高性能单晶硅光伏组件选型研究
时间：2022-12-02 20:50:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
王韶纤，贺广零，胡海罗，张德晶，赵前波，赵文超
(湖南三一智慧新能源设计有限公司，长沙 410100)
光伏组件是光伏电站的重要组成部分，其性能优劣会直接影响光伏电站的发电量，因此选择一款高性能光伏组件尤为重要。但由于当前市场上的光伏组件类型繁多、技术路线多样，高性能光伏组件的选型思路不清晰，比选流程较长，需要计算出采用各款光伏组件时光伏电站的平准化度电成本(LCOE)，才能直观地对各款光伏组件的性价比进行比较[1-13]。此类选型思路不利于快捷、高效地比选出一款高性能光伏组件，因此亟需对当前光伏组件的市场情况、技术路线进行系统梳理，归纳出高性能光伏组件的比选流程。本文以光伏组件市场情况、太阳电池类型、光伏组件生产工艺作为光伏组件选型中的重点参考因素，针对各因素对光伏组件选型的影响进行了详细的分析；
然后在此基础上引入新的指标——效率性价比对光伏组件的性价比进行评估，以其作为光伏组件选型的指标，并对高性能光伏组件的比选流程进行了系统梳理。以地面光伏电站和屋面光伏电站的光伏组件选型过程为例，对所述高性能光伏组件的选型过程进行了展示，并对效率性价比作为光伏组件选型参考指标的有效性进行了验证。
需要说明的是，本文研究的光伏组件均为单晶硅光伏组件。
1.1 光伏组件市场情况
1.1.1 出货量调研
光伏组件出货量可以作为评价光伏组件技术路线成熟度、售后服务完善度的重要综合性指标。本文调研了近年中国各光伏组件生产企业的光伏组件出货量情况，并按照出货量情况对各光伏组件生产企业进行了排序，前10位如表1所示。
1.1.2 头部企业主流产品调研
根据表1中各企业的光伏组件出货量排名情况，对排名前5位的头部企业的主流光伏组件产品的技术特点进行调研及统计，调研时间从2020年1月开始，截止至2021年12月。各头部企业的主流光伏组件产品的信息统计表如表2所示。
表1 中国光伏组件生产企业出货量排名Table 1 Shipment ranking of PV module manufacturers in China
从表2可以看出：经市场调研，对于地面光伏电站而言，J、K、A、S这4家生产企业的主推光伏组件的推荐额定功率集中在540～545 W；
而H的主推光伏组件的推荐额定功率集中在650～655 W。
表2 各头部企业的主流光伏组件产品的信息统计表Table 2 Information statistics table of mainstream PV module products of each leading manufacturers
对于屋面光伏电站而言，J、A、S这3家生产企业的主推光伏组件的推荐额定功率集中在450～455 W，K的主推光伏组件的推荐额定功率集中在470～475 W，H的主推光伏组件的推荐额定功率为500～505 W；
各生产企业均宣称额定功率在545 W左右的单面光伏组件也适用于屋面光伏电站。
(续表)
各企业生产的光伏组件额定功率不尽相同，主推产品也不同。主要原因在于：
1)各生产企业针对不同应用场景开发了不同额定功率范围的光伏组件产品。地面光伏电站受光伏组件尺寸的约束较小，因此该应用场景下的主推光伏组件的推荐额定功率较大。屋面光伏电站由于受搬运、安装、障碍物分布的影响，其采用的光伏组件尺寸、重量受更多约束，因此该应用场景下的主推光伏组件的推荐额定功率相对较小。
2)不同额定功率光伏组件的良品率服从正态分布。各生产企业的品控差异造成了不同额定功率光伏组件的良品率存在差异，各生产企业必会结合自身情况主推良品率最高的光伏组件。
3)生产技术优化带来光伏组件光电转换效率与额定功率的提升。在高额定功率光伏组件良品率未超过生产企业当前主推光伏组件的良品率时，生产企业仍会主推较低额定功率的光伏组件，而新推出的高额定功率光伏组件的良品率会随着品控能力的提升而得到提升。
综上所述，光伏组件选型宜选择生产企业主推的产品，可以保证产品的质量。
1.2 太阳电池类型
单晶硅太阳电池是当前光伏组件市场上主流的太阳电池产品类型。目前，市场上单晶硅太阳电池的主流技术路线包括：PERC、HJT、TOPCon。
目前，PERC单晶硅太阳电池的实验室光电转换效率为24.03%，量产光电转换效率为22.5%～23.5%，是当前主流太阳电池技术路线；
HJT单晶硅太阳电池的实验室光电转换效率可达26.3%，量产光电转换效率为23.50%～24.00%；
TOPCon单晶硅太阳电池的实验室光电转换效率可达25.53%，量产光电转换效率为23.5%～24.5%。
但HJT单晶硅太阳电池与TOPCon单晶硅太阳电池的产量较低，价格较高，因此，在选型时应首选PERC单晶硅太阳电池。
