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大功率組件的開發(fā)思考暨光伏硅片變大的邏輯
日期:2020-07-07   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:sy_zhuzhengmin 打印收藏評(píng)論(0)[訂閱到郵箱]
編者按:182mm邊距的M10硅片是綜合全產(chǎn)業(yè)鏈價(jià)值推出的面向新晉產(chǎn)能的最優(yōu)產(chǎn)品規(guī)格,并非過(guò)渡產(chǎn)品而是將終結(jié)尺寸之爭(zhēng),新上電池、組件產(chǎn)能支持到182mm足矣,光伏硅片的尺寸選擇應(yīng)基于度電成本;在當(dāng)前的各環(huán)節(jié)成本結(jié)構(gòu)下,應(yīng)以光伏組件設(shè)計(jì)與系統(tǒng)應(yīng)用為中心;在系統(tǒng)價(jià)值方面本文提出單串功率是決定BOS成本的關(guān)鍵因素,這也是選擇把硅片做大而非增多的背后邏輯。

6月24日,隆基、晶科、晶澳、阿特斯等7家企業(yè)聯(lián)合發(fā)布了M10(邊距182mm)的單晶硅片,在已有166mm及210mm規(guī)格的情況下為何要發(fā)布這個(gè)尺寸?該規(guī)格硅片是否是過(guò)渡產(chǎn)品?本文將為大家深度闡釋硅片尺寸背后的邏輯,為您答疑解惑。

1、 歷史回顧

光伏組件的大尺寸化趨勢(shì)始于2018年下半年,當(dāng)時(shí)以158.75mm硅片的單晶組件及166mm硅片的多晶組件為主,同時(shí)157.4mm、161.7mm等規(guī)格的硅片組件也有一定市場(chǎng)(均大于原行業(yè)主流的M2-156.75mm硅片)。最初這樣產(chǎn)品出現(xiàn)的主要原因是:通過(guò)提高功率在客戶端獲得溢價(jià)。這樣的變化引發(fā)行業(yè)思考:在基本不提高效率的前提下,尺寸變化是否真有意義?結(jié)果發(fā)現(xiàn)大硅片帶來(lái)的功率提高確實(shí)可以節(jié)省光伏電站BOS成本,而且采用大硅片可帶來(lái)電池、組件制造環(huán)節(jié)的成本降低。

基于以上認(rèn)知,隆基向行業(yè)宣告做大硅片單晶相比多晶更有優(yōu)勢(shì)的觀點(diǎn),基于百GW存量電池產(chǎn)能的兼容性順勢(shì)推出了166mm邊距的M6單晶硅片(2019年5月)。通過(guò)宣傳推廣使下游電站投資與設(shè)計(jì)單位理解并認(rèn)可了硅片變大帶來(lái)的系統(tǒng)端價(jià)值。

然而,2019年8月,中環(huán)發(fā)布了210mm邊距的G12硅片。邏輯是光伏最終應(yīng)與半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)趨同,采用12英寸的單晶硅片,該規(guī)格得到了電池制造商通威、愛旭的響應(yīng),新建電池產(chǎn)能計(jì)劃按照G12做規(guī)劃。G12本質(zhì)上是從電池制造環(huán)節(jié)的角度考慮問題,但G12在組件與系統(tǒng)端存在電流過(guò)高的問題,直到2020年2月底,天合才推出采用50片G12硅片的組件,通過(guò)電池3切后并聯(lián)解決電流過(guò)高的問題,但其5列電池的設(shè)計(jì)需要一條額外的焊帶構(gòu)成電路回路,這將造成額外的功率損耗。

G12硅片的出現(xiàn)使組件與一體化制造企業(yè)開始思考新產(chǎn)能的尺寸規(guī)格問題,跳出現(xiàn)有產(chǎn)能兼容性這個(gè)邊界條件后硅片應(yīng)該做多大?在2020年初便有傳言會(huì)出現(xiàn)180mm左右的尺寸,直到6月24日,該規(guī)格終于鎖定在了182mm。

