10MW光伏系统方案.docx
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10MW光伏系统方案
新疆10MW屋顶光伏系统方案
一、太阳能电池组件的分类及对比
太阳能光伏发电的最核心器件就是太阳能电池。
当前最为成熟的太阳能电池组件包括单晶硅电池组件、多晶硅电池组件和非晶硅电池组件，通常单晶硅和多晶硅由于具有相同或相近的制作过程、特性等特点而统称为晶体硅电池组件。
太阳能电池组件是以半导体材料为基础的一种具有能量转换功能的半导体器件。
晶体硅电池组件和非晶硅薄膜电池组件半导体材料均为硅。
太阳能电池组件的基本原理是基于半导体的光生伏特效应将太阳能辐射直接转换为电能。
光生伏特效应涉及到以下三个主要的物理过程：
第一，半导体材料吸收光能产生出非平衡的电子-空穴对；第二，非平衡电子和空穴从产生处向非均匀势场区运动，这种运动可以是扩散运动，也可以是漂移运动；第三，非平衡电子和空穴在非均匀势场作用下向相反方向运动而分离。
单晶硅太阳能电池是最早发展起来的，主要用单晶硅片来制造。
与其他类型的太阳能电池相比，单晶硅电池的转化效率最高。
商业化的甚至可以达到18%的转换效率。
但是价格也是最高的。
单晶硅片单晶硅太阳能电池组件
在制作多晶硅太阳能电池时，作为原料的高纯硅不是拉成大惊，而是溶化后浇铸成正方形的硅锭，然后像加工单晶硅一样切成薄片和进行类似的电池加工。
多晶硅电池组件与单晶硅电池组件的相比，效率略低，但是制作工艺及设备简单，更适合大规模生产。
总的来说，晶体硅电池的光电转化效率较高，在实际项目实施中应用的比较广泛。
多晶硅片多晶硅太阳能电池组件
由于制作单晶硅电池组件和多晶硅电池组件均需要高纯度的硅材料。
近几年以来，随着太阳能光伏发电市场迅速扩大，硅材料的供应日趋紧张，价格飞涨。
制约了晶体硅电池组件的继续发展。
非晶硅电池组件是一种制作过程不需要高纯度硅材料的新型太阳能电池组件。
由于原材料不受限制，价格低廉，非晶硅电池迅速占领市场。
非晶硅电池的基本结构为p-i-n型（单结），主要用PECVD工艺沉积在具有SnO2（F）的导电玻璃而制成。
为了增强非晶硅电池组件的长期稳定性，发展出了双结（p-i-n/p-i-n）和三结（p-i-n/p-i-n/p-i-n）的非晶硅电池组件。
非晶硅电池的最大特点是材料厚度在微米级。
制作过程采用化学气相沉积，原材料为硅烷。
非晶硅太阳能电池光谱响应的峰值与太阳光谱的峰值很接近。
由于非晶硅材料的本证吸收系数很大，1微米厚度就能充分吸收太阳光，厚度不足晶体硅的1/100，可明显节省昂贵的半导体材料。
同时，通过一定的工艺，非晶硅薄膜电池组件可以制作成半透明的产品，在建筑应用中独具优势。
非晶硅电池组件半透明非晶硅电池组件
上面主要介绍了晶体硅电池组件和非晶硅电池组件的类型以及特性。
下面就两者的生产制作进行介绍。
晶体硅太阳能电池组件依赖于高纯度硅材料。
硅材料来源于优质石英砂，也称硅砂，主要成分是高纯的氧化硅，含量可达99%以上。
将石英砂放在电炉中，用碳还原的方法可以熔炼得到工业硅。
SiO2+2C=Si+CO
较好的工业硅，是纯度为98~99%的多晶硅，与氢气或氯化氢反应，可得到三氯氢硅（SiHCl3）或四氯化硅（SiCl4）。
经过精馏，使三氯氢硅或四氯化硅的纯度提高，然后通过还原剂（如氢气）还原为元素硅。
在还原过程中，沉积的微小硅粒形成很多晶核，并且不断增多长大，最后长成棒状或块状多晶体，即我们常说的多晶硅材料。