1.3 光伏组件生产工艺
业内现行高效光伏组件的生产工艺包括：半片技术、MBB技术、叠瓦技术、双面技术、双玻技术。每一项生产工艺都可以提高光伏组件的光电转换效率或延长其工作寿命。
1)半片技术的原理是利用电流减半来降低光伏组件的工作温度，采用特殊串并联结构减少光伏组件阴影遮挡损失。该技术降低了光伏组件产生热斑的几率及由于升温带来的功率损耗。
2) MBB技术是指光伏组件上单块太阳电池所连接栅线根数大于等于6根的技术。该技术有效降低了光伏组件的工作温度，提高了光伏组件的长期发电性能，并增强了太阳电池的机械性能。
3)叠瓦技术是采用无主栅设计，太阳电池交叠互联，无焊带。采用该技术的光伏组件具有良好的抗热斑、抗裂性能，但产量较低，成本较高。
4)双面技术是在光伏组件背面采用金属浆料印刷细栅格，光伏组件背面由全金属层覆盖改为局部金属层覆盖，可以实现双面光电转换，增加光伏组件的发电量。
5)采用双玻技术制备的双玻光伏组件是由2块钢化玻璃、EVA胶膜和太阳电池经过高温层压组成的复合层。双玻技术降低了光伏组件的衰减率，增强了其机械性能、抗PID性能和抗热斑性能。
光伏组件的光电转换效率是表征光伏组件性能的重要指标，但在光伏组件选型时，不应仅参考光伏组件的光电转换效率，还应考虑光伏组件的单瓦价格。为更直观、快速地对光伏组件进行选型，本文在第1节内容所考虑因素的基础上，另外引入新的指标——效率性价比γ。
效率性价比的定义为：
式中：τ为光伏组件的光电转换效率，%；
C为光伏组件的每瓦价格，元/W。
效率性价比的值越大，代表光伏组件的效率性价比越高。根据式(1)的定义，计算整理了表2中列出的各型号光伏组件的效率性价比，具体如表3所示，可参考表中给出的效率性价比的值进行光伏组件选型。
表3 各型号光伏组件的效率性价比统计Table 3Statistics of efficiency cost performanceratio of various models of PV modules
1)选择企业梯队。光伏电站的光伏组件选型需要考虑市场上不同类型光伏组件的市场占有率、产能、技术路线等因素的影响，从而确定光伏组件生产企业。
2)选择产品技术路线。在确定企业梯队后，进一步分析技术路线，选择太阳电池类型。根据前文论述，应首选PERC太阳电池。
3)分析项目类型及场址环境，进行光伏组件类型初筛。在初步选定太阳电池类型之后，再综合考虑光伏电站所在地的太阳辐照度、气象条件、阴影遮挡等情况，结合项目类型进一步对比各光伏组件的生产工艺，选择该项目较适宜的光伏组件类型。
4)效率性价比比选。在结合上述太阳电池类型及光伏组件生产工艺的基础上，参照表3中计算所得的效率性价比进行光伏组件选型，选择效率性价比最高的光伏组件。
针对屋面光伏电站的光伏组件选型，还应考虑屋面的障碍物、周边建筑、树木等在屋面上的阴影分布情况，优先保证屋面光伏电站的装机容量最大化。针对水面光伏电站的光伏组件选型，还应考虑光伏组件的抗PID性能。
光伏组件选型流程图如图1所示。
图1 光伏组件选型流程图Fig.1 Flow chart of PV module selection
4.1 项目概况
以某拟建的交流侧装机容量为100 MW地面光伏电站的高性能光伏组件选型为例进行分析，该项目位于青海省海西蒙古族藏族自治州格尔木市附近，地理位置为 36°24′ 27.55′′ N、95°12′46.18′′ E。拟建地面光伏电站场址的地形地貌如图2所示。
图2 拟建地面光伏电站场址的地形地貌图Fig.2 Topographic map of site of proposed ground PV power station
本项目选用Meteonorm数据作为太阳辐照度数据源，项目所在地光伏组件最佳安装倾角下的各月太阳辐射量情况如表4所示。
表4 项目所在地光伏组件最佳安装倾角下各月太阳辐射量情况Table 4 Monthly solar radiation at the optimal installation inclination angle of PV modules at project site
从表4可以看出：该项目所在地太阳能资源条件较好，属于I类太阳能资源区。
4.2 光伏组件初选
4.2.1 确定企业梯队
根据前文对当前光伏组件市场的分析，本案例选择表1中出货量前5名的光伏组件生产企业——J、K、H、A、S作为首选企业。
4.2.2 确定产品技术路线
根据前文对当前主流太阳电池技术路线的分析，应首选PERC太阳电池，即光伏组件类型选择PERC光伏组件。为对比PERC光伏组件在成本上的优势，同时选取TOPCon光伏组件和HJT光伏组件作为对照组。其中：TOPCon光伏组件选择K生产的一款；
由于前5家企业暂无在售的HJT光伏组件，因此HJT光伏组件选择R生产的一款。
4.2.3 确定光伏组件生产工艺
