1、 光伏组件的性能分析与数值模拟 专业：材料物理与化学 摘要 光伏组件是太阳电池与光伏系统的连接体与承载体，组件的质量及寿命直接 影响光伏系统的输出与寿命，组件的设计及制作工艺与太阳电池也有密切的联系。 同时光伏建筑一体化（ BIPV， building integrated with photovoltaic）是未来发展的 主流方向之一。本文主要通过研究各种光伏组件的性能及其影响因素提出光伏组 件的输出模型，并就目前已出现的各种改进工艺探讨了未来 BIPV 光伏组件的发展趋势。 第一章首先介绍了光伏行业的发展状况及各国政策，光伏行业的发展受到政策导向影响较大，日本核事故给人们敲响了警钟，加快以
2、太阳能为代表的新能源发展，欧日美市场再次迎来春天。随着光伏市场保有量的急速增长，如何降低成本，如何回收成为光伏市场必须面临的问题，准确的数值模拟为组件设计及工艺提供有力参考。 第二章主要为光伏组件的耐久性及其辅料研究，包括 23 年多晶硅电池组件及 20 年单晶硅电池组件，及 6 年 HIT 组件的 IV 性能。运行多年的晶体硅电池组件材料有明显老化， EVA（ Ethylene-Vinyl Acetate copolymer，乙烯 -醋酸乙烯共聚物）老化及老化带来的诸多不利因素对组件的电性能和安全性能影响很大，我们对多晶硅电池组件进行了详细的材料分析，并与当前工艺进行对比，提出了导致 EVA
3、 规律发黄的两种可能因素，希望能给以后工艺提供参考；此外，我们研究了灰尘 - I - 摘 要 对 HIT（ Heterojunction with Intrinsic Thin-layer）组件 I-V（电流 -电压）性能的影响，研究显示，在广州户外运行了 5 年的 HIT 组件，组件表面积灰对组件电流的 影响较大，在除去灰尘之后组件短路电流 Isc 的平均增益为 3.9%，最大功率点电流增益为 4.3%，功率增加 3.9%。 第三章和第四章主要研究中空式光伏组件的机构及运行时的传热机理，在广 州典型气候条件下，中空玻璃光伏组件在不同辐照和温度下的输出性能，截止 2011 年 4 月我们监测到
4、整个系统最高温度为 67 ，发生在组件电池背面中央处， 此时室内环境温度为 30 。同时讨论了 这种组件替代窗户的节能环保性能及经济 性，并针对目前存在的问题总结了引起中空玻璃光伏组件玻璃自爆的可能原因。 长久以来中空式光伏组件在我国并未得到大规模使用，主要原因是成本高和缺乏 认知，第四章最后就 BIPV 光伏组件的发展趋势给出了一些观点。 数值模拟对组件设计及寿命预测是非常重要的，第五章我们试图通过建立光 伏组件的输出模型，并结合本文使用的中空双玻璃光伏组件，提出适用于 BIPV 光伏组件的输出模型，希望能对后续光伏建筑一体化工作提供参考，针对不同地 区不同环境设计不同的 BIPV 组件。讨
5、论了以 EVA 及 PVB（ Polyvinyl Butyral， 聚乙烯醇缩丁醛）为封装材料的常规组件在使用过程中已经暴露出的一些问题， 并总结了目前在生产和使用过程中已经有了改进的技术，包括如何提高组件发电 性能和安全性能，降低组件生产成本等。此外，我们联合企业研发替代 EVA 的封 装材料 硅胶，目前正在试验阶段。通过数值模拟可以对新的组件工艺设计提 供参考，本文提出的模型还有待完善和验证。 最后为全文总结，就本文工作中的不足之处及后续实验进行阐述。 关键词 ：光伏建筑一体化；旧组件；中空式光伏组件；传热性能；数值模拟 - II - 中山大学硕士学位论文 ABSTRACT Photovo
6、ltaic modules are the connecting and supporting bodies between solar cells and PV plants. Quantity and life of PV modules play an important role in PV systems indirectly. Design and processing of modules has confidential relations with solar cells. BIPV （ building integrated photovoltaic ） system is
7、 one of the mainstream development directions in the future. Performances of varieties of PV modules were studied, including factors which resulted in output degradation. Many improvements for modern BIPV modules and the development trend are also discussed in the paper. A review of development of P
8、V industry and national policies for PV is given in Chapter 1. As known, national policies have an important influence on the development of PV industry currently. Governments are alarmed by the nuclear accident in Japan, they begin to focus on green energy including solar energy, especially in Euro
