硅薄膜光伏发电新浪潮

硅薄膜光伏发电新浪潮 - （ 1）正确认识硅薄膜太阳能电池2010 年 9 月 28 日 | 分类 : 默认分类 | 引用 :0 | 浏览 :286 在人类探索新能源的过程中，太阳能是唯一可支持人类未来生存和发展的能源。由经济和技术发展的角度看， 综合发电成本是决定技术和市场走向的重要因素。 硅薄膜太阳能电池因可提供最低的每千瓦系统成本， 将因其成本优势和技术特点成为未来世界光伏的主流。 与此同时， 硅薄膜太阳电池由于产业链短、制造成本低，制造能耗低、制造过程无污染， 且效率进一步提升潜力巨大而被业界公认为是第二代光伏电池， 市场预测增长空间巨大， 在全球掀起一股投资热潮。 然而，在硅薄膜光伏发电应用的过程中，市场上存在对硅薄膜太阳电池的四种误解，包括： 1. 衰减大不耐用， 2. 转换效率低占地大， 3. 转换效率低发电少， 4. 科技新不成熟。这些误解是因为：－对电池效率衰减问题认识不清、－对转换效率与发电量的关系认识不清、－对转换效率及电站安装量认识不清、－对硅薄膜光伏发电长期可靠性认识不清造成的这些误解以及人们对硅薄膜的优点认识不足， 较大地影响着硅薄膜光伏发电的应用推广。 本着一种尊重科学， 实事求是的态度， 我们有必要对这些问题进行阐述， 并简析硅薄膜光伏发电的经济结构。一、电池衰减和耐用性无关 ,也不影响经济收益市场上有些人认为硅薄膜的衰减会使电池不耐用 , 同时使电站的实际收益和设计收益产生差距 ,这是错误的思想。 对于硅薄膜光伏而言，衰减分为两种，一种是产品使用初期的光致衰减，一种是和晶硅一样在 25 年使用寿命中的正常衰减。光致衰减光致衰减是因为非晶硅薄膜中存在不稳定的 Si-H 键， 在光照情况下断裂形成 Si- 悬挂键， 导致光生电子电洞对在此处复合， 从而降低了输出功率。 光致衰减只存在于硅薄膜产品使用的初期，在经历 600-1000 小时光照之后电池效率将趋于稳定。在硅薄膜光伏业界，光致衰减的程度大致在 15~20% 范围，主要取决于电池内部器件结构设计及工艺过程。比如，初始效率为 9%的非晶硅薄膜电池，在经历 600-1000 小时光照之后，其效率经由光致衰减至 9%× （ 1-15% ）=7.65% ，之后效率将趋于平稳。在产品市场，非晶硅是按照稳定后的功率去交易，所以对于终端用户而言， 买得的产品在初期会得到额外的一些发电量， 终端用户并不会为光致衰减导致的功率损失埋单，换句话说，在上例中，产品交易是按照 7.65% 来计算功率而并非 9%。随着技术的进步及工艺改进，光致衰减的程度将会越来越小，这也是提升非晶硅转换效率的有效手段之一。由于电站收益的都是用衰减完的稳定效率来计算 , 所以光致衰减并不影响电站的收益。 反过来说，在光致衰减过程中生产的额外电力反而为电站收益带来正面的影响。正常衰减在光伏产品 25 年使用寿命中，由于封装材料及封装工艺的局限性，光伏电池内部结构将受到外部环境的一定影响， 导致其输出功率存在一定的衰减。 这样的现象同时存在于市面上的所有光伏电池，单晶硅、多晶硅及其它薄膜电池都存在正常衰减。衰减的范围大致是： 10 年 10% ，25 年 20% 。比如，初始效率为 9%的非晶硅薄膜电池， 10 年之后的效率大致为： [9% ×（ 1-15% ） ] × (1-10%)=6.885%, 25 年之后的效率大致为： [9%× （ 1-15% ） ] × (1-20%)=6.12%, 不难看出，在其使用寿命之后，光伏电池并非不发电，而只是功率较之安装初期低， 这个寿命只是光伏厂家对于其产品功率输出特性的一个保证，并非其 “ 寿终正寝 ” 。随着封装材料及封装工艺的不断改进，光伏产品的使用寿命将会进一步延长。二、转换效率低不等于需要较大的电站面积按照正常的逻辑，电池的转换效率越低，同等发电量所需的面积就越大。换句话说，百分之七点五转效的产品和百分之十五转效的产品相比面积要大一倍才可发等量的电力， 故此， 一般人认为较低转换效率的电池会需要较大的电站面积 ,令电站的土地成本上升 ,从而得出结论硅薄膜光伏电池不适合高土地成本的地区 , 这个看上去十分合理的论点是不正确的。 提出这种观点的人是建立在技术特点相同的同类电池这个逻辑上， 对于技术特点不同的电池， 这个逻辑便应用不上。 我们都知道， 晶硅电池对太阳的日照射角度和阴影较敏感。 