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(chǎng)提供具有價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力的電力,國(guó)際能源署(IEA)最近對(duì)這一看法表示了認(rèn)可并指出, "在大多數(shù)市場(chǎng)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(jìng)爭(zhēng)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(xiàng)目的發(fā)電成本下降了82%。
推動(dòng)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(jì)劃以及中國(guó)光伏行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)。本文將討論技術(shù)進(jìn)步的性質(zhì),這些升級(jí)對(duì)大型地面電站系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了光伏組件的這一進(jìn)展,前者占據(jù)了整個(gè)市場(chǎng)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(shí)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(diǎn)跟蹤(MPPT)中引入具有更高載流能力的逆變器,確保并網(wǎng)點(diǎn)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(chǎng),也就是硅基太陽電池市場(chǎng)的一個(gè)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(duì)應(yīng)的是邊長(zhǎng)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(huì)影響太陽能組件的額定電流,這是電氣設(shè)計(jì)時(shí)的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。至少在考慮主流p型PERC電池結(jié)構(gòu)時(shí),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(huì)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(gè)位于Zeeland的33.9MWp項(xiàng)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(xiàng)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(diǎn)(mpp)電壓。在評(píng)估這些新產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),大尺寸和組件電流都會(huì)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(gè)非常重要的特點(diǎn)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(duì)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(jià)格,但這一增益的財(cái)務(wù)價(jià)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(yàn)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(shí)現(xiàn)。背板可以確保較輕的組件整體重量,這對(duì)某些屋頂項(xiàng)目會(huì)很重要。雙玻層壓板的好處是組件會(huì)更堅(jiān)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(xiàng)目往往將總資本支出的40%用于光伏組件,因此,對(duì)融資銀行和最終項(xiàng)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(dòng)期間和實(shí)際生產(chǎn)后的發(fā)運(yùn)前檢查中,工廠現(xiàn)場(chǎng)的第三方審核也很常見。為了確保這種檢查為買方提供價(jià)值,有必要將詳細(xì)的檢查范圍、驗(yàn)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(duì)于無法提供長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(gè)可接受的低水平,雙面組件確實(shí)需要新的下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
更大的電池組件也可能導(dǎo)致每個(gè)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(jì)算。雖然設(shè)計(jì)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(duì)靜態(tài)計(jì)算的認(rèn)識(shí),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(shí),會(huì)對(duì)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(zhǎng)度下,每個(gè)組串可承載多達(dá)33個(gè)的600Wp組件或27個(gè)540Wp組件。整體直流/交流功率比給電氣設(shè)計(jì)帶來了設(shè)計(jì)限制,而且由于需要管理來自多個(gè)輸入組串的功率,每個(gè)MPPT的最大電流通常接近25A,這使由一個(gè)MPPT管理兩個(gè)大電流組(每個(gè)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(hào),這些型號(hào)的產(chǎn)品能夠管理每個(gè)MPPT的多個(gè)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(shí)施了對(duì)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(shí)。
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(duì)發(fā)電機(jī)的技術(shù)要求已顯著提升,在一些國(guó)家,如丹麥和愛爾蘭,輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商(TSO)已采取行動(dòng)確保符合要求。它們不僅基于型式驗(yàn)證證書,而且通過詳細(xì)分析驗(yàn)證電網(wǎng)模擬模型。例如,這是用PSCAD(電力系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))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(guó)家剛剛實(shí)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(jì)也剛剛實(shí)施。由于剛引入的逆變器新模型允許每個(gè)MPPT管理更多電流,因而這種電網(wǎng)仿真模型合規(guī)性驗(yàn)證的過程不僅耗時(shí),而且存在著很高的延誤風(fēng)險(xiǎn)。
即使新光伏電站有可能獲得啟動(dòng)運(yùn)行通知(EON)以開始測(cè)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(shí)運(yùn)行通知(ION)。ION允許項(xiàng)目在最初幾年向電網(wǎng)輸電。
TSO可能不會(huì)公布對(duì)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(shí)遵守并網(wǎng)條件可能相當(dāng)麻煩。
并網(wǎng)和儲(chǔ)能
如今,許多大型地面電站項(xiàng)目正在并網(wǎng),潛在項(xiàng)目蓬勃發(fā)展。與公用事業(yè)公司確保有足夠的并網(wǎng)容量相比,一旦市政當(dāng)局接受了項(xiàng)目計(jì)劃并做出最終投資決定,項(xiàng)目開發(fā)商的項(xiàng)目設(shè)計(jì)、采購(gòu)和施工工作要快的多。
對(duì)于公用事業(yè)部門或TSO來說,電網(wǎng)維護(hù)/升級(jí)和戰(zhàn)略執(zhí)行決定必須與涵蓋五到十年發(fā)展前景的(強(qiáng)制性)長(zhǎng)期電網(wǎng)計(jì)劃有關(guān),通常,這種計(jì)劃很難適應(yīng)在短短幾年內(nèi)從綠地篩選階段發(fā)展到可建設(shè)狀態(tài)的容量要求。
考慮打造一個(gè)電池或其他儲(chǔ)能系統(tǒng)是非常重要的。類似的考慮因素可能從并網(wǎng)協(xié)議要求演變?yōu)樵试S的輸出產(chǎn)能提升率和最低輸出容量要求。雖然分析與限電相關(guān)的儲(chǔ)能商業(yè)案例并不難,甚至分析與下調(diào)和套利有關(guān)的收入流也不難,但是,評(píng)估輔助服務(wù)市場(chǎng)可能收取的收入額和持續(xù)時(shí)間要困難的多。
并網(wǎng)和儲(chǔ)能決策的要求越來越高,也越來越重要,但這可能更多的與電網(wǎng)業(yè)主在并入電網(wǎng)時(shí)的運(yùn)營(yíng)條件有關(guān),而不是光伏領(lǐng)域內(nèi)的最新技術(shù)發(fā)展。
原標(biāo)題:深度:太陽能先進(jìn)技術(shù)在電站中的應(yīng)用及改變