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光伏技术发展与问题分析

光伏技术发展与问题分析. 沈 辉 博士（ Dr.-Ing ） 教授 中山大学太阳能系统研究所，顺德中山大学太阳能研究院 2014 年 03 月 19 ， 中山大学怀士堂. 目 录. 中山大学光伏团队 光伏技术发展背景 光伏技术综合评价 太阳电池技术发展 光伏组件技术现状 光伏电站技术发展 光伏技术发展趋势 广东光伏发展建议. 中山大学光伏团队. 1 . 太阳能系统研究所， 2005 ，广州 - 大学城 2005 年成立，主要骨干来自中国科学院 2 . 电力电子及控制技术研究所， 2003 ，珠海 - 唐家湾

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  1. 光伏技术发展与问题分析 沈辉 博士（Dr.-Ing） 教授 中山大学太阳能系统研究所，顺德中山大学太阳能研究院 2014年03月19，中山大学怀士堂

  2. 目 录 • 中山大学光伏团队 • 光伏技术发展背景 • 光伏技术综合评价 • 太阳电池技术发展 • 光伏组件技术现状 • 光伏电站技术发展 • 光伏技术发展趋势 • 广东光伏发展建议

  3. 中山大学光伏团队 1. 太阳能系统研究所，2005，广州-大学城 2005年成立，主要骨干来自中国科学院 2 . 电力电子及控制技术研究所，2003，珠海-唐家湾 2003年成立，主要骨干来自教育部光伏技术重点实验室 • 顺德中山大学太阳能研究院，2010，顺德-大良 2010年成立，顺德区与中山大学共建 广东省教育厅重点实验室，2006 国家新能源工程技术研究中心华南分中心 2010 广东省光伏技术重点实验室，2011

  4. 编著的相关专业书籍 • 沈辉、曾祖勤主编:《太阳能光伏发电技术》，化学工业出版社，2005 • 沈辉、曾祖勤主编：马振基 校订：《太阳能光电技术》，台湾五南图书出版社，2008 • 刘正新、沈辉, 译著：《太阳电池》，化学工业出版社，2010 • 吴志坚、叶枝全、沈辉，主编:《新能源和可再生能源的利用》，机械工业出版社，2006 • 沈辉、刘勇、徐学青，编著:《纳米材料与太阳能利用》，化学工业出版社，2012 • 沈辉、褚玉芳、王丹萍、张原，译著：《太阳能光伏建筑设计》，科学出版社，2013 • 梁宗存、沈辉、史珺、任丽、张新、任丙炎《多晶硅与硅片生产技术》，化学工业出版社（2014） • 正在修改：《晶体硅太阳电池工艺》、《光伏电站设计与建造》、《太阳能光伏发电技术（第二版）》、《光伏器件与系统检测技术》 • 正在翻译：《硅薄膜太阳电池》、《纳米磁性颗粒在医学中应用》

  5. 光伏技术发展背景 • 一切能源来自太阳 • 化石能源 • 自然能源 • 电能 – 人类找到的长期的能源形式，方便、快捷、安全、高效。 • 来自太阳的启示：人工照明，导致人造光源（促进了电的需求）数百年发展史，即电转为光的时代！目的：能源消除黑暗！ • 现在：光转为电的时代！目的：解决能源需求问题！

  6. 光伏技术发展背景 技术源泉：伏打-贝克勒尔-爱迪生-爱因斯坦 • 亚历山德罗·伏打伯爵（Count Alessandro Volta, 1745-1827），意大利物理学家，因在1800年发明化学电池：伏打电堆（voltaic pile）而闻名于世。 • 埃德蒙· 贝克勒尔（E. Becquerel，1820-1891， • 1839年在19岁的时候在做电化学实验时发现光伏现象。 • 托马斯·阿尔瓦·爱迪生（Thomas Alva Edison，1847年-1931年），1879年发明电灯，1880年获得专利。 • 阿尔伯特·爱因斯坦( Albert Einstein，1879-1955 )，1905 年用光子假说圆满“光电效应”，提出光量子（E= hν）概念与定义。

  7. 光伏技术发展背景 • 1839年贝克勒尔发现光电流效应（光伏效应） • Volta：伏打，人名，Voltaic：电的；Volt：伏特，电压单位 • 英国皇家医生A. Smee 在1849年采用“Photo-Voltaic” • Photovoltaic (PV): 光伏？即光电 • PV conversion: 光伏转换？光电转换！ • 从伏打的电力 - 贝克勒尔光伏效应（伏打印记）- 爱迪生对光的追求：电力转为光能 - 爱因斯坦对光的本性的认识：光的转化与产生；光伏发展思想路线 - 科学发现与创新接力传递 - • 同样来自太阳的启发：光究竟是什么？电磁波还是粒子？