2.由半導(dǎo)體硅片確定光伏硅片的邏輯誤區(qū)

對(duì)組件、電池尺寸的邊界條件分析是個(gè)很復(fù)雜的科學(xué)過(guò)程:有些邊界是模糊的,還要甄別可以突破與難以突破的限制條件。一個(gè)樸素的觀點(diǎn)就是參照半導(dǎo)體行業(yè),因?yàn)檫@兩個(gè)行業(yè)都是對(duì)硅的利用與加工,光伏行業(yè)最早就是由半導(dǎo)體行業(yè)衍生而出的。

但這種觀點(diǎn)忽略了光伏產(chǎn)業(yè)與半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)明顯的差異,在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中,芯片制造環(huán)節(jié)是最核心的環(huán)節(jié),隨著制程精度越來(lái)越高該環(huán)節(jié)的成本一直處于高位;光伏的芯片“電池”則走著成本不斷下降的路線,每瓦售價(jià)也由最初的數(shù)美元下降到(逼近)0.1美元。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)通過(guò)增大硅片面積可以大幅增加芯片的產(chǎn)量從而降低成本,同時(shí)硅片增大對(duì)單個(gè)芯片的形態(tài)沒有影響,因此無(wú)需考慮后續(xù)的封裝與應(yīng)用。光伏硅片、電池的變大則對(duì)封裝和應(yīng)用環(huán)節(jié)產(chǎn)生顯著影響,而電池加工環(huán)節(jié)的成本目前僅0.2元/W,占系統(tǒng)總成本不到7%,再以其為中心讓光伏組件與系統(tǒng)不計(jì)代價(jià)去匹配并不科學(xué)。

此外,單看硅片光伏和半導(dǎo)體也有不小差別,半導(dǎo)體用圓片而光伏則用準(zhǔn)方片,半導(dǎo)體硅片厚度為750μm,光伏硅片的厚度則早已降到200μm以下。
總之,評(píng)價(jià)光伏產(chǎn)品、光伏技術(shù)的第一性原理就是度電成本,不考慮發(fā)電能力與衰減的差別就可以簡(jiǎn)化為產(chǎn)品全產(chǎn)業(yè)鏈的成本,類比應(yīng)遵守基于這一原理,方可避免謬誤的產(chǎn)生。

3、大組件節(jié)省BOS成本的邏輯


在大型光伏系統(tǒng)中,一定數(shù)量的組件會(huì)串聯(lián)成一個(gè)組串,若干個(gè)組串通過(guò)電纜連接到匯流箱或組串式逆變器。通常兩串組件安裝于一個(gè)單體支架上而支架通過(guò)若干基礎(chǔ)固定在地面上(跟蹤支架上的組件可達(dá)3~4串)。提高單串組件功率就可以降低每瓦的支架、基礎(chǔ)、電纜、匯流箱(或組串式逆變器)的成本;此外對(duì)于相同容量的電站,支架數(shù)量的減少也將導(dǎo)致支架間隙面積的減少?gòu)亩?jié)省了土地面積。因此提高單串組件的功率可以節(jié)省電站的BOS成本。大型光伏電站系統(tǒng)電壓從1000V做到1500V的也是類似的道理:電壓提高帶來(lái)串聯(lián)數(shù)量的增大從而提高單串功率,進(jìn)而降低BOS成本。在組件效率相當(dāng)?shù)那闆r下,采用大硅片可以提高單串組件功率:大硅片提高了組件的電流而不改變電壓,組件串聯(lián)數(shù)量不變使單串功率與單塊組件功率呈相同比例增加。與之相對(duì),通過(guò)增加硅片數(shù)量來(lái)提高組件功率時(shí),開路電壓提高導(dǎo)致串聯(lián)數(shù)量減少,串功率不變,因此BOS的下降空間很有限。

從BOS成本的角度來(lái)看,G12組件考慮到常規(guī)設(shè)計(jì)電流太高,需用電池片3切技術(shù)把電流降到僅比M6組件略高6.4%的程度,同時(shí)電壓高出3.8%,這帶來(lái)的BOS成本節(jié)省將很有限。

