高性能单晶硅光伏组件选型研究

  以光伏组件市场情况、太阳电池类型、光伏组件生产的基本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了新的指标——效率性价比对光伏组件的性价比做评估，以其作为光伏组件选型指标，并对高性能光伏组件的选型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，展示了高性能光伏组件的选型过程，并对以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。研究根据结果得出：所提出的高性能光伏组件选型流程能提高比选高性能光伏组件时的效率，且效率性价比这一指标在地面光伏电站与屋面光伏电站的光伏组件选型中均具有参考价值。

  关键词：光伏发电；光伏组件选型；光电转换效率；效率性价比；平准化度电成本

  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特别的重要。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作比较 [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、光伏组件生产的基本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做评估，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。

  光伏组件出货量可当作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公司进行了排序，前 10 位如表 1 所示。

  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。

  从表 2 能够准确的看出：经市场调查与研究，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。

  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。

  1) 各生产企业针对不一样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一定的差异，各生产企业必会结合自己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。

  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。

  业内现行高效光伏组件的生产的基本工艺包括：半片技术、MBB 技术、叠瓦技术、双面技术、双玻技术。每一项生产工艺都能大大的提升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时候的温度，采取了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 根的技术。该技术大大降低了光伏组件的工作时候的温度，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拥有非常良好的抗热斑、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，能轻松实现双面光电转换，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。

  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。

  1) 选择企业梯队。光伏电站的光伏组件选型需要仔细考虑市场上不一样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的基本工艺，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的基本工艺的基础上，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。

  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做多元化的分析，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。

  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。

  从表 4 能够准确的看出：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。

  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。

  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。

  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，故光伏组件生产的基本工艺选用双面技术，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比较高，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。

  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。

  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。

  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做模拟仿真，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。

  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。

  根据各光伏组件生产公司可以提供的 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取了 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。

  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，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，是因为 M5 光伏组件的价格较低。

  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做多元化的分析，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取了不同型号的光伏组件时，采用 M5 光伏组件时的

  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。

  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 屋面光伏电站的高性能光伏组件选型案例分析

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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°。

  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。

  (以首年发电小时数表征发电量情况)，计算结果如表13所示。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。6 结论

  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、具体地比较不相同的型号光伏组件的性价比。