Ⅰ背景：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(chǎn)業(yè)鏈制造成本的影響；另一方面是從組件應(yīng)用的角度考量硅片尺寸對組件尺寸、電參數(shù)及組件在系統(tǒng)端應(yīng)用的影響。
早期光伏電池類似于半導(dǎo)體芯片，設(shè)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(chǎn)業(yè)逐步成熟，開始與半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)分道揚(yáng)鑣，沿著低成本的路線快速發(fā)展，如今每瓦的制造成本不到0.2元，降低了數(shù)十倍；硅片/電池尺寸也獨(dú)立演化出了M1(156.75-Φ205mm)、M2(156.75-Φ210mm)、M4 (161.7-Φ211mm)等規(guī)格，同時(shí)硅片厚度持續(xù)減薄。
行業(yè)主流硅片尺寸在156.75mm上穩(wěn)定數(shù)年后，又出現(xiàn)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(chǎn)線，獲得立竿見影的成本節(jié)省；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(tǒng)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(jié)省。
隨著光伏產(chǎn)業(yè)鏈的大規(guī)模擴(kuò)產(chǎn)，光伏企業(yè)可以跳出產(chǎn)線兼容性的限制考慮一款新的尺寸，有企業(yè)推出了與半導(dǎo)體規(guī)格一致的12英寸硅片，提出了G12(210-Φ295mm)規(guī)格，旨在進(jìn)一步降低電池制造成本，同時(shí)通過更大尺寸的高功率組件來降低系統(tǒng)成本。而M10(182-Φ247mm)規(guī)格推出的邏輯則是認(rèn)為：不同于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈，光伏電池的制造成本因其目前在產(chǎn)業(yè)鏈成本占比較低，已不是尺寸變化的核心考量因素；應(yīng)綜合考慮光伏組件設(shè)計(jì)、應(yīng)用的各項(xiàng)邊界條件，由最優(yōu)組件尺寸反推硅片尺寸。經(jīng)過對全產(chǎn)業(yè)鏈(制造、運(yùn)輸、安裝、發(fā)電性能與系統(tǒng)匹配各環(huán)節(jié))的深入分析，M10規(guī)格應(yīng)運(yùn)而生。
(注：半導(dǎo)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(jié)省高額的芯片加工成本)
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Ⅱ設(shè)計(jì)思路：組件尺寸的邊界條件
▲ 01.組件的包裝運(yùn)輸
圖1. 182組件采用側(cè)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(xiàng)目現(xiàn)場可平穩(wěn)放置
光伏組件通常采用短邊垂直于地面的側(cè)立包裝方式，因平放會(huì)因運(yùn)輸中的振動(dòng)導(dǎo)致組件隱裂乃至破損；側(cè)立則保障了運(yùn)輸?shù)目煽啃詥栴}，同時(shí)長邊著地使組件在項(xiàng)目現(xiàn)場放置時(shí)具有較好的穩(wěn)定性；豎立的包裝則穩(wěn)定性差易傾倒且增加拆包裝的難度。
在海運(yùn)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(xiàng)目現(xiàn)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:
▲ 02.組件的人工搬運(yùn)、安裝
此前光伏組件尺寸、重量在一定范圍內(nèi)增大，人工搬運(yùn)、安裝成本確實(shí)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(dǎo)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(yùn)在平坦地形下仍可穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)。但組件寬度不宜進(jìn)一步加寬避免影響搬運(yùn)的平穩(wěn)性。
單人頻繁搬運(yùn)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(shù)，即兩人搬運(yùn)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(nèi)，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(shí)間的搬運(yùn)與安裝工作，相對于目前主流的72c-166組件可節(jié)省人工成本。
圖2. 182組件的尺寸與重量基本達(dá)到兩人便利搬運(yùn)、安裝的上限
▲ 03.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(jié)構(gòu)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(tài)載荷、動(dòng)態(tài)載荷的能力均會(huì)顯著降低，在實(shí)驗(yàn)室測試與戶外應(yīng)用條件下易出現(xiàn)邊框破壞、玻璃爆裂、大量隱裂導(dǎo)致組件衰減過高等情況。
根據(jù)理論分析，182組件的邊框應(yīng)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(yīng)力模擬)，且寬度增加帶來應(yīng)力上升明顯高于長度增加的結(jié)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(fēng)險(xiǎn)控制的角度，組件組件尺寸尤其是寬度不宜再進(jìn)一步增加。
圖3. 182組件的機(jī)械載荷能力處于安全界限之內(nèi)，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
Ⅲ：產(chǎn)品情況
▲ 01.尺寸、重量、電參數(shù)
如上一節(jié)的分析，根據(jù)組件尺寸與重量上的限制條件，保持經(jīng)典的半片組件版型設(shè)計(jì)，可反推出大約182mm的硅片邊長。182(M10)硅片面積為8253.75px2，相比6853.749999999999px2的166(M6)硅片增大20.4%，因此組件的面積、重量、電流相應(yīng)提升，以下列出了72C的182與166組件典型參數(shù)：
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(yīng)用場景的組件解決方案。
▲ 02.量產(chǎn)情況
182組件是跳出產(chǎn)能兼容性限制，針對電池、組件新產(chǎn)能所打造的標(biāo)準(zhǔn)化尺寸，是繼166之后新的行業(yè)最大公約數(shù)，截止2021年底隆基、晶科、晶澳均布局了至少30GW電池與組件產(chǎn)能，全產(chǎn)業(yè)的182電池與組件產(chǎn)能超過100GW。
首批182組件已于2020年Q4大規(guī)模量產(chǎn)、供貨，由于組件尺寸變化低于20%，因而保持了很高的產(chǎn)業(yè)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(zhuǎn)換效率、良率也迅速達(dá)到與166相同的水平；雙面組件量產(chǎn)功率535/540Wp，組件載荷能力、熱斑溫度等均在安全邊界內(nèi)。
▲ 03.產(chǎn)業(yè)鏈配套與產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化
