bananer
bananer
bananer
bananer
實現地面電站最優度電成本的組件解決方案

1、光伏硅片的尺寸演化


光伏硅片的尺寸演化需要考慮兩方面因素:一方面是硅片尺寸變化對產業鏈制造成本的影響;另一方面是從組件應用的角度考量硅片尺寸對組件尺寸、電參數及組件在系統端應用的影響。


早期光伏電池類似于半導體芯片,設備與工藝的成本很高,增大硅片尺寸可以明顯降低電池的制造成本。隨著光伏產業逐步成熟,開始與半導體產業分道揚鑣,沿著低成本的路線快速發展,如今每瓦的制造成本不到0.2元,降低了數十倍;硅片/電池尺寸也獨立演化出了M1(156.75-Φ205mm)、M2(156.75-Φ210mm)、M4 (161.7-Φ211mm)等規格,同時硅片厚度持續減薄。


行業主流硅片尺寸在156.75mm上穩定數年后,又出現了G1(158.75-Φ223mm)和M6(166-Φ223mm)。其推出邏輯一方面是可兼容既有電池與玻璃生產線,獲得立竿見影的成本節??;另一方面是組件尺寸增幅不到10%,可以全場景替代原M2組件,系統端在保持原有邊界條件不變的情況下也可獲得一定BOS成本節省。


隨著光伏產業鏈的大規模擴產,光伏企業可以跳出產線兼容性的限制考慮一款新的尺寸,有企業推出了與半導體規格一致的12英寸硅片,提出了G12(210-Φ295mm)規格,旨在進一步降低電池制造成本,同時通過更大尺寸的高功率組件來降低系統成本。而M10(182-Φ247mm)規格推出的邏輯則是認為:不同于半導體產業鏈,光伏電池的制造成本因其目前在產業鏈成本占比較低,已不是尺寸變化的核心考量因素;應綜合考慮光伏組件設計、應用的各項邊界條件,由最優組件尺寸反推硅片尺寸。經過對全產業鏈(制造、運輸、安裝、發電性能與系統匹配各環節)的深入分析,M10規格應運而生。

(注:半導體的12英寸硅片相比8英寸硅片厚50μm;12英寸硅片也并未替代8英寸硅片,主要用于≤28nm工藝的芯片,用于節省高額的芯片加工成本)


2、組件尺寸的邊界條件

Ⅰ. 組件的包裝運輸

image

圖1. 182組件采用側立的包裝方式,最大化利用集裝箱空間又留有約10cm裝卸余量,組件在項目現場可平穩放置



光伏組件通常采用短邊垂直于地面的側立包裝方式,因平放會因運輸中的振動導致組件隱裂乃至破損;側立則保障了運輸的可靠性問題,同時長邊著地使組件在項目現場放置時具有較好的穩定性;豎立的包裝則穩定性差易傾倒且增加拆包裝的難度。


在海運的40HC集裝箱中,兩托組件雙層堆垛放入集裝箱,因此兩托組件的高度不能高于集裝箱門高2.57m。再考慮到項目現場地形的一定起伏,需為叉車卸貨留下約10cm操作余量,組件寬度被限制在約1.13m,反推出182mm的硅片尺寸:

image

Ⅱ. 組件的人工搬運、安裝

此前光伏組件尺寸、重量在一定范圍內增大,人工搬運、安裝成本確實成下降趨勢,但必然存在一定界限,超過該邊界后,人工安裝的困難度顯著增加,導致工人易疲勞或安裝破損率顯著提高。


光伏組件的寬度此前在1m左右,安裝工人雙臂自然張開即可抓握住組件,組件寬度適度增加到~1.13m后兩人的搬運在平坦地形下仍可穩定實現。但組件寬度不宜進一步加寬避免影響搬運的平穩性。


單人頻繁搬運的重量極限大致為20~25kg,兩人的重量極限則并非簡單乘2,而需要考慮0.666的系數,即兩人搬運的極限重量為:

25kg×2×0.666=33.3kg<35kg

因此組件重量宜控制在33.3kg以內,最大不超過35kg。72c-182雙面雙玻組件的重量約32kg,除起伏很大的山地場景兩人可順利完成長時間的搬運與安裝工作,相對于目前主流的72c-166組件可節省人工成本。

image

圖2. 182組件的尺寸與重量基本達到兩人便利搬運、安裝的上限

Ⅲ. 組件的載荷能力

決定光伏組件載荷能力的首要因素是玻璃,其次是邊框。從組件成本與重量控制的角度,雙面雙玻組件的玻璃厚度宜保持在2mm?;?+2mm雙玻結構并合理控制邊框成本的前提下,組件的尺寸不宜超過一定界限,否則其抵御靜態載荷、動態載荷的能力均會顯著降低,在實驗室測試與戶外應用條件下易出現邊框破壞、玻璃爆裂、大量隱裂導致組件衰減過高等情況。


根據理論分析,182組件的邊框應力在載荷下處于安全邊界(圖3中的左圖為5400Pa載荷下的邊框應力模擬),且寬度增加帶來應力上升明顯高于長度增加的結果。在背面無梁安裝承受3600Pa靜載條件下,1.13m寬度的組件形變量相對較低,組件載荷后的功率衰減低于2%。因此,從光伏電站投資收益風險控制的角度,組件組件尺寸尤其是寬度不宜再進一步增加。

image

圖3. 182組件的機械載荷能力處于安全界限之內,組件寬度超過1.2m后,載荷下的形變帶來明顯的隱裂與功率衰減


3、產品情況

Ⅰ. 尺寸、重量、電參數

如上一節的分析,根據組件尺寸與重量上的限制條件,保持經典的半片組件版型設計,可反推出大約182mm的硅片邊長。182(M10)硅片面積為330.15cm2 ,相比274.15cm2的166(M6)硅片增大20.4%,因此組件的面積、重量、電流相應提升,以下列出了72C的182與166組件典型參數:

image

可以看出,由于具有相對合理的尺寸與重量,182組件是非常適合于大型地面電站應用場景的組件解決方案。


II. 量產情況



182組件是跳出產能兼容性限制,針對電池、組件新產能所打造的標準化尺寸,是繼166之后新的行業最大公約數,截止2021年底至少30GW電池與組件產能,全產業的182電池與組件產能超過100GW。


首批182組件已于2020年Q4大規模量產、供貨,由于組件尺寸變化低于20%,因而保持了很高的產業鏈成熟度:硅棒與硅片保持了與166相同的制造良率;電池光電轉換效率、良率也迅速達到與166相同的水平;雙面組件量產功率535/540Wp,組件載荷能力、熱斑溫度等均在安全邊界內。


Ⅲ. 產業鏈配套與產品標準化


182組件在尺寸與電流上有一定變化,對組件BOM與系統端配套提出了新的要求。


組件的BOM方面,新建的光伏玻璃制造與深加工產能均可兼容1.13m寬幅玻璃,膠膜與背板的供應也不存在障礙;由于電流增大約20%,182雙面組件使用了額定電流25A的接線盒(該接線盒使用了3個大尺寸的旁路二極管),保持了充足的安全余量,,充分保障了大電流長時間運行下的可靠性。


image


系統端主要涉及組串式逆變器與平單軸跟蹤支架的匹配。按照約15%的發電增益,Impp為13A的雙面組件需采用15A的組串式逆變器,可通過此前主流的13A組串式逆變器小幅調整實現,無需改變核心的IGBT芯片,產品可向下兼容166等組件,避免了產品的碎片化與核心元件變更的風險。


182組件長度與寬度增加約9%,跟蹤支架通過適度的結構加強可承載相同組串數量的組件,承載組件總功率的提升可帶來支架單瓦成本的降低。目前主流1P與2P跟蹤支架均已適配182組件。如第2節中所述,考慮到風載下的組件形變、隱裂帶來的功率衰減,不宜在跟蹤支架上應用更寬的組件(尤其是2P跟蹤支架)。


4、系統端價值


高功率組件的BOS成本節省主要源自3個方面:A-采用大支架設計提高單體支架上承載的光伏組件總功率,攤薄單Wp的支架與樁基礎成本;B-通過提高串功率減少連接光伏組串和匯流箱(或組串式逆變器)的光伏電纜的總長度;C-適度增加組件尺寸攤薄單Wp的人工安裝成本。


image


圖4. 地形起伏大時單體支架長度受限,平坦地形則可以設計超長支架


地形起伏很大的山地電站單體支架長度受限、大組件的搬運存在困難,因此182組件主要適用于地形相對平坦的荒漠、丘陵、灘涂等應用場景,通過結合超長支架設計、優化的樁基礎間距顯著節省成本。


