碲化镉薄膜发电玻璃在光伏水面电站上的应用

吴一民 殷新建

摘要：鉴于光伏水面电站可以充分利用我国充足的水面资源，并有效缓解土地、屋顶资源短缺形势，同时具备促进生态健康、提高发电水平、利于就近消纳等优点，因此成为极具前景的太阳能光伏发电新兴应用领域。本文结合碲化镉薄膜发电玻璃固有的产品优势、产能优势等，探讨了碲化镉薄膜发电玻璃在光伏水面电站上的应用可能和发展前景。

关键词：新能源 光伏水面电站 碲化镉薄膜发电玻璃 双玻组件

1引言

近年来，日益加剧的能源危机、环境污染和气候变化已经引起全社会的高度重视。调整能源产业结构，提高可再生能源应用比例已经成为全社会的共识，全球多个国家均把发展可再生能源作为实现可持续发展的重要方式。对我国而言，实现碳达峰、碳中和目标，目前最重要的任务同样是实现能源体系的低碳转型，将碳达峰和碳中和目标与经济社会发展、生态环境保护和能源革命目标结合起来，实现绿色、低碳、循环的高质量协同发展。

据预测，太阳能光伏发电在 21 世纪会占据世界能源消费的重要席位，到2030年，可再生能源在总能源结构中将占到 30%以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到 10% 以上; 到 21 世纪末，可再生能源在能源结构中将占到 80% 以上，太阳能发电将占到 60% 以上。[1]这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。

其中光伏水面电站作为一个极具前景的光伏发电新兴应用领域，已被国际社会广泛认可并积极推广。因光伏水面电站具有可以充分利用闲置水面资源、缓解土地及屋顶等稀缺资源利用形式紧张;减少水量蒸发、促进生态环境健康;可建设在用电负荷中心以利于就近消纳;同时能够充分利用水面对组件板的冷却效应及水面反射的二次光能，提高组件发电量等突出优点，成为了极具前景的光伏发展新模式。

同时在硅材料成本居高不下、能源回收周期较长的背景下，作为新兴的第二代薄膜太阳能电池，碲化镉薄膜发电玻璃以其最低的生产成本，优异的发电性能等优势在近几年脱颖而出，成为薄膜太阳能电池领域的领先技术并取得了极好的产业化进展。本文结合光伏水面电站发展前景、技术要求，探讨了碲化鎘薄膜发电玻璃在光伏水面电站上的应用可能和前景。

2分布式水面光伏的产业化发展前景

根据中国光伏行业协会对2011-2025年我国光伏新增容量的预测数据，自2020年以来将迎来我国光伏装机容量的线性增长。十四五期间年均光伏新增容量规模为70～90GW。2020年我国光伏集中式、户用和分布式工商业装机容量分别为32.7GW、10GW和5.5GW，其中光伏集中式电站对土地需求约为66万亩;5.5GW的工商业分布式装机容量约需屋顶面积8250万平;目前，光伏发电市场已进入到了飞速发展的时代，但随着光伏装机量的持续增长，土地、屋顶资源正在成为制约光伏规模化发展的关键因素之一。

在此背景下，潜在资源的探索利用成为光伏技术和应用模式的重要研究方向。近年来，除了与建筑有机结合的光伏建筑一体化（BIPV）领域的深入研究探索之外，光伏水面电站作为光伏发电的新形式，已被广泛认可并积极推广。光伏水面电站是指在水塘、湖泊、水库等水上建立的光伏电站。以日本、韩国、巴西、英国为代表的国家，走在了水上光伏的前列。[2]

以漂浮式光伏水面电站为例，截至2018年，全球漂浮式光伏电站总装机容量约为1.1GW，若全球1%的可利用水面用来建设漂浮式光伏电站，总装机容量将高达404GW，发展潜力十分巨大。且根据相关数据测算，一般情况下，虽然水上光伏电站建设成本比地面电站约高5%～12%，但结合发电量增益，水上电站已具备同地面电站竞争的条件。我国水资源丰富，湖泊、水库、近海岸线众多。目前国内的漂浮电站在内陆水体上的主要技术难题已经解决，在诸如近海水域、严重污染性水体和超低温水面等苛刻的环境下的应用研究也稳步推进。在我国可利用水面资源方面，据统计，中国有8.6万座水库，总库容6924*108立方米，全国水库水面总面积25619千公顷;中国湖泊资源总面积9.1万平方公里，面积1千平方米以上的有2700多个;我国大陆海岸线总长度达1.8万公里，可利用海域面积超过300万平方公里。发展光伏水面电站的资源与技术条件已然具备，大规模发展光伏水面电站具有非常可观的发展前景。[3]