硅砂→硅铁（冶金硅）→三氯氢硅（或四氯化硅）→精馏除杂→多晶硅
目前工业上一般使用直拉法和区熔法两种来制备单晶硅。
直拉法又称切克劳斯基法（CZ），将多晶硅材料装入单晶炉，于真空或惰性气氛下加热使之熔化，并将籽晶引向熔融的硅液，然后一边旋转，一边提拉，熔融的硅就在同一方向定向凝固，得到单晶硅棒。
该方法使单晶硅制造的主要技术，也是太阳电池用单晶硅的主要制备方法。
区溶法（FZ）是将多晶硅棒和籽晶一起竖直固定在区溶炉上下轴间，以高频感应等方法加热，导致硅棒局部熔化，出现浮区。
及时缓慢移动高频线圈，同时旋转硅棒，使熔化的硅重新结晶，利用硅中杂质的分凝现象，提高了硅的纯度，克得到高纯度的单晶硅棒。
该方法制得的单晶硅纯度很高，电学性能均匀，但直径较小，机械加工性较差，一般用于某些需要高转换效率的情况。
对于制备完成的单晶硅棒通常要经过滚圆，再通过切片机切成厚度为0.1～0.3mm的硅片。
切片后硅片表面有机械损伤层，近表面晶体的晶格不完整，而且硅片表面有金属离子等杂质污染，因此经化学腐蚀除去这些污染物。
为提高太阳电池性能，通常要在硅表面制作绒面，使得入射光在表面进行多次反射和折射，增加光的吸收率。
在基体材料上生长不同导电类型的扩散层，形成pn结。
工业生产中普遍采用的是热扩散法。
在扩散过程中，硅片的背面也形成了pn结，需要除掉，常用方法有化学腐蚀法、磨片法、蒸铝或丝网印刷铝浆烧结法等。
单晶硅电池是首先制备材料，然后对材料进行加工，形成电池，而制作非晶硅薄膜电池时，材料的制备过程本身就是电池的形成过程。
在廉价的玻璃衬底（含前电极）上，沉积非晶硅薄膜，再镀上背电极，制作过程就完成了。
主要过程如下：
在玻璃衬底上沉积TCO薄膜，作为电池的前电极。
目前常用的TCO薄膜有SnO2薄膜、ZnO薄膜等。
SnO2薄膜可以在浮法玻璃生产线上实现在线生产，ZnO薄膜一般采用磁控溅射方法沉积。
在TCO上面沉积非晶硅薄膜，用的是PECVD方法。
连续沉积不同成分的非晶硅薄膜，即可形成pin结，具有发电功能。
在非晶硅膜层上面沉积背电极，如铝、银等，通常也是采用磁控溅射法。
激光刻槽，为克服薄膜电池的大面积效应，通过激光刻槽将大面积的电池化整为零，在平面内实现串联结构，制成集成式电池。
电池封装。
用焊接技术将背电极与金属箔（如铝带或镍带等）连接起来，作为与接线盒连接的引线，然后通过EVA或PVB等材料与盖板玻璃层压合片，即得到完整的电池组件。
（实际上晶体硅电池组件的制作也需要类似的封装工艺，而不仅仅是上述的电池制作过程）
二、太阳能发电系统的分类
单独的太阳能电池组件并不能形成发电系统。
其在阳光下照射产生的直流电也不能直接应用，必须组成太阳能发电系统才能使用。
常见的太阳能发电系统有以下几种：
1、并网太阳能发电系统一般由太阳能电池组件、直流汇线设备、并网逆变器、交流配电设备等组成。
太阳能电池组件发出的直流电接入并网逆变器，将直流电转换为与当地电网的电压和频率以及相位完全相同的单向或者三相电能接入电网。
白天，太阳能电池组件发电经逆变器送入电网；夜间，逆变器停机与电网切离。
并网光伏发电系统不需要蓄电池做储能设备、几乎不需要维护、结构简单等一系列有点使其成为当前最为成熟、应用最多的太阳能发电系统。
在有绿色能源补贴政策的国家，通常并网光伏发电系统被用来向电网输送电力以获取高额电价收益。
2、离网太阳能发电系统一般由太阳能电池组件、直流汇线设备、光伏控制器、离网逆变器、蓄电池等设备组成。
太阳能电池组件的直流电接入光伏控制器，光伏控制器接到蓄电池，蓄电池储能。