9、pe countries, American, Japan and China. With the capacity of PV modules increases rapidly, we are now facing two problems: how to reduce cost and how to recycle. Performances and durabilities of weathered PV modules were studied in Chapter 2, including 23-year old poly silicon modules, 20-year old
10、mono silicon modules and 5-year old HIT modules. Degradations of module materials were obviously, which affect the performance of electricity and safety. There are two reasons that EVA became yellow regularly. Then IV characteristics of HIT were measured both with dust and without dust. Its found th
11、at dust mainly caused module current degradation. The power increased 3.9% when dust was removed on the surface of modules. In chapter 3 and chapter 4, heat-transfer mechanism, temperature distributions and electrical performances in Guangzhou of insulating PV modules were studied. Estimation of env
12、ironmental and economical value were given in this chapter. At last, many potential reasons of self-broken and their countermeasure were discussed in this paper. The highest temperature of our BIPV system was 67 in the middle of cells - III - ABSTRACT when the room temperature was 30 . Because of hi
13、gh-cost and ignorance, insulated PV modules cant be popularized. Finally, some points about BIPV development trend was given in this chapter. Numerical simulation in photovoltaics can be used as planning or as predicting tool. In chapter 5, we tried to build an output model of BIPV modules, for desi
14、gning varieties of BIPV modules according to different area, building and environment. Normal modules encapsulated by EVA or PVB were discussed. Many problems were included, degradation of materials, large losses from cells to modules, recycle, HVF/PID effects and durability. Then we summarized new
15、materials and processes improvement in technologies for PV modules. Besides, we did experiments on silicone which could replace EVA for their unique properties. By numerical simulation, designing for new module process could be realized easily, but there is a lot of work to do for the model in this
