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大功率组件的开发思考暨光伏硅片变大的逻辑

光伏电池组件  来源:摩尔光伏  作者:List  2020/7/7 8:22:46  我要投稿  

北极星太阳能光伏网讯:6月24日,隆基、晶科、晶澳、阿特斯等7家企业联合发布了M10(边距182mm)的单晶硅片,在已有166mm及210mm规格的情况下为何要发布这个尺寸?该规格硅片是否是过渡产品?本文将为大家深度阐释硅片尺寸背后的逻辑,为您答疑解惑。

1、 历史回顾

光伏组件的大尺寸化趋势始于2018年下半年,当时以158.75mm硅片的单晶组件及166mm硅片的多晶组件为主,同时157.4mm、161.7mm等规格的硅片组件也有一定市场(均大于原行业主流的M2-156.75mm硅片)。最初这样产品出现的主要原因是:通过提高功率在客户端获得溢价。这样的变化引发行业思考:在基本不提高效率的前提下,尺寸变化是否真有意义?结果发现大硅片带来的功率提高确实可以节省光伏电站BOS成本,而且采用大硅片可带来电池、组件制造环节的成本降低。

基于以上认知,隆基向行业宣告做大硅片单晶相比多晶更有优势的观点,基于百GW存量电池产能的兼容性顺势推出了166mm边距的M6单晶硅片(2019年5月)。通过宣传推广使下游电站投资与设计单位理解并认可了硅片变大带来的系统端价值。

然而,2019年8月,中环发布了210mm边距的G12硅片。逻辑是光伏最终应与半导体产业趋同,采用12英寸的单晶硅片,该规格得到了电池制造商通威、爱旭的响应,新建电池产能计划按照G12做规划。G12本质上是从电池制造环节的角度考虑问题,但G12在组件与系统端存在电流过高的问题,直到2020年2月底,天合才推出采用50片G12硅片的组件,通过电池3切后并联解决电流过高的问题,但其5列电池的设计需要一条额外的焊带构成电路回路,这将造成额外的功率损耗。

G12硅片的出现使组件与一体化制造企业开始思考新产能的尺寸规格问题,跳出现有产能兼容性这个边界条件后硅片应该做多大?在2020年初便有传言会出现180mm左右的尺寸,直到6月24日,该规格终于锁定在了182mm。

2.由半导体硅片确定光伏硅片的逻辑误区

对组件、电池尺寸的边界条件分析是个很复杂的科学过程:有些边界是模糊的,还要甄别可以突破与难以突破的限制条件。一个朴素的观点就是参照半导体行业,因为这两个行业都是对硅的利用与加工,光伏行业最早就是由半导体行业衍生而出的。

但这种观点忽略了光伏产业与半导体产业明显的差异,在半导体产业中,芯片制造环节是最核心的环节,随着制程精度越来越高该环节的成本一直处于高位;光伏的芯片“电池”则走着成本不断下降的路线,每瓦售价也由最初的数美元下降到(逼近)0.1美元。半导体产业通过增大硅片面积可以大幅增加芯片的产量从而降低成本,同时硅片增大对单个芯片的形态没有影响,因此无需考虑后续的封装与应用。光伏硅片、电池的变大则对封装和应用环节产生显著影响,而电池加工环节的成本目前仅0.2元/W,占系统总成本不到7%,再以其为中心让光伏组件与系统不计代价去匹配并不科学。