  8. 光伏技术综合评价 • 光伏技术发展条件：原理、材料、技术、需求 • 半导体材料与技术 • 太阳电池发展，类似于半导体照明，可以说太阳电池发电是半导体发电：太阳电池是光子器件！（如何用太阳电池来探索光的本性？） • 从现在开始，能源革命：人类要将进入将光转变为电的时代！ • 世界太阳电池产量：1976年不到 1 MW，2012年大于35 GW！

  9. 图 1 太阳能的自然转换与技术转换即所谓的一次能源及二次能源对应关系

  10. 图 2 获得电力的几种代表性的能量转换过程

  11. 光伏技术综合评价 • 化石能源发电综合效率50%，但是消耗地球有限资源，并造成污染！ • 核电：1克当量的铀235相当与燃烧3.3吨煤的能量！但铀资源有限，安全性？核废料处理？ • 大水电：最经济，但地质影响？安全性？ • 光伏发电：效率不高，但是没有消耗地球资源，且不产生污染！ • 光伏发电效率与化石能源发电效率不能相提并论！ • （光伏电力所需原料来源于地球外的阳光资源！）

  12. 表 1 1982年晶体硅电池能量回收期估算（沈辉整理自Martin A. Green《太阳能电池－工作原理、技术和系统应用》75－76页）

  13. 表 2 在2009年任丙炎对光伏发电经济分析结果（沈辉整理自任丙炎报告）

  14. 光伏组件生产全过程耗电量 • 某公司拥有整个产业链，1、2月份的数据，只计算了主材的生产电耗，银浆、玻璃、边框等辅材没有计算在内，以每片多晶硅电池效率17.5%（已经扣除组件封装损失），折合4.25 W计算。详细的数据如下： • 硅料：采用冷氢化技术以及36对棒还原炉，每公斤硅料电耗为91度；每公斤多晶硅可以产出硅片45片。则每瓦的电耗为 • 91/45/4.25 = 0.476（度/瓦） • 硅片：铸锭 0.34度/片，切片0.48度/片。合计0.82度/片，折合0.193度/瓦。（硅片厚度 180？尺寸 156 x 156） • 电池：0.116度/瓦。 • 组件：0.047度/瓦。  （组件由60片电池组成） • 合计：每瓦多晶硅电耗：0.476 + 0.193 + 0.116 + 0.047 = 0.832度/瓦 • (以上数据由许欣翔、梁学勤2004年3月提供)

  15. 光伏技术综合评价 • 广州地区光伏组件发电效果比较（2006年- ） • 单晶硅、多晶硅、HIT、非晶硅、铜铟镓硒、碲化镉 • 2006年单晶阵列（3.2kWp）建成（8月底9月初建成）；2007年8月7日多晶阵列（2.3kWp）建成；2008年1月CIGS方阵（1.120kWp）建成；2008年1月21日非晶硅方阵（1kWp）、CdTe方阵（1.120kWp）、HIT方阵（1.08kWp）建成；2009年3月13日-2010年3月23日，多晶硅断开，修建光伏小屋，多晶硅方阵移位，移位过程中两块组件摔坏，多晶硅方阵变为2.1kWp。2013年5月4日，六个方阵线路改造，所有线路停，至2010年10月系统全部改造完，并且数据采集系统开始采集数据。 • 1982年多晶硅组件（23年 + 4年，1982年产，1984年安装在海南岛） • 旧组件阵列安装容量为5.88kWp，该阵列中的144块多晶硅太阳点知组件已经在海南运行了23年，时间为1986年-2008年。在2010年，中山大学太阳能系统研究所对这批组件的电性能进行了测试研究，重新标定并更换了组件的接线盒后，把144块组件重新建成光伏发电阵列，通过逆变器并入公共电网。 • 1996年单晶硅组件（西门子，1996年安装在深圳外资企业110 kW） • 即将在全国布点安装，以研究晶体硅组件寿命与衰减情况

  16. 光伏技术综合评价 • 建立我国光伏技术评价体系：效率评价、寿命评价等技术中国标准：太阳电池的效果是与地域分不开的！（与气象部门合作？） • 电池技术评价国际室外试验场：统一实验标准！ • 西宁：高海拔、高寒带，晶体硅、薄膜？旧组件？ • 齐齐哈尔：低海拔、高寒带，晶体硅、薄膜？旧组件？ • 昆明：高海拔、光照丰富带 • 无锡：长三角平原、四季分明 • 广州：珠三角平原、长夏无冬地带（顺德、中山）晶体硅、薄膜、旧组件 • 桂林：晶体硅、薄膜 • 武汉：中部地区、冬寒夏热，晶体硅、薄膜、旧组件？ • 西昌：西南地区、阳光充沛 • 三亚、海口：海岛、亚热带、长夏无冬，