所以在电站设计上要把电池板一排一排的拉开成阵列去防止前一排电池的阴影投射到下一排电池上面， 同时还要根据不同的纬度去设倾斜的角度，例如在内蒙古地区，电池板的水平角度便要达到 39 度。故此，纬度越高的地区， 电池的阵列便要分得越开去防止前排电池的阴影投射到下一排电池上。 因此， 在中纬度地区 , 一片土地上只有约一半的面积可用作安装晶硅电池板， 另一半用作避阴影。 在高纬度地区 , 情况更差 . 然而，硅薄膜电池因其技术的特点对阴影和日照角度不敏感，故此，安装的方法也不同，由实践和计算证明，硅薄膜电池的安装角度在 2 － 10 度己可满足要求，产生相当于最佳角度的发电量 , 这就使土地可装电池的数量大增， 几乎可将整片土地密密麻麻地铺上电池， 只需留下维护走道即可。故此， 转换效率在 7.5 ％的电池在中高纬度的地区已可达到晶硅电池的安装量， 转换效率在10 ％的电池则可超越晶硅电池的安装量 . 再加上实践证明每瓦发电量在不同的地区可比晶硅多10 － 25 ％，故此，硅薄膜的转换效率虽然比晶硅低，但每公倾土地的发电量却是差不多的。故此，硅薄膜的转换效率虽然比晶硅低，但相同土地面积的电站发电量却不比晶硅低。三、转换效率低不等于发电量低光伏电池转换效率是在标准测试状况下【特定温度（ 25 ℃ ）、特定光照强度（ 1000 瓦 / 平方米）】光伏电池将光能转换为电能的物理表征量。然而在外界使用环境中，温度、光强等条件往往与标准测试状况不符， 加之以下原因使得同等功率的硅薄膜太阳电池比晶硅电池具有更多的电力输出： 1 ）硅薄膜电池温度系数低，更适合在高温环境下工作；在温度较高的时候，硅薄膜能维持较高比例的功率输出， 而晶硅输出功率则急剧下跌。 然而， 光伏组件工作的环境却往往温度较高；2 ）相同的光遮挡情况下，硅薄膜电池功率损失相对晶硅电池功率损失小；3 ）硅薄膜电池对弱光、散射光吸收能力较晶硅电池强，因此在早晨、傍晚、阴天等阳光不充足时也能发电， 而晶硅电池则不能。 同样的原因也导致硅薄膜太阳电池安装使用的角度选择范围大，适合于非南立面屋顶及光伏建筑一体化 BIPV 使用；因此，硅薄膜电池虽然标准测试状况下转换效率较晶硅电池低，但在使用过程中，在同样的安装情况下，单位装机容量的年发电量 （千瓦时 / 千瓦） 比晶硅电池高出 10~15%, 除了我们内部的实验外证明非晶硅比晶硅发电多 10% 之外 , 国外案例也有高 25% 以上的。所以，转换效率 ≠发电量。资料来源： Kaneka四、硅薄膜是成熟可靠的科技全球第一块硅薄膜太阳能电池于 1975 年面世。经过了 35 年的发展，单节电池的的稳定效率已达到 7.5 ％以上，而叠层电池更可达到 10 ％，三节电池更达到 13-15% 。而于 1984 年建成的位于美国 Sacramento, California 的硅薄膜太阳能电池发电站，也已有 26 年的历史，并仍运作正常。 这充份说明硅薄膜电池技术是成熟可靠的科技。 而且硅薄膜光伏组件与晶硅光伏组件一样， 在进入市场前都必须达到 IEC 标准要求， 该标准中有一测试项目就是对光伏组件进行加速老化实验，考验其长期稳定性。然而，由于硅薄膜电池的生产依靠复杂和昴贵的装备，投资巨大。故此过去的发展一直受到制约。随着装备技术的突破和进步，设备产能不断提升， 价格不断下降， 终于于近年走到可产业化的交叉点，因此，跨国企业如三菱重工，夏普，杜邦， LG ， Kaneka 等都先后进入或计划进入硅薄膜光伏电池的行业。此外，产品的光致衰减也由过去的 25 － 30 ％下降到现在的约 15 －20 ％。今天，我们已清楚地看到硅薄膜光伏电池是成熟的科技成果，制造成本不断下降，在突破了装备瓶颈后将成为未来世界新能源的重要生力军。下表中列出了一些硅薄膜光伏电站的实际使用案例，其中 1984 年建成的位于美国Sacramento, California 的硅薄膜太阳能电池发电站，也已有 26 年的历史； PVUSA 及 Hedge Facility 电站也已经分别稳定运行了超过 18 年和 15 年时间。这些案例为硅薄膜光伏电站的长期可靠性提供了有力的历史证据。