對于固定式支架,單體支架長度因鋼的熱脹冷縮需限制在約120m,182組件兼容兩排豎裝(2P)與4排橫裝(4L)支架設計,通過調整單支架上的組串數可適應不同的地形條件。2P固定式支架的典型長度如下表(按每串26塊182組件計算)

image


與固定支架類似,跟蹤支架在結構長度上存在限制,進一步增大組件尺寸、增大串功率將導致單支架上的組串數減少,無法提高單體跟蹤支架承載的總功率,也就無法節省支架成本。


電纜成本方面,如圖5所示,隨著組件電流與串功率的提高,4mm2 光伏電纜成本逐漸降低,降幅趨緩;同時電纜上功率損耗帶來的成本則近似成線性增長。綜合考慮這兩方面成本,最佳成本點的電流約為14~15A,也就是182雙面組件的工作電流值。此外,如果兩路組串2匯1后通過6mm2 光伏電纜接入匯流箱(或組串式逆變器),電纜成本還會有進一步節省。


image

圖5. 4mm2電纜的綜合成本(=電纜成本+線損成本)與雙面組件最大工作電流(疊加背面)的關系曲線



人工成本方面如第2節所述,兩人搬運、安裝的光伏組件重量有一定極限值,超出極限值的長時間工作將導致工人易疲勞、工作效率下降,安裝破損率提高。


綜合以上分析,在公平邊界條件下做了光伏電站BOS成本對比分析,經TüV北德驗算結果如下(未考慮人工安裝成本上的差異):


(條件設定:風壓0.38kN/m2[25年]、0.45kN/m2[50年];雪壓0.21kN/m2[25年]、0.25kN/m2[50年];傾角34°;組件最低點距地面高度1.5米;土地成本按550元/畝/年、一次性繳納20年考慮)

image

2P固定支架的測算結果符合預期:182組件在BOS成本上相比166組件具有明顯優勢;相比兩款210組件則差別不大,因組件效率較高而略有一定優勢;在豎裝的情況下,60c-210組件的BOS成本反而不如55c-210組件,因長度較長的組件在支架與基礎成本上略有優勢。


以下進一步對比4L支架上182組件與55c-210組件的BOS成本,182組件同樣由于組件效率上的優勢在支架與基礎成本、土地成本上略有優勢。寬度過寬的組件由于無梁安裝時載荷能力較差、4L安裝時最上面一排組件安裝非常困難而沒有納入對比。


image


組件工作電流過高會導致電池片表面金屬接觸、焊帶與匯流條上的熱損耗顯著上升,這部分熱損耗將使得組件的工作溫度有一定上升,此前大量關于半片組件與整片組件的工作溫度對比分析已經證明了此點。晶澳聯合TüV北德就超大電流組件與182組件的發電能力在銀川國家光伏實驗基地做了對比研究,目前已獲得兩個月的數據(2021年2月19日~2021年4月20日),結果如圖6,可以看出,在晴朗的高輻照天氣下,182組件的平均工作溫度比超大電流組件低1.7℃,最大溫度差異可以到4~5℃,同時182組件的單瓦發電量相對超大電流組件平均高出1.6%左右,體現出了較為明顯的發電性能優勢。


image

圖6. 超大電流組件與182組件發電量及典型日工作溫度對比


5、總結


光伏電站需要長期(>25年)可靠地工作,能抵御極端氣候條件,組件和系統可靠性是保障客戶投資回報,實現客戶價值的基礎。


182組件是基于對全產業鏈價值、光伏組件尺寸增大的各項邊界限制條件的深入分析所提出的最具度電成本優勢的組件解決方案。在不提升效率的情況下,靠繼續增大組件尺寸來實現更高功率,對系統成本下降已經沒有幫助,同時會帶來可靠性風險的顯著增加,因而這種做法已經失去了價值。


尺寸本身并不是光伏的核心技術,標準化的組件尺寸有利于制造設備、輔材、逆變器、跟蹤支架等光伏產業鏈各環節的工作重心回到技術創新之上。光伏電池和組件技術工作的重心應回歸到進一步提升轉換效率的主航道上。