅的1.6倍。

非晶硅薄膜电池的生产成本低，价格约为多晶硅电池的60%；非晶硅薄膜电池的生产能耗低，为多晶硅电池的50%。

非晶硅薄膜电池弱光响应好，在相同装机容量、同等光照条件下，非晶硅薄膜发电单元的年发电量高于多晶硅。

在征地费用较低(≯216元/m2)的荒漠、半荒漠地区建设大型光伏并网电站，选用非晶硅薄膜光伏电池较选用晶硅电池年发电量高、初投资低、环境效益好，综合经济效益更优。而且晶硅电池技术上已相当成熟，已经形成了完备的产业链；与第一代晶体硅相比，作为第二代太阳能电池的非晶硅薄膜电池在提高效率和降低成本方面空间更大。

我国太阳能十分丰富，全国2/3以上的地区年辐射量大于5020MJ/m2.a，年日照时数在2000h以上；太阳年辐射总量基本呈现西部高于东部、北部高于南部(西藏和新疆除外)的趋势。也就是说我国太阳能资源丰富地区集中在西北地区，主要包括新疆、西藏、青海、甘肃和内蒙古西部，而荒漠和半荒漠地形、地貌占西北地区国土面积的比例较大，因此，薄膜太阳能电池尤其是非晶硅薄膜电池在我国大型并网光伏发电领域应用前景广阔，发展潜力巨大。