安装案例 安装年份 安装量Sacramento, California(USA) 1984 1MWPVUSA - Davis, CA(USA) 1992 290 KWHedge PV2 (KaSip, APS) 1994 108 KWCADA (KaSip, APS) 1995 4 KWWAPA Folsom (KaSip, APS) 1995 2 KWEffie Yeaw Nature Center (BP MST) 1998 7 KWRoseville Aquatic Center (KaSip) 1998 6 KWLodi Solarport (KaSip) 1998 3 KWCitrus Heights United Methodist (BP MST) 1999 10 KWFamily Bargin Center (BP MST) 1999 12 KWFolsom Water Education Center (BP MST) 1999 6 KWIBEW (BP MST) 1999 4 KWOrangevale Community Center (KaSip) 1999 10 KWSafetyville (KaSip) 1999 1 KWSave Max (BP MST) 1999 16 KWSPCA (BP MST) 1999 16 KWCalExpo Solarport (KaSip) 1999 250 KWLamn Furniture Solarport (KaSip) 1999 30 KWEast End Solarport #1 (KaSip) 1999 21 KWDel Paso Church of God (BP MST) 2000 20 KWFirst Baptist Church, Watt Ave (BP MST) 2000 20 KWNew Testament Baptist Church (BP MST) 2000 20 KWEast End BIPV Curtainwall (KaSip) 2000 8 KWCalSolar PV Wall (KaSip) 2000 8 KWCal EPV Roof (KaSip) 2001 30 KWCalExpo Barns (KaSip) 2001 390 KWCSUS Parking Lot (KaSip) 2001 6 KWRancho Seco PV5 (KaSip) 2002 700 KWEast End Solarport #2 (KaSip) 2002 41 KW4 East End Screen Curtainwalls (KaSip) 2002 110 KWArden Fair Mall Solarport (KaSip) 2002 30 KW52 Residential PVPII (KaSip) as of 6/02 104 KW33 Residential PVPII (MST 43 Total) as of 6/02 66 KWAlameda County Agricultural Fair -Pleasanton, CA(USA) 2003 968 KWGermany （ EPV ） 2004 112 KWWiedersbach PV Power Plant - Wiedersbach (Germany, Keneka)2005 1.5 MWGrobbardorf PV Power Plant - Grobbardorf (Germany) 2005 & 2007 1.8 MWFunfstetten PV Power Plant – Funfstetten (Germany, Keneka)2006 1.7 MWValadas PV Power Plant – Arelas (Portugal, EPV) 2007 5.5 MWGermany （ Kaneka ） 2007 2.3 MWGermany （ EPV ） 2008 2.0 MWGermany （ Kaneka ） 2005~2008 1.8 MWTotal > 15 MW资料来源：--《 Field Performance of Amorphous Silicon (a-Si) Laminate Photovoltaic Installations at SMUD and other Large Scale Deployments》， D.E. Osborn, Spectrum Energy Development Inc.