16、paper. Finally in summary, some shortages of this paper and advices for improvement in the future work were summarized. Key word: building integrated photovoltaic; weathered modules; insulated PV modules; heat transmission; numerical simulation - IV - 中山大学硕士学位论文 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 光伏产业的发展状况及趋势 . 2 1
17、.2 国内外光伏应用状况 . 5 1.3 光伏建筑一体化的研究与应用 . 11 1.4 论文研究目的及内容 . 13 第二章 户外组件的耐久性研究及评价 . 15 2.1 多晶硅组件的耐 久性及衰减研究 . 17 2.2 单晶硅组件的耐久性及衰减研究 . 21 2.3 多晶硅旧组件的辅料性能分析 . 23 2.4 灰尘对组件性能的影响 . 30 2.5 测试标准对组件性能评估的影响 . 33 2.6 本章小结 . 34 第三章 中空玻璃光伏组件 . 37 3.1 中空玻璃光伏组件的结构设计 . 37 3.2 中空玻 璃光伏组件的性能 . 41 3.3 阴影遮挡对中空玻璃光伏组件的影响 . 49
18、 3.4 本章小结 . 51 第四章 BIPV 系统的性能评价 . 52 4.1 独立系统中组件的发电性能 . 53 4.2 光伏建筑一体化（窗户）的环境及经济性评估 . 56 4.3 光伏建筑一体化的自爆问题及解决方案 . 60 4.4 光伏建筑一体化的发展趋势及建议 . 61 4.5 本章小结 . 64 第五章 光伏组件输出的数值模拟 . 65 - V - 目 录 5.1 常规组件制备工艺的特点 . 65 5.2 光伏组件的工艺改进 . 69 5.3 光伏组件输出的数值模拟 . 79 5.4 本章小结 . 86 总 结 . 87 参考文献 . 89 - VI - 中山大学硕士学位论文 第一
19、章 绪论 目前世界各国面临气候变暖和能源安全两大问题，同时人类对能源的需求也不 断增长。 IEA 国际能源署预测全球能源需求将持续增长，但增长步伐将比近几十 年放缓，化石燃料的份额将从 2008 年的 81%降至 2035 年的 74%，并指出要想实 现温室气体减排目标，经济合作与发展组织成员国必须在当前的基础上减少 70 80的碳排放，非经济合作与发展组织成员国则必须减排 30左右 1。如 果要兑现所有的承诺，需要各国政府加快新能源的发展及应用，打造新的能源格 局。其中，电力是能耗的主要形式之一，据预测电力在全球能量总消耗的份额从 2008 年的 17%将上升至 2035 年的 23%，世界
20、电力需求在 2008-2035 年间的年均复合增长率达 2.1%，中国发电容量的增加量及速度是全球最大的 2。 表 1-1 全球及中国电力需求总量（万亿瓦时） 电力需求总量 年均复合 增长率 1990 2008 2015 2020 2025 2030 2035 2008-2035 全球总量 11， 281 20， 183 24， 513 27， 733 30， 016 32， 696 35， 336 2.1% 中国 650 3， 495 5， 721 6， 949 7， 900 8， 776 9， 594 3.8% 中国占全 5.5% 17.3% 23.3% 25.4% 26.3% 26.8%
21、 27.2% 球百分比 （来源： IEA World Energy Outlook 2010-New Polices Scenario, SEMI） 在未来若干年里，全球发电技术将向低碳环保转变，出现多种能源共存的局面， 风能、核能、水电、生物质能及太阳能将协同减少对化石能源的依赖。太阳能光 伏发电技术是迄今为止最清洁和最可靠的发电技术，今年 3 月日本地震引发核事 故，全球范围内对于核电安全问题开始进行讨论，全球大部分国家将会重新审视 核电建设，发展会更加慎重。核电在世界范围内拱手让出巨大的电力 蛋糕 ，这 让光伏市场近期不断升温。 1 第一章 绪论 1.1 光伏产业的发展状况及趋势 1.1
22、.1 国内外光伏发展现状 2010 年初以来，全球太阳能光伏行业在金融危机中受到抑制的需求被重新激 发，全年新增光伏装机容量 18.2 GWp，与 2009 年 7.2 GWp 的增量相比增长率达 150%， 2010 年世界光伏电站装机容量的大幅增长非常直观地反映出了该行业的景 气度。光伏行业发展形势一片大好的情况下，我们也看到了光伏行业出现的一些 问题。 (1)贸易保护严重，中国制造受损 多国贸易保护正在损坏中国制造， 2010 年 9 月奥巴马政府首次启动 301 调查， 目标指向中国的新能源产品补贴政策。美国钢铁工人联合会按照 1974 年美国贸 易法案第 301 条款的规定，向美国贸