离网逆变器连接到控制器（或者蓄电池）的输出端，将直流电转换为交流电为交流用电器供电。
离网太阳能发电系统主要满足无电或离电网较远无法输电地区的用电需求。
3、带有离网双向逆变器的太阳能发电系统一般由太阳能电池组件、直流汇线设备、逆变
器、离网双向逆变器、蓄电池等设备组成。
太阳能电池组件发出的直流电接入逆变器，将直流电转换为与当地电网的电压和频率以及相位完全相同的单向或者三相电能接入电网。
同时离网双向逆变器在太阳能发电系统中接蓄电池，当光伏组件发电时，它给蓄电池充电，蓄电池充满电后，自动切换停止充电；当阴雨天气时，它可直接通过电网给蓄电池充电，以保证蓄电池处于充满电状态。
当公共电网断开时，能够在约20毫秒内将系统自动切换到独立供电系统状态。
离网双向逆变器能够与新建电网和已建光伏电网兼容运行，但不会对系统效率造成任何影响。
三、影响太阳能电池组件性能的因素
太阳能电池组件的性能受到工作环境的多种因素包括光照强度、环境温度、粒子辐射等影响。
下面就光谱特性等进行分析。
光谱特性
太阳能辐射量是光伏发电系统设计中最重要的数据，主要包括如下物理量：
①辐射通量-单位时间内一辐射方式发送、传递或者接受的能量。
计量单位为W。
②辐照度—单位面积上的辐射通量，计量单位为W/m²。
地球接收到的太阳辐射可分为：
直接辐射和散射辐射。
太阳辐射通过大气，一部分到达地面，成为直接太阳辐射；另一部分为大气的分子、大气中的微尘、水汽等吸收、散射和反射。
被散射的太阳辐射一部分返回宇宙空间，另一部分到达地面，到达地面的这部分成为散射太阳辐射。
到达地面的散射太阳辐射和直接太阳辐射之和成为总辐射。
太阳能辐射是以电磁波形式进行传播的。
按照波长分布的特征，太阳能辐射可分为无线电波、红外线、可见光、紫外线、射线等几个波谱区。
其中可见光区又可以细分为赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色光。
各种辐射的波长范围
在太阳辐射的各个波谱区，承载了不同的能量。
虽然太阳辐射的波长范围很宽，但绝大部分能量却集中在0.22-1μm的波段，占总能量的99%，其中可见光波段占43%，红外光波段占48.3%，紫外光波段占8.7%。
太阳能光谱分布图
各种类型的太阳能电池组件对于光谱的吸收特性并不是完全一致的。
晶体硅电池组件和非晶硅电池组件在可见光和红外光的吸收特性方面差别较大。
抗遮挡性能
在建设太阳能光伏建筑一体化发电系统时，往往采用依赖或依附于建筑的安装方式，如下图：
光伏电站效果图
由于太阳直射点在南回归线和北回归线之间按照年为单位来回有规律运动。
当早上或下午太阳高度角低时，阴影长度较长，太阳能电池组件就可能受到旁边建筑物或电池组件较大面积的遮挡。
毫无疑问，在早上更早的时间或者下午更晚的时间遮挡的面积会更大。
而这些受到遮挡的电池组件的发电能力将会受到不同程度的影响。
特别是在冬季，太阳高度角较低，阴影长度较长，这种遮挡现象更加明显。
孤岛效应：
太阳能发电系统与市电系统并联供电时，当市电发生故障系统未能及时检知并切离市电系统，而产生独立供电现象。
一旦发生孤岛运转现象时，会造成人员受伤与设备之损坏，故系统设计须具备该效应侦测保护功能。
四、全国日照辐射概况
我国地处北半球，土地辽阔，幅员广大，国土总面积达960万平方公里。
南从北纬4°的曾母暗沙，北到北纬52.5°的漠河，西自东经73°的帕米耳高原，东至东经135°的黑龙江与乌苏里江汇流处，距离都在5000公里以上。