， 2008.--AMAT总结：硅薄膜光伏原料丰富，发展可持续；产业链短、制造能耗低、制造过程无污染、原料无毒害，环境很友好； 效率进一步提升及成本进一步下降潜力巨大； 是国外发展可再生能源， 发展低碳经济的重要方向。我们应当抓住机遇，在对硅薄膜光伏发电深入、 充分认识基础之上， 迎头赶上全球硅薄膜光伏发电的新浪潮。硅薄膜光伏发电新浪潮 - （ 2）硅薄膜电池尺寸与成本 / 市场之关系2010 年 10 月 18 日 | 分类 : 默认分类 | 引用 :0 | 浏览 :109 光伏发电取代石化能源的速度决定于综合发电成本，而综合发电成本又由系统的初装和维护成本决定， 并由整个价值链条的每一个细节决定。 或许大家没有想过， 电池板尺寸可以对电池的生产成本和电站的综合安装成本产生很大的影响， 并最后导致电池每瓦卖价和发电成本的不同。请大家想一想，为什么国外先进的硅薄膜电池生产商和装备商大都采用G5(1100x1300) 或 G5.5(1100x1400) 的尺寸规格而不用尺寸更小和设备更简易的 635 x1245规格？为什么国际市场上 G5/G5.5 规格硅薄膜电池的每瓦售价要比小尺寸的 635x1245 的同类电池要高呢？电池尺寸的大小对未来的竞争和企业的生存又什么影响呢？让我们来深入探讨一下。市场上电池板的流行规格：目前市面上存在的硅薄膜电池玻璃基板尺寸大致有如下几种规格：（宽 *长）A.635mm*1245mm ；B.G5(1100mm*1300mm) ；C.G5.5(1100mm*1400mm) ；D.G8.5(2200mm*2600mm), 一般来说， 电池的面积越大， 设备和工艺的难度也越大。 宏威设备目前生产的 G5.5 电池，是日韩的主流规格。设备同时也可兼容 G5 和更小尺寸的电池制造。635mm*1245mm 尺寸的电池发展较早，多采用 90 年代从美国引入的设备技术。国内成立较早的硅薄膜电池生产企业大都采用这一规格， 并延用相关的技术。 电池板的功率大多在40 到 60 瓦之间，视生产制程而定。G5 和 G5.5 是近年发展起来的新规格，欧美日韩的主流厂商都采用这一规格。其中欧洲厂商采用 G5 规格，日本 /韩国和宏威则采用 G5.5 规格，电池板功率在 95 瓦到 145 瓦之间，视生产制程而定。而 G8.5 基本上不是一个流行的规格， 生产设备由 TFT LCD 的生产设备改造而来 , 由于生产制程成本太高不符合竞争要求， 采用相关设备的生产厂商大都面对困难， 目前该设备方案已停产。 由于玻璃的尺寸太大不符合目前市场的要求， 采用这个玻璃规格的生产商都会在生产完后，把大片电池一分为四的切为 G5 规格。不同尺寸电池的生产成本和安装成本都存有差异，直接影响产品的竞争力和企业的生存和发展。 在目前已知的市场和生产条件下， G5 和 G5.5 尺寸的电池最具备综合的成本优势和市场认受性，是未来的主流方向。G5/G5.5 综合发电成本低和市场认受性高的原因1.G5.5 电池的每瓦生产成低决定电池成本的因素包括原材料的每瓦单耗，转换效率，死区面积等。薄膜电池在生产过程中需要清除边缘地区大约 10－ 15 毫米的薄膜用作防潮隔离带。换句话说，这些地方虽然经过了同样的生产流程， 消耗了单位元面积下同等的生产原料， 但最后却不发电， 这可简单理解为每一片电池的无功区或清边死区。 由于隔潮带的宽度固定， 清边死区的面积占电池板面积的比例会随电池面积的增加而减少。 故此， 在相同的制程下， 较大面积的电池的清边死区比例应该是较低的。 换句话说， 大面积电池的无功区的成本摊派比例会较低。 从生产的实际观察， 这种对应关系在 G5.5 达到最低点， 这是由于 G8.5 玻璃比较少不流行， 因此比较贵，所以这种对应关系在 G5.5 尺寸电池达到最低成本点。TCO 玻璃在硅薄膜电池模块成本中占比例较大，而目前无论是在线镀膜或者离线镀膜制造的 TCO 玻璃中， G5 或者 G5.5 的 TCO 玻璃供货商最多， 且成本较低。 一方面是由于浮法玻璃原片尺寸裁切为 G5 或者 G5.5 尺寸时原片玻璃浪费最少，上游浮法玻璃匹配性佳；另一方面是在物流环节上 G5 或者 G5.5 玻璃尺寸最适宜装箱，节省物流空间，降低物流成本；再一方面， G5 或者 G5.5 玻璃 TCO 镀膜均匀性较 G8.5 容易满足。