光伏組件技術(shù)現(xiàn)狀及選型分析

蔡高原

（中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司中南電力試驗(yàn)研究院，河南 鄭州 450000）

0 引言

光伏組件即太陽(yáng)電池組件，是光伏電站最重要的組成部件，其成本占光伏電站建設(shè)總成本的40%以上。光伏組件選型的好壞將直接關(guān)系到整個(gè)光伏電站的質(zhì)量、發(fā)電量、使用壽命和收益率等。隨著光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，運(yùn)用高效組件來降低度電成本已成為行業(yè)共識(shí)，新型高效光伏組件也不斷涌現(xiàn)，不同組件的轉(zhuǎn)換效率、衰減特性、溫度特性等有所差異［1-3］。

本研究對(duì)不同類型的光伏組件進(jìn)行特性和技術(shù)指標(biāo)分析，并結(jié)合案例對(duì)不同規(guī)格的光伏組件的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)，為光伏組件設(shè)備的選型提供技術(shù)參考［4-5］。

1 光伏組件分類

按照光伏組件制造材料的不同，可將光伏組件分為3類，如圖1所示。

圖1 光伏組件的分類

目前，已進(jìn)行商業(yè)化應(yīng)用的有單晶硅太陽(yáng)電池、多晶硅太陽(yáng)電池、非晶硅薄膜太陽(yáng)電池、碲化鎘薄膜太陽(yáng)電池、銅銦鎵硒薄膜太陽(yáng)電池，以上光伏組件的電池片特性對(duì)比詳見表1。

表1 單晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜光伏電池片對(duì)比

由表1 可知，在晶硅類電池中，單晶硅電池的光電轉(zhuǎn)換效率略高于多晶硅電池，兩種電池組件的電性能、壽命等相差不大，且價(jià)格也相當(dāng)，在實(shí)際工程應(yīng)用過程中，建議選用單晶硅電池。非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較低，但由于其具有弱光效應(yīng)好、溫度系數(shù)低等優(yōu)勢(shì)，在建筑光伏一體化等場(chǎng)景中應(yīng)用較為廣泛。

1.1 晶體硅光伏電池

我國(guó)晶體硅光伏電池的轉(zhuǎn)換效率逐年提升。目前，我國(guó)單晶硅光伏電池的轉(zhuǎn)換效率為16%～24.4%，多晶硅光伏電池轉(zhuǎn)換效率為15%～21%。主流的晶體硅光伏電池分為P 型-PERC、N 型-TOPCon、N 型-HJT（異質(zhì)結(jié)），這些晶體硅光伏電池的主要特點(diǎn)對(duì)比詳見表2。

表2 單晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜太陽(yáng)電池對(duì)比

2021 年，規(guī)?；a(chǎn)的P 型單晶電池均采用PERC 技術(shù)，平均轉(zhuǎn)換效率達(dá)到23.1%，較2020年提高0.3 個(gè)百分點(diǎn)。2021 年采用PERC 技術(shù)的多晶黑硅電池片轉(zhuǎn)換效率達(dá)到21.0%，較2020 年提高0.2個(gè)百分點(diǎn)。常規(guī)多晶黑硅電池效率的提升動(dòng)力不強(qiáng)，2021 年轉(zhuǎn)換效率約19.5%，僅提高0.1 個(gè)百分點(diǎn)，未來提升空間有限。鑄錠單晶PERC 電池的平均轉(zhuǎn)換效率為22.4%，較單晶PERC電池低0.7 個(gè)百分點(diǎn)。

N 型TOPCon 電池的平均轉(zhuǎn)換效率達(dá)到24%，異質(zhì)結(jié)電池的平均轉(zhuǎn)換效率達(dá)到24.2%，兩者較2020 年均有較大提升，IBC 電池的平均轉(zhuǎn)換效率達(dá)到24.1%。

盡管目前P 型電池仍占據(jù)光伏電池產(chǎn)業(yè)的主導(dǎo)地位，2021年P(guān)型電池的市場(chǎng)占有率達(dá)91.2%，但因P 型單晶硅PERC 電池的理論轉(zhuǎn)換效率極限為24.5%，導(dǎo)致P型PERC單晶電池的效率很難再有大幅度的提升，而N 型電池具有轉(zhuǎn)化效率高、光致衰減低、溫度系數(shù)低等優(yōu)勢(shì)，有望成為下一代電池技術(shù)的主流。