本项目所在地的光照资源条件较好，地势开阔平坦，且位于戈壁滩上，地面反射条件较好，故光伏组件生产工艺选用双面技术，以增大光伏电站发电量；
由于项目所在地的风沙较大，故选用双玻技术，以增强光伏组件的机械防护性能；
由于沙漠地区午间温度较高，故选用半片技术。综上所述，最终选择了双面双玻半片PERC光伏组件。
4.2.4 光伏组件型号初选结果
通过前文分析，确定的光伏组件型号初选结果如表5所示。其中：M6与M7为对照组，分别为TOPCon光伏组件与HJT光伏组件。
表5 备选光伏组件重点技术参数表Table 5 Table of key technical parameters of alternative PV modules
4.3 采用PVsyst仿真计算进行验证
4.3.1 逆变器型号
本项目的装机容量较大，而且地形平坦，因此选择了阳光电源股份有限公司(下文简称为“阳光电源”)生产的箱逆变一体机SG-3125-HV-20。
4.3.2 光伏阵列运行方式
本项目场址地形平坦，故采用固定倾角式光伏支架，光伏方阵方位角为0°。采用PVsyst软件对光伏电站发电情况进行模拟仿真，根据仿真结果，本项目所在地光伏方阵安装倾角为33°时的发电量最高，因此，选择33°作为最佳安装倾角。
4.3.3 地面光伏电站布置方案参数
对上述7种型号光伏组件按照交流侧100 MW典型地面光伏电站的设置进行布置，容配比约为1.2。整个地面光伏电站的布置方案参数如表6所示。
表6 整个地面光伏电站的布置方案参数表Table 6 Parameters table of layout scheme of whole ground PV power station
4.3.4 发电量计算
根据各光伏组件生产企业提供的M1～M7光伏组件的盘文件，利用PVsyst软件计算该地面光伏电站分别采用7种型号光伏组件时的发电量情况(以首年发电小时数表征发电量情况)，计算结果如表7所示。
表7 采用不同型号光伏组件时地面光伏电站的发电量情况Table 7 Power generation of ground PV power station when different model of PV modules are used
从表7可知：7种型号光伏组件中，M6光伏组件的首年发电小时数最高，为1953 h，但该型号光伏组件的效率性价比并非最高，这是因为该型号光伏组件为TOPCon光伏组件，价格较高。对比同样是PERC光伏组件的M1～M5光伏组件，M3光伏组件的首年发电小时数最高，为1950 h；
但M5光伏组件的效率性价比最高，为11.367，这是因为M5光伏组件的价格较低。
4.4 各型号光伏组件的经济性评价
根据2021年第3季度的光伏电站建设成本水平，对该地面光伏电站采用各型号光伏组件时的投资水平及财务评价进行分析，得到的经济性评价如表8所示。
从表8可知：该地面光伏电站分别采用不同型号的光伏组件时，采用M5光伏组件时的LCOE最低，且其效率性价比最高。因此，应选择M5光伏组件。
表8 采用各型号光伏组件时地面光伏电站的经济性评价Table 8 Economic evaluation of ground PV power station when various models of PV modules are used
4.5 效率性价比指标的有效性评价
针对该地面光伏电站，分别按照效率性价比和LCOE这2种排序原则对各型号光伏组件进行优选排序，结果如表9所示。
表9 不同排序原则下光伏组件的优选排序Table 9 Preferred order of PV modules under different ranking principles
从表9可以看出：根据不同排序原则得到的光伏组件优选顺序基本一致，区别主要在于M1、M3、M4光伏组件的顺序。该地面光伏电站采用M3与M4光伏组件时的LCOE低于其采用M1光伏组件时的，这是因为采用M3与M4光伏组件时光伏电站的发电量高于采用M1光伏组件时的。结合文献[14]中的其他选型案例分析，说明效率性价比具有一定的普适性，可以作为地面光伏电站进行光伏组件选型的评价指标。
5.1 项目概况
以某拟建的屋面光伏电站的高性能光伏组件选型为例进行分析。该项目位于湖南省常德市三一重工园区5#厂房，地理位置为28.91°N、111.7°E，屋面面积约为27000 m2，屋面类型为彩钢瓦。拟建屋面光伏电站的场址环境和屋面阴影分布情况分别如图3、图4所示。
图3 拟建屋面光伏电站的场址环境Fig.3 Site environment of proposed roof PV power station
图4 拟建屋面光伏电站的屋面阴影分布情况Fig.4 Distribution of roof shadow of proposed roof PV power station