因此 G5、 G5.5 的硅薄膜电池生产厂家在 TCO 玻璃供货商选择上余地较大，受制较小。如果硅薄膜电池采用双玻封装，那么背板玻璃的供应上也存在如 TCO 玻璃一样的供应选择。此外，每片电池板都需要接一个线盒，而一个配合本章所述不同大小电池的接线盒的制造成本几乎是一样的，所以，摊分到 G5.5 的大板的每瓦成本就要比 1265X635 的低。除此之外，电鑬，铝框，支架和包装材料也存在类似的摊分关系，所以，理论上说在相同的制程和转换效率下，尺寸越大的电池的每瓦制造成本越低。然而，我们发现这个关系在 G5.5 尺寸达到最优化，原因是因为 G8.5 不流行，各种的相关材料的成本比较高。在实践中和调研中，我们发现 1245x635 同类电池的制造成本较 G5.5 高出的比例超过了上述理由差值，这是因为目前 1245x635 的生产设备和制程较为落后，使电池的转换效率偏低造成，相信相关厂商可很快解决。2.G5.5 电池的每瓦的物流成本低从事过玻璃加工业的人都知道， 物流成本是一个占成本比例相当大的环节。 G5 或者 G5.5代玻璃在物流环节最适宜集装箱装运， 对集装箱空间利用最佳， 从而降低物流成本。 这对制成成品的硅薄膜模块而言，也是如此。简单计算便可知晓：对于 635mm*1245mm 的硅薄膜模块， 40 英尺货柜可以装 48 小箱，每小箱可装 34 片，共计 48*34*40=65280 瓦 /集装箱；而对于 5 代或者 5.5 代的硅薄膜模块， 40 英尺货柜可以装 32 小箱，每小箱可装 28 或者 26片，共计： 32*28*95=85120 瓦 /集装箱（ 5 代）， 32*26*105=87360 瓦 /集装箱（ 5.5 代）。而8.5 代硅薄膜模块由于尺寸太大，因而集装箱运输空间浪费较大。3． G5.5 电池的每瓦安装成本低在电站建设过程中，安装电池到支架上是一个手工作业的过程，而安装一般由两个工人协作进行， 这种安装方式不但具有效率同时也安全。 故此， 充分利用人体的机械承受能力去合理设计负载以便在效率及安全上取得平衡是十分重要的。 G5.5 代以下的电池重量最大不超过三十公斤， 利用简单工具可实现双人甚至单人安装， 而安装方式基本一样。 也就是说在相同的安装用工量下， 可安装一片小尺寸或一片大尺寸的 G5.5 电池。 由于 G5.5 电池的功率比小尺寸电池的功率大， 所以摊分到每瓦电池安装上的用工量就相对较低。 可是当电池的尺寸再大时， 其重量就会超出人体作业的极限， 需要用机械作业，造成成本的上升， 或许这解释了为何在主流市场看不到更大尺寸电池的原因。 为了补偿劳动成本和支架成本的差异， 同类电池的 1245x635 板的每瓦售价要比 G5.5 的低大约 0.2 美元。4．在设备设计上造成的成本差异635*1245 规格的设备主要源于最初硅薄膜电池先行者 90 年代的设备， 该系列设备单腔室多片沉积 P-i-N ，导致存在膜层交叉污染，产品效率较低：单结非晶硅为 5%左右，双结非晶硅为 6%左右。同时设备内部结构设计导致气体利用率不高，镀膜均匀性控制不佳，批次间各片功率分布较大， 最终使得产品竞争力降低。 但由于该系列设备当时主要针对应用产品市场，而不是针对光伏电站产品市场，所以得以延续的空间。如今，瑞士、日本、包括中国宏威的设备已经打破了设备设计上的局限，在 G5 或者 G5.5 代玻璃尺寸上已经取得了单结非晶硅转效超 7%的产品，而且支持迭层或者多结硅薄膜电池的制造工艺，进一步提升产品转率至 10%以上。转率的提升进而使得电站成本降低。总结：过去几年，我看到多家海内外做 G8.5 的电池厂停产，同时做 1245x635 的国内外企业也因为各种因素面对重组，当然也有成功上市的，但 G5.5／ G5 的电池厂在扩产，这说明电池尺寸对市场和成本的影响非常大。随着 G5.5 电池的普及和在成本的推动下，我相信 G5.5将会成为明日硅薄膜电池市场的领跑者。结合生产成本，物流成本和安装成本等因素去综合考虑， G5.5 是硅薄膜电池中最具备成本优势的尺寸，同时也是市场最接受的产品。宏威的 G5.5 硅薄膜电池生产线已经量产了一段时间，实践证明 G5.5 是投资的最佳选择。