在我国广阔富饶的土地上，有着丰富的太阳能资源。
我国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年17000亿吨标准煤，全国各地的年太阳辐射总量为928～2333kWh/m2，中值为1626kWh/m2。
根据各地接受太阳总辐射量的多少，可将全国划分为五类地区。
一类地区为我国太阳能资源最丰富的地区，年太阳辐射总量1855.7～2333.5kWh/m2，相当于日辐射量5.1～6.4kWh/m2。
这些地区包括宁夏北部、甘肃北部、新疆东部、青海西部和西藏西部等地。
尤以西藏西部最为丰富，最高达2333kWh/m2（日辐射量6.4kWh/m2）。
二类地区为我国太阳能资源较丰富地区，年太阳辐射总量为1625～1855.7kWh/m2，相当于日辐射量4.5～5.1kWh/m2。
这些地区包括河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地。
三类地区为我国太阳能资源中等类型地区，年太阳辐射总量为1389～1625kWh/m2，相当于日辐射量3.8～4.5kWh/m2。
主要包括山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、苏北、皖北、台湾西南部等地。
四类地区是我国太阳能资源较差地区，年太阳辐射总量1167～1389kWh/m2，相当于日辐射量3.2～3.8kWh/m2。
这些地区包括湖南、湖北、广西、江西、浙江、福建北部、广东北部、陕南、苏北、皖南以及黑龙江、台湾东北部等地。
五类地区主要包括四川、贵州两省，是我国太阳能资源最少的地区，年太阳辐射总量931～1167kWh/m2，相当于日辐射量只有2.5～3.2kWh/m2。
各地区资源分类见表一如下：
表一全国各地区太阳能资源分类
类型
地区
日辐射量
kwh/M2.年
年辐射总量kwh/M2.年
1
宁夏北部、甘肃北部、新疆东部、青海西部和西藏西部等地
5.1-6.4
1855.7-2333.5
2
河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地
4.5-5.1
1625～1855.7
3
山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、苏北、皖北、台湾西南部等地
3.8-4.5
1389～1625
4
湖南、湖北、广西、江西、浙江、福建北部、广东北部、陕南、苏北、皖南以及黑龙江、台湾东北部等地
3.2-3.8
1167～1389
5
四川、贵州两省
2.5-3.2
931～1167
新疆属太阳能资源丰富地区。
五、方案概述
根据该地区建筑屋顶情况，我们采用多晶硅光伏组件进行方案分析如下：
1、总投资
该项目总装机功率为10MW，预计光电总投资为85000000元（单价在8.5元/W左右，具体价格依实际情况而定）。
项目使用材料表如下：
表二项目方案主要设备材料表
序号
材料名称
品牌
1
多晶硅电池组件
上海晶澳
2
逆变器
许继集团
3
交/直流电缆
国产优质
4
交/直流配电柜
国产优质
5
直流集线箱
国产优质
6
龙骨
国产优质
7
土建
国产优质
8
辅助材料
国产优质
2、费效比与经济分析
（1）建筑围护体系
围护结构节能设计应主要围绕外墙、屋面、门窗的保温隔热设计以及外窗的遮阳设计等展开。
在各项围护结构设计方面采用多种不同的技术措施，以起到节能技术集成和示范的作用。