近年来我国水上光伏电站将逐步从示范阶段迈入大规模应用阶段并逐渐领跑国际水面光伏建设。自2015年底我国首座水面漂浮式光伏发电站试验项目在湖北省枣阳市熊河水库建成投产，标志着我国的水上漂浮光伏电站正式起步以来，我国已陆续在江苏、安徽、广西等多地建设有光伏水面电站。[4]2021年5月，德州丁庄华能光伏电站一期100兆瓦项目今天并网发电，这是全球单体最大的水面漂浮式光伏电站，该水上光伏发电项目规划总装机容量320兆瓦，项目全部建成后，每年可提供清洁能源4.2亿千瓦时，节约标煤20.5万吨，节能减排效益显著。

3分布式光伏水面电站解决方案

光伏水面电站按基础形式可分为桩基（桩柱式基础） 固定电站和水面漂浮电站两种。其具体形式的选择一般可由水深初步决定。浅水区（水深小于3m）可采用桩基固定方式;深水区 （水深大于3m，径流稳定，水位变化一般小于6 m，水深基本一致） 可采用水面漂浮方式。[5]

桩基固定电站与传统的光伏支架类似，在水下固定桩基，组件支撑于支架上，支架固定于桩上，生产成本较高，施工难度较大，仅适用于水域较浅的地方，故装机规模与发展潜力受到较大制约。水面漂浮电站是在水面上设置漂浮模块，利用塑料浮体的浮力承受光伏组件及相关设备的重量，将光伏组件直接固定在模块上，或将光伏组件固定于支架上，再将支架固定在模块上，浮体固定于岸边或水底，对于各种水域的适应性较强。[6]大型水上光伏电站主要采用水面漂浮电站模式。

漂浮式光伏水面电站的技术要点主要包括系统设计、浮体产品与材料、浮体结构与方阵、锚固系统等，由于并网规模大，后期运维难度大，环境潮湿，加剧组件PID及设备腐蚀等特点及挑战，在实际应用当中，各环节均需根据相关标准进行详细测算、模拟、设计。具体技术要点可见下表1。

光伏水面电站行业的国内各领军企业，不断在浮体安装、系统排布、锚固系统等方面作出相关设计优化，并提出大型光伏水面电站智慧解决方案。例如阳光电源的水面光伏专用智能汇流箱+箱式逆变房的整体方案等，较好地解决了大型光伏水面电站所面临的挑战。本文主要针对光伏水面电站对光伏组件的要求进行探讨。

水上光伏项目的特殊环境使其对光伏组件有着严格的要求，传统组件的背板采用的是有机复合材料，易受自然环境因子的侵蚀，透过背板的水汽使劣质的 EVA 树脂很快分解析出醋酸，而导致组件内部发生电化学腐蚀，增加了出现 PID 衰减的概率。因此散热快、温差小、耐腐蚀、抗潮湿的双玻组件脱颖而出。双玻组件背板采用强化玻璃，光线照射下也不会产生黄变，并且玻璃本身硬度高，不易受风沙的磨损，也不会被酸、碱、盐、雾、水汽等因素侵蚀，基本接近零透水率，无铝边框、抗PID、耐腐蚀这些特点都使双玻组件更加与水面光伏特殊性契合。

4碲化镉薄膜发电玻璃

碲化镉薄膜发电玻璃即是标准的双玻组件。它是以直接带隙II-VI族半导体CdTe为光吸收层的一种薄膜化合物太阳能电池，禁带宽度约为1.45eV，光吸收系数高，1μm厚的CdTe薄膜足以吸收99%波长小于900nm的紫外光、可见光及近红外光，激发产生光生载流子，有很高的光电转换效率和较低的成本。