23、易代表办公室提交长达 5800 页的申请书， 称中国政府给予新能源企业高额补贴以提高其产品的价格优势，影响美国就业。 之后德国光伏企业 Conergy 与 SolarWorld 联合多家组件厂商 ,游说德国政府和欧盟 委员会对中国产光伏组件进行反倾销调查。德方表示 ,中国补贴政策实为倾销，生 产商没有国家支持则不可能盈利。目前中国企业正积极寻求国际合作伙伴，在美 国、印度等国建立工厂，劳动力本土化试图打入当地市场。 （ 2）多晶硅价格波动，生产规模不断扩大 2010 年全球多晶硅产量约为 10.2 万吨，需求为 11.7 万吨。多晶硅在过去几年 价格起伏较大，高者达 500 美元 /公斤， 0
24、9 年曾回落至 40 美元 /公斤， 2010 年随 着光伏行业的景气程度价格持续走高，达 90 美元 /公斤。中国许多光伏企业开始 选择扩产来应对这种局面，以缓解下游硅片生产企业迅猛增长的需求与中国本土 相对有限的多晶硅产能之间的矛盾。中国政府多个部门联合发布多晶硅行业准 入条件，制定行业准入条件，对新项目暂停审批，对现有企业构成利好，将有可 能半数企业出局。 2010 年是世界多晶硅行业的一轮黄金发展期，许多新兴的多晶 硅厂商逐渐成长起来，渐渐打破了世界多晶硅行业完全由传统七大巨头垄断的局面。综合看来，多晶硅在 2011 年受到多方面的影响，市场可能缩小，产能将持续扩大， 2011 年多晶
25、硅的价格将稳中有升。 - 2 - 中山大学硕士学位论文 表 1-2 2008-2010 年世界主要多晶硅生产企业产能变化趋势表（单位 :MWp） 企业 /年份 2008 2009 2010 Hemlock 19000 19000 34000 瓦克 15000 20000 30000 Memc 8000 10000 15000 Rec 3000 9500 13500 Tokuyam a 5200 8200 8200 Ocl 6500 17000 27000 保利协鑫 3000 18000 21000 赛维 LDK 1000 1000 11000 （数据来源：中投顾问整理） 全球约 50%产能集中
26、在中国，所以中国光伏电池和组件行业的发展情况基本 上能够完整的反映出该行业的总体发展情况。当前国内各大光伏电池和组件生产 企业都在扩充产能，无锡尚德、天威英利、河北晶澳等国内主要太阳电池和组件 生产企业的产能扩张速度都达到了 50%以上，需要特别指出的是前不久河北晶澳 取代无锡尚德成为全球最大太阳电池生产商，其产能扩张速度之快令人惊叹。 表 1-3 国内主要光伏电池片和组件生产企业的产能扩张一览表（ MWp） 年份 /企业 尚德 英利 晶澳 赛维 晶龙 天合 阿特斯 国内总产能 2010 2600 1900 1400 460 1600 1150 1050 14000 2011E 3400 22
27、00 1950 1900 1800 1300 1250 23000-32000 （数据来源：中投顾问） （ 3）新技术不断出现，企业纵向发展 太阳电池最为核心的两大技术指标就是电池片的厚度和光电转换效率。 2010 年电池片厚度已达 160 m ，多晶硅电池的平均光电转化效率处在 17% 17.5%区 间，其中无锡尚德 冥王星 系列电片的最高光电转换效率达到了 19.2%，英利 熊 - 3 - 第一章 绪论 猫 系列电池的光电转换效率也达到了 18.8%的水平，并且这些企业都具备了将这 些先进技术大面积用于商业化生产的能力，预计 2011 年国内主要光伏企业所产电 池的光电转换效率普遍会达到
28、18%以上。目前行业平均利润率下降，硅料采购价 格将在今后相当长的一段时间内保持稳中有升的趋势，而组件封装环节一直以来 都是光伏产业链上平均利润率最低的板块，企业普遍面临着越来越大的成本压力， 总的说来，当前太阳能光伏电池行业的议价能力较弱，已有一些公司通过垂直一 体化建设，打通上下游光伏业务链来增强综合竞争力和抗市场风险能力，其中天 威英利是垂直一体化建设得较成功的企业之一。 （ 4）政策对光伏产业影响较大。 2010 年欧洲国家纷纷下调对光伏安装系统的补贴或限制光伏系统安装量导致抢装潮，去年正是在德国市场强劲需求的带动下，包括中国大陆、日本、台湾地区等在内的几大光伏生产重地上半年出货量都创
29、新高。日本核事故使各国重审核电计划，光伏政策或向上修正。各国的补贴政策主要可以分为两类：一类是对安装光伏系统直接进行补贴，如日本；一类是对光伏发电的上网电价进行设定，该方法在德国、西班牙等国显示出巨大威力，刺激了光伏产业迅速发展。另外如美国加利福尼亚州将两种政策混合执行。但最终光伏产业的发展还是要靠自身成本下降。 近年来，我国在促进太 阳能产业发展的政策制定方面已经取得很大的进步，各方面的政策亦在不断完善中。太阳能光伏发电上网电价法也会在一两年内出台，随着各项实施细则的不断出台细化，相信中国太阳能产业会取得又好又快的发展。 1.1.2 我国光伏产业的发展趋势 2010 年全球太阳电池产量达到 20.5 GWp，其中中国大陆与台湾的电池厂商占 全球总电池产量 59%份额，在 2009 年 49%基础上增长 10%。但作为全球主要生产 国，我国生产的光伏产品有九成以上都会出口到欧美国家，原材料与应用市场两 头在外，光伏产业在国内的发展处于相对滞后状态，前景并不乐观。随着 2011 政 策紧收，欧洲市场规模增速将明显放缓，而美国、日本、中国等新兴光伏市场规 模的增长速度又相对有限，给中国光伏企业带来很大压力。 中国光伏企业目前面临的三大问题是： 1、技术含量不高， 2、简单重复建设， - 4 -