此外,单看硅片光伏和半导体也有不小差别,半导体用圆片而光伏则用准方片,半导体硅片厚度为750μm,光伏硅片的厚度则早已降到200μm以下。

总之,评价光伏产品、光伏技术的第一性原理就是度电成本,不考虑发电能力与衰减的差别就可以简化为产品全产业链的成本,类比应遵守基于这一原理,方可避免谬误的产生。

3、大组件节省BOS成本的逻辑

在大型光伏系统中,一定数量的组件会串联成一个组串,若干个组串通过电缆连接到汇流箱或组串式逆变器。通常两串组件安装于一个单体支架上而支架通过若干基础固定在地面上(跟踪支架上的组件可达3~4串)。提高单串组件功率就可以降低每瓦的支架、基础、电缆、汇流箱(或组串式逆变器)的成本;此外对于相同容量的电站,支架数量的减少也将导致支架间隙面积的减少从而节省了土地面积。因此提高单串组件的功率可以节省电站的BOS成本。大型光伏电站系统电压从1000V做到1500V的也是类似的道理:电压提高带来串联数量的增大从而提高单串功率,进而降低BOS成本。在组件效率相当的情况下,采用大硅片可以提高单串组件功率:大硅片提高了组件的电流而不改变电压,组件串联数量不变使单串功率与单块组件功率呈相同比例增加。与之相对,通过增加硅片数量来提高组件功率时,开路电压提高导致串联数量减少,串功率不变,因此BOS的下降空间很有限。

从BOS成本的角度来看,G12组件考虑到常规设计电流太高,需用电池片3切技术把电流降到仅比M6组件略高6.4%的程度,同时电压高出3.8%,这带来的BOS成本节省将很有限。

4、 由组件尺寸确定硅片尺寸

对于居民屋顶电站,60C的M6组件面积已达1.8m2,从单人安装及屋顶灵活布置的角度该尺寸已达最佳值。面向大型地面电站的组件则可以继续增大,组件的变大需要考虑到制造与物料供应的可行性、组件可靠性、组件的运输及系统端的匹配与人工安装。

分析发现“木桶的短板”是组件海运环节,集装箱(40英尺高柜)约2.57m的门高把组件宽度限制在约1.13m,为装、卸货提供了近10cm的操作余量。1.13m的组件宽度与偶数的电池列数确定了182mm的硅片边距。确定组件宽度与硅片尺寸后,根据72C半片组件的设计,组件的尺寸、重量、电参数等都可推算、并依次验证出如下结论:生产可行性、组件可靠性、系统端的匹配等方面均不存在问题,比如逆变器端由现有13A提高到15A可不改变产品架构设计便捷地实现,15A逆变器与采用182mm硅片的组件完美搭配。电流的显著提高可以带来BOS成本的大幅降低。

采用182mm(M10)硅片组件的正面功率可达540W,相比采用210mm(G12)硅片的500W组件优势非常明显:

组件功率更高,更充分的利用了集装箱的空间余量,组件的人工安装成本更优;组件效率更高,G12组件电池3切、单独的长焊带都会效率损失;BOS成本更省,M10组件电流与功率均高于G12组件,因此组串功率更高,叠加效率更高,系统端的优势非常明显。根据测算:M10相比G12在应用固定支架时可至少节省2.5分/W的BOS成本,应用跟踪支架时可至少节省5分/W的BOS成本;产品制造上,M10的电池效率与良率高,G12还存在很大问题;组件端M10一方面设计简单,一方面功率更高,组件的成本明显更低。

对于182mm是否应做78片,如第3章的介绍,通过增加片数提高组件功率在系统端带来的价值极其有限(因电压提高,不改变串功率),组件进一步变大却带来产品制造、热斑、载荷等方面的困难与成本提升,所以开发意义不大,并非功率越高越好。

总结

本文具体分析了根据半导体硅片确定光伏硅片尺寸的逻辑谬误,指出光伏硅片的尺寸选择应基于度电成本;在当前的各环节成本结构下,应以光伏组件设计与系统应用为中心;在系统价值方面本文提出单串功率是决定BOS成本的关键因素,这也是选择把硅片做大而非增多的背后逻辑;综合考虑各方面限制因素可明确最优的组件尺寸再反推出182mm的硅片尺寸。

在此可以回答本文开篇提出的问题:182mm边距的M10硅片是综合全产业链价值推出的面向新晋产能的最优产品规格,并非过渡产品而是将终结尺寸之争,新上电池、组件产能支持到182mm足矣。


原标题:大功率组件的开发思考暨光伏硅片变大的逻辑

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