在国际市场硅原材料持续紧张，硅片生产成本居高不下的背景下，薄膜太阳电池已成为国际光伏市场发展的新趋势和新热点。薄膜太阳能电池膜层厚度仅为传统硅电池片厚度百分之一，通过在玻璃、金属、塑料等多种价格低廉的材料表面沉积就可以实现太阳能发电的目标，后发优势逐渐明显。其中，利用碲化镉（CdTe）薄膜太阳能电池技术与玻璃结合制备的碲化镉发电玻璃，其以柔、薄、轻、透的质地，以及弱光响应性强、高温下相对性能好等优点，成为目前产业化成果最优和产业前景最好的薄膜太阳能电池。在降低建筑能耗及成本、减少二氧化碳排放、缓解建筑电力需求等方面具有显著优势。2019年，碲化镉“发电玻璃”入选工信部颁布的《重点新材料首批次应用示范指导目錄（2019年版）》。长远来看，碲化镉薄膜发电玻璃的应用对于推动我国新材料、新能源、节能环保等战略性产业进步具有重要意义，结合其自身特点及客观需求，探究其如何在分布式电站、建筑光伏一体化、光伏水面电站等尽可能多的领域得到应用并发挥优势是一个重要课题。

4.1碲化镉薄膜发电玻璃的产品优势

薄膜太阳能电池以铜铟镓硒、碲化镉、非晶硅薄膜太阳能电池为代表，特点是核心半导体材料具有很高的太阳光吸收率，因此消耗的材料较少，并且工艺较简单。碲化镉薄膜发电玻璃有如下特点：

1、温度系数低

CdTe电池的温度系数一般在-0.28%/℃以下，而晶硅主流产品的温度系数一般在-0.34%/℃以上，在炎热的夏季，太阳能电池工作温度达60℃以上，碲化镉薄膜发电玻璃比晶硅电池多10～12%，因此碲化镉薄膜发电玻璃更适合安装在炎热、干燥的沙漠地带。全年累积发电量比较，CdTe比晶硅多发电3～8%。

2、弱光效应好

碲化镉薄膜发电玻璃具有良好的弱光效应，在阴天和早晚等弱光条件下也能发电。

3、光吸收能力强

碲化镉的禁带宽度一般为1.45eV，碲化镉的光谱响应和太阳光谱非常匹配，可吸收95%以上的阳光。

4、抗遮挡能力强

太阳能电池必须在产品内部进行串联才能实现电压的提升，从而实现电能的有效输出。但是串联结构会因为局部的遮挡造成遮挡区域无有效发电，从而降低整个串联结构上的功率，遮挡面积过大时甚至无功率输出。CdTe电池的抗遮挡性能优于晶硅，原因有：（1）电池内联结构优于晶体硅。晶硅是单片硅片串联，小面积遮挡就容易导致整串失效，而CdTe电池内部既有串联也有并联，小面积遮挡很难引起整个子电池失效，整个组件和组串不容易失效。（2）电池一致性优于晶体硅。CdTe是一次性成膜，在整个组件上膜层质量均匀性远优于晶体硅电池片与片之间的均匀性，串联的短板效应非常小。（3）电流密度低于晶硅。碲化镉发电玻璃的电流密度比晶硅小得多，阴影遮挡后电流、电压的下降比例比晶硅小，且遮挡处的发热量远小于晶硅，不会像晶硅一样因为热斑效应形成隐裂，甚至导致组件破裂或起火。因此在有少量遮挡情况下，发电玻璃的安全性和发电量都是远高于晶体硅的，更适宜应用在复杂环境。如图2所示，根据中国建材集团实验数据，在5%-50%遮挡面积范围内，碲化镉发电玻璃发电量要优于晶硅电池;当遮挡9%时，晶硅已无法发电，而碲化镉发电玻璃依然有37%的功率输出。

5、抗潮湿、抗PID性能强

PID效应现象最容易在潮湿的条件下发生，且其活跃程度与潮湿程度相关，同时组件表面被导电性、酸性、碱性以及带有离子的物体的污染程度，也会造成组件效率衰减现象。而碲化镉薄膜发电玻璃为标准双玻组件，有效避免了传统组件有机复合材料背板易受自然环境因子的侵蚀的特性，且玻璃本身硬度高，抗风沙、抗酸碱等性能优越;同时利用PVB、丁基胶等有机材料进行层压封装，有效避免水汽侵扰，基本接近零透水率;无铝边框、耐腐蚀等特点也有效避免了电势诱导衰减，使双玻组件更适用于光伏水面电站。