182組件在尺寸與電流上有一定變化，對組件BOM與系統(tǒng)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(chǎn)能均可兼容1.13m寬幅玻璃，膠膜與背板的供應(yīng)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(gè)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(shí)間運(yùn)行下的可靠性。
系統(tǒng)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(fā)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(diào)整實(shí)現(xiàn)，無需改變核心的IGBT芯片，產(chǎn)品可向下兼容166等組件，避免了產(chǎn)品的碎片化與核心元件變更的風(fēng)險(xiǎn)。
182組件長度與寬度增加約9%，跟蹤支架通過適度的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)可承載相同組串?dāng)?shù)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(jié)中所述，考慮到風(fēng)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(yīng)用更寬的組件(尤其是2P跟蹤支架)。
Ⅳ：系統(tǒng)端價(jià)值
高功率組件的BOS成本節(jié)省主要源自3個(gè)方面：A-采用大支架設(shè)計(jì)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(chǔ)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。
圖4. 地形起伏大時(shí)單體支架長度受限，平坦地形則可以設(shè)計(jì)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(yùn)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(yīng)用場景，通過結(jié)合超長支架設(shè)計(jì)、優(yōu)化的樁基礎(chǔ)間距顯著節(jié)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(shè)計(jì)，通過調(diào)整單支架上的組串?dāng)?shù)可適應(yīng)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(jì)算)：
與固定支架類似，跟蹤支架在結(jié)構(gòu)長度上存在限制，進(jìn)一步增大組件尺寸、增大串功率將導(dǎo)致單支架上的組串?dāng)?shù)減少，無法提高單體跟蹤支架承載的總功率，也就無法節(jié)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(shí)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(diǎn)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?yún)R流箱(或組串式逆變器)，電纜成本還會(huì)有進(jìn)一步節(jié)省。
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(guān)系曲線
人工成本方面如第2節(jié)所述，兩人搬運(yùn)、安裝的光伏組件重量有一定極限值，超出極限值的長時(shí)間工作將導(dǎo)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(jīng)TüV北德驗(yàn)算結(jié)果如下(未考慮人工安裝成本上的差異)：
(條件設(shè)定：風(fēng)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(diǎn)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)
2P固定支架的測算結(jié)果符合預(yù)期：182組件在BOS成本上相比166組件具有明顯優(yōu)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(yōu)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(chǔ)成本上略有優(yōu)勢。
以下進(jìn)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(yōu)勢在支架與基礎(chǔ)成本、土地成本上略有優(yōu)勢。寬度過寬的組件由于無梁安裝時(shí)載荷能力較差、4L安裝時(shí)最上面一排組件安裝非常困難而沒有納入對比。
組件工作電流過高會(huì)導(dǎo)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(guān)于半片組件與整片組件的工作溫度對比分析已經(jīng)證明了此點(diǎn)。
晶澳聯(lián)合TüV北德就超大電流組件與182組件的發(fā)電能力在銀川國家光伏實(shí)驗(yàn)基地做了對比研究，目前已獲得兩個(gè)月的數(shù)據(jù)（2021年2月19日~2021年4月20日），結(jié)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(shí)182組件的單瓦發(fā)電量相對超大電流組件平均高出1.6%左右，體現(xiàn)出了較為明顯的發(fā)電性能優(yōu)勢。
圖6. 超大電流組件與182組件發(fā)電量及典型日工作溫度對比
此外，在2021年TüV萊茵第7屆質(zhì)勝中國光伏盛典中，晶澳與隆基參與評比的182組件分別獲得單晶單面組與單晶雙面組發(fā)電仿真優(yōu)勝獎(jiǎng)，進(jìn)一步印證了182組件優(yōu)秀的發(fā)電性能 (TüV萊茵從量產(chǎn)的1000塊組件中抽取5塊組件測試Pan文件，模擬全球5個(gè)地點(diǎn)的發(fā)電量)。
Ⅴ：應(yīng)用案例展示
圖7. 全球不同場景的182組件應(yīng)用案例
Ⅵ：總結(jié)
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(tǒng)可靠性是保障客戶投資回報(bào)，實(shí)現(xiàn)客戶價(jià)值的基礎(chǔ)。
182組件是基于對全產(chǎn)業(yè)鏈價(jià)值、光伏組件尺寸增大的各項(xiàng)邊界限制條件的深入分析所提出的最具度電成本優(yōu)勢的組件解決方案。在不提升效率的情況下，靠繼續(xù)增大組件尺寸來實(shí)現(xiàn)更高功率，對系統(tǒng)成本下降已經(jīng)沒有幫助，同時(shí)會(huì)帶來可靠性風(fēng)險(xiǎn)的顯著增加，因而這種做法已經(jīng)失去了價(jià)值。
尺寸本身并不是光伏的核心技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)化的組件尺寸有利于制造設(shè)備、輔材、逆變器、跟蹤支架等光伏產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的工作重心回到技術(shù)創(chuàng)新之上。光伏電池和組件技術(shù)工作的重心應(yīng)回歸到進(jìn)一步提升轉(zhuǎn)換效率的主航道上。
晶澳太陽能科技股份有限公司
晶科能源控股有限公司
隆基綠能科技股份有限公司
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2021年5月
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