4、 由組件尺寸確定硅片尺寸

對(duì)于居民屋頂電站,60C的M6組件面積已達(dá)1.8m2,從單人安裝及屋頂靈活布置的角度該尺寸已達(dá)最佳值。面向大型地面電站的組件則可以繼續(xù)增大,組件的變大需要考慮到制造與物料供應(yīng)的可行性、組件可靠性、組件的運(yùn)輸及系統(tǒng)端的匹配與人工安裝。

分析發(fā)現(xiàn)“木桶的短板”是組件海運(yùn)環(huán)節(jié),集裝箱(40英尺高柜)約2.57m的門高把組件寬度限制在約1.13m,為裝、卸貨提供了近10cm的操作余量。1.13m的組件寬度與偶數(shù)的電池列數(shù)確定了182mm的硅片邊距。確定組件寬度與硅片尺寸后,根據(jù)72C半片組件的設(shè)計(jì),組件的尺寸、重量、電參數(shù)等都可推算、并依次驗(yàn)證出如下結(jié)論:生產(chǎn)可行性、組件可靠性、系統(tǒng)端的匹配等方面均不存在問題,比如逆變器端由現(xiàn)有13A提高到15A可不改變產(chǎn)品架構(gòu)設(shè)計(jì)便捷地實(shí)現(xiàn),15A逆變器與采用182mm硅片的組件完美搭配。電流的顯著提高可以帶來(lái)BOS成本的大幅降低。

采用182mm(M10)硅片組件的正面功率可達(dá)540W,相比采用210mm(G12)硅片的500W組件優(yōu)勢(shì)非常明顯:

組件功率更高,更充分的利用了集裝箱的空間余量,組件的人工安裝成本更優(yōu);組件效率更高,G12組件電池3切、單獨(dú)的長(zhǎng)焊帶都會(huì)效率損失;BOS成本更省,M10組件電流與功率均高于G12組件,因此組串功率更高,疊加效率更高,系統(tǒng)端的優(yōu)勢(shì)非常明顯。根據(jù)測(cè)算:M10相比G12在應(yīng)用固定支架時(shí)可至少節(jié)省2.5分/W的BOS成本,應(yīng)用跟蹤支架時(shí)可至少節(jié)省5分/W的BOS成本;產(chǎn)品制造上,M10的電池效率與良率高,G12還存在很大問題;組件端M10一方面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,一方面功率更高,組件的成本明顯更低。

對(duì)于182mm是否應(yīng)做78片,如第3章的介紹,通過(guò)增加片數(shù)提高組件功率在系統(tǒng)端帶來(lái)的價(jià)值極其有限(因電壓提高,不改變串功率),組件進(jìn)一步變大卻帶來(lái)產(chǎn)品制造、熱斑、載荷等方面的困難與成本提升,所以開發(fā)意義不大,并非功率越高越好。

總結(jié)

本文具體分析了根據(jù)半導(dǎo)體硅片確定光伏硅片尺寸的邏輯謬誤,指出光伏硅片的尺寸選擇應(yīng)基于度電成本;在當(dāng)前的各環(huán)節(jié)成本結(jié)構(gòu)下,應(yīng)以光伏組件設(shè)計(jì)與系統(tǒng)應(yīng)用為中心;在系統(tǒng)價(jià)值方面本文提出單串功率是決定BOS成本的關(guān)鍵因素,這也是選擇把硅片做大而非增多的背后邏輯;綜合考慮各方面限制因素可明確最優(yōu)的組件尺寸再反推出182mm的硅片尺寸。

在此可以回答本文開篇提出的問題:182mm邊距的M10硅片是綜合全產(chǎn)業(yè)鏈價(jià)值推出的面向新晉產(chǎn)能的最優(yōu)產(chǎn)品規(guī)格,并非過(guò)渡產(chǎn)品而是將終結(jié)尺寸之爭(zhēng),新上電池、組件產(chǎn)能支持到182mm足矣。


原標(biāo)題:大功率組件的開發(fā)思考暨光伏硅片變大的邏輯 
 
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