  17. 表 3. 我国光伏发电占比与光伏组件安装量发展预测

  18. 太阳电池技术现状 • 国际发展概况 • 2012年光伏安装100 GW，美国、欧盟双方背景 • 欧盟、日本、美国等光伏发展现状 • 国内发展概况 • 产业调整、重组阶段，光伏产业具有国际竞争力！ • 2015：35 GW；2020：50 – 100 GW • 17个分布式能源示范区、三个重点推广地区 • 光伏产业技术现状 • 晶体硅电池：多晶-18%-19%；单晶-20%-22% • 薄膜电池：处于低潮阶段，但是仍是重要的发展方向 • 光伏技术研究课题 • 高效晶体硅电池、系统技术、储能技术、新材料与新技术

  19. 太阳电池技术现状

  20. 高效晶体硅太阳电池典型结构 IBC电池 EWT电池 MWT电池 HIT电池 PERC电池

  21. 新型结构晶体硅太阳电池：集成旁路二极管 仅需要改变丝网印刷工序即可制得， 十分简便。 (a) 图制备流程图 图丝网印刷工序(a)实物图(b) (b)

  22. 新型结构晶体硅太阳电池：集成旁路二极管 图 36片太阳电池的集成旁路二极管组件

  23. laser n shunt p 晶体硅太阳电池漏电缺陷修复中试线 修复工艺原理及中试线建设 激光隔离修复原理 优化激光工艺 激光隔离

  24. 晶体硅太阳电池漏电缺陷修复中试线 修复中试线部分装备 中试线主要设备：电致发光（EL，左）和红外热像（右）测试仪 （自主开发）

  25. 晶体硅太阳电池漏电缺陷修复中试线 修复中试线部分装备 中试线主要设备：激光处理系统（左）及工作细节（右） （自主开发定制）

  26. 晶体硅太阳电池漏电缺陷修复中试线 修复的太阳电池实例 隔离前 隔离后 实例：边缘漏电电池修复前后的红外热像测试（左） 及IV特性测试（右）结果

  27. 晶体硅太阳电池漏电缺陷修复中试线 修复电池组件制作及实验发电系统 安装在发电系统中的修复电池组件 （组件1为正常参考组件，组件2-5为激光修复电池制成的组件）

  28. 晶体硅太阳电池漏电缺陷修复中试线 修复电池组件制作及实验发电系统 实验组件运行1年的发电性能数据

  29. 高效晶体硅太阳电池研究 [1] Daming Chen et al. PREVENTING THE FORMATION OF VOIDS IN THE REAR LOCAL CONTACT AREAS FOR INDUSTRIAL-TYPE PERC SOLAR CELLS

  30. 高效晶体硅太阳电池研究 陈达明博士在欧洲光伏会议上作分会邀请报告

  31. 高效晶体硅太阳电池研究 • 提出一个用于丝网印刷铝背场的Al-O复合数值模型，澄清了Al-BSF的复合机理，并为高效PERC电池优化指明方向； • 该工作通过盲审被2013年Silicon PV国际大会选为Extended Oral Presentation演讲(30分钟)，并获得SiliconPV Award.论文被推荐到Solar Energy Materials & Solar Cells (IF = 4.6)上发表 • 通过数值模拟提出高效彩色太阳电池的制备方法，并采用磁控溅射成功制备出高效的彩色电池，该工作在27届欧洲光伏会议上发表; • 首次通过数值模拟方法对晶体硅电池的光学、半导体、电学损失进行定量分析，并指出>21%电池的研发方向； • 提出一种有效的消除PERC电池背面空洞的方法，有效的将空洞率从100% (文献报道)降到12%以下.

  32. SiliconPV Award 2013 http://www.siliconpv.com/cms/about-siliconpv/siliconpv-award-2013.html The SiliconPV Award 2013 was given to the 10 best ranked contributions of SiliconPV 2013 in Hamelin, Germany. They were selected among 198 submissions by a blind review process.