本项目是采用光伏组件安装在建筑屋顶，建成光伏屋顶，具有以下节能效果：
、隔热保温
建筑的屋顶在整个外表面所占的比例较大，因此屋面的保温对于提高建筑整体的节能率也有非常重要的作用。
光伏组件是一种具有入射光线减反射作用的新型高科技玻璃组合，屋面安装光伏系统后能起到降低光污染的作用。
同时也增加了对阳光的吸收，提高了太阳能光电模块的作用，减少温室效应；光伏组件还可以减少室外热量的渗入，也可以减少室内能量的向外辐射和传导量，减少夏季冷气的供应和冬天暖气的补充，不但起到节能的作用，还能产生大量的能量。
、隔音效果
光伏组件是一种采用EVA胶片把太阳能光电模块胶合在中间的建筑用玻璃产品，EVA胶片的应用有效地降低了室外的噪音量，可以降低约30dB。
同时光伏组件自身在运行、产生电能的过程中不产生任何噪音，是一种安静的能量发生器。
、结构牢固
光伏组件是一种夹胶玻璃，它不但具有利用光能产生电能的作用，同时兼具夹胶玻璃破碎后不飞溅的优点，是一种安全的建筑用玻璃产品，同时可以承受最大风速为150km/h，可经受-40℃至+85℃的温度变化。
、外观装饰效果
光伏组件具有美化建筑的效果。
在不同的位置可采用不用的安装方式。
例如，可以用光伏组件代替建筑材料做成玻璃幕墙或玻璃天棚，组件将与蓝天白云遥相呼应；也可以将光伏组件和普通建筑材料相结合，组成各种几何图案效果。
这些都是绿色环保能源和美的结合，一定会给人以美的享受。
（2）费效比
项目总光电面积为200000平方米，装机功率为10MW，预计年发电量为12900000KWH，系统使用寿命是25年,25年发电量为322500000万KWH。
25年费效比=85000000÷25÷12900000=0.264元/KWH
（3）经济及节能减排分析
本项目完成后，所发的电可以直接并入用户侧电网，供系统使用。
每年发电1290万KWH，可减排二氧化碳12861.549吨，减排二氧化硫516吨，减排氮氧化物30.544吨，节能减排效果明显。
本项目总投资8500万元，该资金由项目业主单位自筹解决，并以电费收益形式回收。
项目建成后，年发电量为1290万KWH。
根据国家平均电价和国家电价补贴价格，电费价格为1.5元/KWH，项目业主单位每年电费收入为1.5*12900000=19350000元。
则20年的总收入为19350000*20－85000000=302000000元。
3、投资回收期分析
投资回收期为85000000÷19350000=4.39年。
4、监控系统
监控系统可对太阳能光伏电站里的电池阵列、汇流箱、逆变器、交直流配电柜、太阳跟踪控制系统等设备进行实时监控和控制，通过各种样式的图表及数据快速掌握电站的运行情况，其友好的用户界面、强大的分析功能、完善的故障报警确保了太阳能光伏发电系统的完全可靠和稳定运行。
该项目可安装室外监控显示屏，便于整个系统的监控和控制。
如下图所示：
六、总结
本项目是充分利新疆当地丰富的太阳能资源来进行光伏发电，项目建成后每年的发电量可达到1290万千瓦时。
减少环境污染的同时还节约了煤炭等不可再生能源的发电支出，在屋顶上安装电池板构件充当屋顶遮阳构件,在发电的同时还增加了建筑物遮阳隔热效果,减少了空调负荷,进一步降低建筑物运行能耗,既发电又节能，一举多得,此种模式可以在全国大范围推广应用，对我国的建筑物节能减排工作有深远的示范意义。
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