1.2 非晶硅薄膜光伏電池

薄膜類太陽(yáng)電池由沉積在玻璃、不銹鋼、塑料、陶瓷襯底或薄膜上的幾微米或幾十微米厚的半導(dǎo)體膜構(gòu)成，轉(zhuǎn)換效率為15%～19.64%。薄膜電池存在效率相對(duì)較低、占地面積較大、部分生產(chǎn)原料對(duì)環(huán)境有一定影響、穩(wěn)定性不佳等缺點(diǎn)。隨著技術(shù)的發(fā)展和市場(chǎng)的擴(kuò)大，因其具有制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單、成本低、不用高溫過程、在弱光條件下的性能好于晶硅類太陽(yáng)電池、適用于建筑光伏一體化（BIPV）等突出優(yōu)點(diǎn)，非晶硅薄膜電池也占據(jù)了一定的市場(chǎng)份額，其主要優(yōu)點(diǎn)如下。①薄膜電池屬于直接間隙材料，對(duì)全光譜的吸收都比較好，在清晨、傍晚等弱光條件下的發(fā)光效率要明顯高于間接帶隙材料的晶硅電池，即薄膜電池的弱光效應(yīng)好。②子電池單元間采用并聯(lián)的方式，即使其中一個(gè)子電池單元因受損而產(chǎn)生熱斑，也不影響其他子單元，有利于減少熱斑效應(yīng)，在提高發(fā)電能力、保證產(chǎn)品使用壽命和使用安全方面有很大優(yōu)勢(shì)。③薄膜電池適合高溫環(huán)境，其溫度系數(shù)在-0.21%/℃左右，而晶硅電池的溫度系數(shù)在-0.45%/℃左右。

薄膜類太陽(yáng)電池中的碲化鎘、銅銦鎵硒電池因原材料含有劇毒或原材料的稀缺性，導(dǎo)致其對(duì)環(huán)境產(chǎn)生一定影響，其規(guī)?；a(chǎn)受到限制，目前仍在進(jìn)一步研究中。

1.3 組件技術(shù)規(guī)格

隨著光伏平價(jià)時(shí)代的到來，市場(chǎng)對(duì)光伏組件降本增效的需求也在不斷增加。其中，硅片尺寸增大作為提升組件功率的有效途徑，是近年來光伏行業(yè)較為關(guān)注的技術(shù)路線。

繼 2020 年的 166 mm × 166 mm 規(guī)格硅片后，2021 年又推出了基于更大尺寸硅片的組件產(chǎn)品。其中的182 組件結(jié)合系統(tǒng)端的實(shí)際情況上限，是綜合考慮組件的生產(chǎn)、安裝、運(yùn)輸、系統(tǒng)配套各環(huán)節(jié)的實(shí)際情況確定的最佳尺寸。

根據(jù)目前市場(chǎng)供需情況，當(dāng)前用于大型光伏電站的主流單晶硅光伏組件主要由166 mm、182 mm、210 mm 三種電池片型號(hào)進(jìn)行組裝，主流光伏組件規(guī)格的分類詳見表3。

表3 光伏組件規(guī)格分類表

自2020 年下半年以來，便有大型央企、國(guó)企在組件集采中設(shè)置182 及以上采購(gòu)標(biāo)段。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2021年第一季度，中國(guó)電建、華電、大唐、中核等11家央企、國(guó)企啟動(dòng)了超過20 GW的光伏組件招標(biāo)，其中530 W 及以上高效組件占比高達(dá)76.01%。2021 年1—6 月，國(guó)內(nèi)合計(jì)招標(biāo)量為24 GW，在國(guó)內(nèi)大中型企業(yè)定標(biāo)項(xiàng)目中，高功率組件（182/210 mm電池片）的占比達(dá)83%。

2 光伏組件選型原則

光伏組件對(duì)不同區(qū)域的適用性與當(dāng)?shù)剌椪召Y源的關(guān)系不大，而與當(dāng)?shù)氐慕ㄔO(shè)條件、氣候條件有一定關(guān)系。因此，要因地制宜進(jìn)行光伏組件的選型。