本项目选用Meteonorm数据作为太阳辐照度数据源，项目所在地各月太阳辐射量情况如表10所示。从表10可以看出：该项目所在地的太阳能资源条件一般，属于IV类太阳能资源区。
表10 项目所在地各月太阳辐射量情况Table 10 Monthly solar radiation of project site
5.2 光伏组件初选
5.2.1 确定企业梯队
根据前文对当前光伏组件市场的分析，本案例选择表1中出货量前5名的光伏组件生产企业——J、K、H、A、S作为首选企业。
5.2.2 确定产品技术路线
根据前文对当前主流太阳电池技术路线的分析，应首选PERC太阳电池。
5.2.3 确定光伏组件生产工艺
本项目位于市郊，屋面材料为彩钢瓦，地面反射率较低，因此光伏组件生产工艺选择单面技术；
本项目环境条件较好，因此选择单玻技术；
由于屋面存在部分障碍物遮挡，易给光伏组件造成热斑效应，故选用半片技术。另外，屋面光伏电站的关键在于实现装机容量最大化，因此应根据屋面阴影的分布情况，对不同额定功率范围的光伏组件进行试布置并预估装机容量，选择大容量光伏组件。综上所述，最终选择了大容量单面单玻半片PERC光伏组件。
5.2.4 光伏组件类型初选结果
根据前文分析，初选了10种型号的光伏组件进行试布置，并预估对应的装机容量，具体如表11所示。
表11 光伏组件初选结果Table 11 Preliminary selection results of PV modules
由表11可知：10种型号光伏组件预估的装机容量相近。由于屋面光伏电站需受光伏组件搬运便利性、安装可靠性的影响，再结合屋面阴影的分布情况，进而筛选出尺寸更为合适的3种型号光伏组件，分别为N1、N4、N5光伏组件。
5.3 采用PVsyst仿真计算进行验证
5.3.1 逆变器型号
本项目宜采用组串式逆变器，因此选择阳光电源的SG-110-CX型号逆变器。
5.3.2 光伏阵列运行方式
本屋面为彩钢瓦屋面，因此屋面光伏支架选择固定卡扣；
光伏方阵方位角、光伏组件安装倾角与建筑物朝向保持一致，选择0°。
5.3.3 屋面光伏电站布置方案参数
对备选的3种型号的光伏组件按照屋面光伏电站的设置进行布置。整个屋面光伏电站的布置方案参数如表12所示。
表12 整个屋面光伏电站的布置方案参数表Table 12 Table of layout scheme parameters of whole roof PV power station
5.3.4 发电量计算
利用PVsyst软件计算该屋面光伏电站分别采用3个型号光伏组件时的发电量情况(以首年发电小时数表征发电量情况)，计算结果如表13所示。
表13 采用不同型号光伏组件时屋面光伏电站的发电量情况Table 13 Power generation of roof PV power station when different models of PV modules are used
5.4 各型号光伏组件的经济性评价
根据2021年第3季度的光伏电站建设成本水平，对该屋面光伏电站采用各型号光伏组件时的投资水平及财务评价进行分析，得到的经济性评价如表14所示。
表14 采用各型号光伏组件时屋面光伏电站的经济性评价Table 14 Economic evaluation of roof PV power station when various models of PV modules are used
综合表13、表14可以看出：该屋面光伏电站分别采用不同型号的光伏组件时，N5光伏组件的首年发电小时数最高，为864 h，但预估装机容量最低；
N1光伏组件的首年发电小时数次之，为858 h，且预估装机容量最大。综上所述，该屋面光伏电站应选择N1光伏组件。
5.5 效率性价比指标的有效性评价
屋面光伏电站宜以装机容量最大为光伏组件选型评价指标，在装机容量相同的情况下，效率性价比的值越大，光伏组件的性价比越高，因此效率性价比在屋面电站光伏组件选型中同样具有参考价值。
本文从光伏组件市场情况、太阳电池类型、光伏组件生产工艺3个方面，针对不同因素对光伏组件选型的影响进行了详细分析，在此基础上引入效率性价比指标对光伏组件的性价比进行评估，并对高性能光伏组件的比选流程进行了系统梳理。研究结果表明：
1)本文归纳出的高性能光伏组件选型流程可以提高光伏组件比选的效率，按此流程比选得到的最优光伏组件可以被认为是高性能光伏组件，这对实际光伏发电工程中的光伏组件选型具有重要指导价值。
2)本文提出的新指标——效率性价比可以作为地面光伏电站与屋面光伏电站中光伏组件选型的参考指标，其可以更直观、具体地比较不同型号光伏组件的性价比。
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