5、能源回收周期短

晶硅太阳能电池的能源回收期为3～4年，而碲化镉薄膜发电玻璃为1～2年。

6、适用于光伏建筑一体化

由于碲化镉薄膜发电玻璃具有外观美观、整体性好、轻量化等优点，除适用于大规模的地面电站外，还可使发电系统实用性与建筑物形态美实现完美结合，更适合于光伏建筑一体化的应用。

与晶硅太阳能电池相比，目前薄膜发电玻璃组件转换效率略低，然而由于碲化镉发电玻璃具有弱光效应好、温度系数低等优点，在实际应用过程中系统转换效率更高，优势更加明显。下表为碲化镉薄膜发电玻璃与其它太阳能电池优势对比表。

4.2碲化鎘发电玻璃的产能优势

在国际市场方面，目前世界上最大规模量产碲化镉薄膜发电玻璃的生产商是美国First Solar，目前产能达到8GW，实验室转化效率22.1%，最好的生产线可实现约18%的转换效率，全年所有生产线上的平均转换效率可达17.4%，制造成本约为0.44$/Wp。目前，First Solar的碲化镉薄膜太阳能电池占据了美国地面大型电站的主要市场份额，并在印度、中东、欧盟等光伏应用重点区域继续保持优势地位。

在国内市场方面，目前我国能够实现量产碲化镉薄膜发电玻璃产品的企业主要有中国建材集团、龙焱能源科技（杭州）有限公司和中山瑞科新能源有限公司。龙焱能源科技（杭州）有限公司和中山瑞科新能源有限公司年产能分别为40MW及80MW，产品尺寸为1200 mm×600 mm，均有后期产线建设规划。中国建材集团目前实验室转化效率达到20.24%，产品面积为1.92 ㎡，转化效率为15.8%。该套生产技术已经在成都和邯郸投产并分别达到100MW产能，同时在佳木斯、株洲、瑞昌、雅安、濮阳、定西等地扩建新产线。经过上述企业的积极研发布局，未来3～5年内将形成3～5GW产能，随着核心技术工艺、核心原材料、产品成本、生产规模、产业链规划等优势的逐步建立，国内碲化镉薄膜发电玻璃事业将迎来进一步高速发展，并为BIPV、分布式光伏地面、水面电站等提供强有力的支撑。[7]

5结语

光伏水面电站作为太阳能利用的有效形式，可以在高效利用水面资源的同时，极大地减少煤耗以及污染气体的排放，促进碳达峰、碳中和愿景实现，其节能减排的力度和意义对于整个社会非常重大，是建设资源节约、环境友好社会的有效途径。而碲化镉薄膜发电玻璃固有的优异性能及其特有的双玻结构，对光伏水面电站有着良好的适配性。将二者有机结合，探索并发展碲化镉薄膜发电玻璃在光伏水面电站上的应用将有着广阔的市场前景。

未来几年进一步推进技术研发和产业化、不断提升产业规模，形成规模效应，降低生产成本，将是我国碲化镉薄膜发电玻璃产业发展的重点任务，也将是其在光伏水面电站方向应用的重要基础。

参考文献：

[1]丁光涛. 对发展光伏发电站的两点建议 [J]. 安 徽 师 范 大 学 学 报， 2016， 39（2）.

[2]谭争光 吴 梁 糜. 水上漂浮式光伏电站的发展及应用前景分析 [J]. 2019， 12.

[3]宁 王 李 民 畅 刘. 水面光伏发电系统研究综述 [J]. 科学技术创新， 2020， 23.

[4]赵宇航. 争夺水面光伏 [J]. 能源， 2016， 3.

[5]孙杰. 水上光伏电站应用技术与解决方案 [J]. 太阳能， 2017， 06.

[6]蔡伟东，彭康. 关于大型水上光伏电站的技术探究 [J]. 现代信息科技， 2019， 3（18）.

[7]魏娜娜 秦 于. 国内外碲化镉发电玻璃产业发展现状分析 [J]. 玻璃， 2021， 7.