2.1 大型光伏電站光伏組件選型

在大型光伏電站設(shè)計(jì)中，度電成本LCOE 是衡量項(xiàng)目的核心指標(biāo)，光伏組件選型的核心邏輯必須圍繞LCOE，從而確保光伏電站在整個(gè)生命周期內(nèi)提供成本最低的電力［6］，LCOE的計(jì)算公式見式（1）。

式中：I0為項(xiàng)目初始投資；VR為固定資產(chǎn)殘值；i為折現(xiàn)率；Yn為第n年的發(fā)電量；An為第n年的運(yùn)營(yíng)成本；Dn為第n年的折舊；Pn為第n年的利息。

以主流的210 mm 規(guī)格660 Wp（方案一）組件和182 mm 規(guī)格540 Wp（方案二）組件為例，進(jìn)行系統(tǒng)配置，并對(duì)比分析其度電成本。

以內(nèi)蒙古地區(qū)某項(xiàng)目為例，項(xiàng)目所在地的緯度為北緯39.270 6°，最高氣溫為40.2 ℃、最低氣溫為 -36.6 ℃、平均氣溫為9.6 ℃。組件搭配196 kW組串式逆變器，其度電成本對(duì)比詳見表4。

由表 4 可知，210 mm 規(guī)格 660 Wp 組件在支架、基礎(chǔ)、電纜等方面均比182 mm 規(guī)格540 Wp 組件有所節(jié)省，折算到20 a 的度電投資中，210 mm 規(guī)格660 Wp 組件比 182 mm 規(guī)格 540 Wp 組件具有更優(yōu)的度電成本。

表4 項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

2.2 分布式光伏項(xiàng)目光伏組件選型

分布式光伏項(xiàng)目根據(jù)屋頂裝機(jī)規(guī)模可分為三類，即小型戶用、大型戶用及中小型工商業(yè)、大型工商業(yè)［7-8］。三種分布式光伏項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性對(duì)比詳見表5。

由表5 可知，小型戶用分布式項(xiàng)目設(shè)計(jì)的核心理念是裝機(jī)容量越高，收益越大。大型戶用及中小型工商業(yè)項(xiàng)目介于小型戶用和大型工商業(yè)之間，可利用的面積適中、安裝條件略微寬松，高功率組件帶來的低成本開始逐漸體現(xiàn)，但其核心邏輯依然是利用有限的面積來提升裝機(jī)容量。大型工商業(yè)屋頂系統(tǒng)重點(diǎn)考慮高功率高效率組件帶來了成本的降低。

表5 分布式光伏項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

從表5 中的三類分布式光伏項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性測(cè)算可以看出，因屋頂形式多樣，不同應(yīng)用形式對(duì)應(yīng)的組件選型邏輯也不盡相同，并無一款產(chǎn)品能夠同時(shí)在三類項(xiàng)目中達(dá)到最優(yōu)，而相應(yīng)的組件也并非尺寸越大就越好，要根據(jù)實(shí)際的屋頂情形因地制宜進(jìn)行組件選型。

3 結(jié)論

①根據(jù)目前市場(chǎng)供需情況來看，當(dāng)前用于大型光伏電站的主流單晶硅光伏組件由166 mm、182 mm、210 mm 三種電池片型號(hào)進(jìn)行組裝，其產(chǎn)品規(guī)格為350～670 Wp。從區(qū)域特性來看，三類主流電池片型號(hào)均可適用于全國(guó)各個(gè)區(qū)域，不存在較大差異。但結(jié)合工程項(xiàng)目特性，在可靠性、適用場(chǎng)景和經(jīng)濟(jì)性方面存在著細(xì)微差別。

②大型光伏電站光伏組件選型以度電成本最優(yōu)為原則，而目前主流的210 mm 規(guī)格660 Wp 組件在支架、基礎(chǔ)、電纜等方面均比182 mm規(guī)格540 Wp組件有所節(jié)省。因此，大型光伏電站光伏組件應(yīng)首選主流組件廠家的大尺寸大功率組件。

③在對(duì)分布式光伏項(xiàng)目光伏組件進(jìn)行選型時(shí)，因屋頂形式、形狀多樣，不同的應(yīng)用形式對(duì)組件選型的邏輯不盡相同，并無一款產(chǎn)品能同時(shí)在三類項(xiàng)目中達(dá)到最優(yōu)，而相應(yīng)的組件也并非尺寸越大越好，要根據(jù)實(shí)際屋頂情形因地制宜進(jìn)行組件選型。