  33. The program committee of the SiliconPV conference designated the following authors:

  34. -光伏电站设计及技术交流- 光伏组件技术现状 1、组件寿命综合评估； 2、PID效应机理研究及解决方案。 • 在既定光伏电站中，组件的发电效率和使用寿命决定了整个项目的投资回报。目前影响组件发电效率的重要因素为PID效应和隐裂。 • 至今PID效应产生机理和组件寿命一直没有一个权威而统一的说法。 2014年8月25日

  35. 组件寿命综合评估 1、收集不同时间、不同运行区域的各种老旧组件，进行IV测试、安全测试、各个关键部件的深化分析，对组件各部件的使用寿命以及组件综合寿命进行评估，并结合组件运行区域气候条件和现行组件老化试验标准，提出更具地域性特色和与实际运行数据更接近的测试标准，以便更科学地评估组件寿命。 2、已有工作基础： 1）6种不同类系光伏组件的对比跟踪（位于中山大学工学院楼顶）； 2）Solarex多晶硅组件，1982年生产85年使用，标称功率42.6 Wp，共177块； 3）BP单晶硅组件，1987年生产并使用，标称功率67 Wp，共50块； 4）SIEMENS单晶硅组件，1997年生产并使用，标称功率55 Wp，共 2000块。 2014年8月25日

  36. Solarex多晶组件 SIEMENS单晶组件 2014年8月25日 -36-

  37. Solarex组件外观缺陷情况统计 2014年8月25日

  38. Solarex组件功率衰减分析 功率相对值的分布如上图，将偏离较远的点去掉，大致可以看作是呈正态分布，平均的功率相对值为94%，整体性能较好，衰减不大，大约6%。即便是将平均功率与原最大值Pmax=47W相比，相对值为84.6%。 2014年8月25日

  39. 23年+旧组件光伏系统监测项目 • 旧组件电性能分析 • 注：总共有组件177块，其中六块接线盒严重腐蚀，未能测出具体值。 • 开路电压下降很小 • 短路电流下降较大 • 最大功率点电压略有上升 2014年8月25日

  40. 23年旧组件光伏系统监测项目 • 旧组件系统配置 组件数量：144 pcs 容量：5.4 kWp 安装时间：2010.07 2014年8月25日

  41. 日本产业技术综合研究院公布数据 • パネル種類 10年後（%）20年後（%）25年後（%） • 単結晶 92.4～93.7 85.3～87.8 82～85 • 多結晶 94.5～95.589.3～91.1 86.8～89 • CIS/CIGS 97～97.2 94.1～94.5 92.7～93.2 • ヘテロ接合（HIT）96.0 92.2 90.4 • アモルファス88.9 79 74.6 • 参考UR：http://standard-project.net/solar/jyumyo.html • 从衰减程度来看，稳定性最好的电池顺序为： • 铜铟镓硒 - HIT - 多晶硅 – 单晶硅 – 非晶硅

  42. 光伏电站技术发展 1、集中式（包括主从结构） 2、组串式（包括带逆变器的组件：微逆变） 组串式逆变器 集中式逆变器

  43. 光伏电站技术发展-集中式 1、对于大型并网光伏系统，采用大型的集中式三相逆变器（功率一般是100 kW以上），其主要优点是： 1）逆变器集中放置，安装简单，维护方便 2）逆变器单机自身效率较高 3）逆变器初始成本比较低 2、 其主要缺点是： 单路MPPT，发电量无法做到最优。 一旦故障，造成大面积的光伏系统停用。

  44. 集中式系统图

  45. 集中式-主从工作模式 主要优点是： 1、 大型的光伏系统有时候采用2～3个集中型逆变器，总功率被几个逆变器均分，在辐射低的时候，一个逆变器工作，这样效率较高; 当辐射升高，超过一个逆变器的工作上限，其它的逆变器相继开始工作。 2、为了保证逆变器的工作量均等，主—从逆变器经常轮换。 德国慕尼黑会展中心的1 MWp的屋顶光伏系统就是采用的主从结构。

  46. 主从结构图

  47. 光伏电站技术发展-组串式 1、将有同样朝向、倾角和无阴影的组件串成一串，由一串或者几串构成一个子阵列，安装一台几十千瓦功率的逆变器(20-50 kW)。 2、其主要优点是： • 多路MPPT，发电量有优势；维护不需要专业人员 • 减少了组件的相互串并联的线缆长度，尤其是直流主电缆的长度，可降低电缆成本。 • 逆变器可以安装在光伏组件的旁边，有利于合理布线。 • 在有些情况下可以省略汇线盒，降低成本。 • 可以对光伏系统进行分片的维修。

  48. 组串式结构图 组串式 逆变器 组串式 逆变器 组串式 逆变器 交流 汇流箱 升压变

  49. 光伏电站技术发展-微型逆变器 1、在光伏组件上集成一个微型逆变器，实际上是组件和逆变器作为一个整体单元，也称为AC modules。 2、其优、缺点分别是： • 逆变器针对单个组件达到性能的最优化。 • 逆变器可以很快的扩容。 • 目前在BIPV上得到了较广泛的应用。 • 成本较高，无法大规模应用。 • 效率相对较低。

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