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雙面光伏組件:降低發電成本的新興升級技術

“雙面”(bifacial)已經成為目前光伏領域的又一大熱詞,它預示著一種新的技術趨勢。雙面技術是指正面和背面均可受光的太陽能電池片或太陽能組件。這并不是一項全新的技術:自1994年以來,雙面組件便一直用于高速公路聲屏障等應用。 如今,由于多方面的原因,雙面技術越來越受青睞。歸結為一點,就是組件廠商正在努力提高組件性能,創造附加值。

這背后的想法非常簡單:由于太陽直射光來自一個方向,因此光伏行業早期關注的主要是單面組件——即只有一面受光的組件。事實證明,哪怕到目前為止,單面組件也完全能夠滿足大多數應用的要求,因為即使在光伏發展早期,屋頂也被視為光伏系統的主要安裝位置。顯然,屋頂需要某種形式的覆蓋物:它們通常不會被遮擋,并且背面不接收太陽輻射。因此,單面“太陽能瓦片”或太陽能組件在這種情況下是可行的。

后來,光伏在美國、日本和德國開始大行其道。在這些地區,光伏組件所接收的陽光通常70%為直射光,約20%為散射光,只有約10%來自背面。而如今,美國“陽光地帶”的光伏系統越來越多地采用垂直安裝方式,因為這些地區的地面反射率(即“反照率”)通常更高。因此,當地的光伏系統越來越重視被地面反射的太陽輻射。

光伏組件的安裝方式變得越來越多樣化:

雙面光伏組件:降低發電成本的新興升級技術

A1)常規的傾斜安裝或自動跟蹤光伏系統:對于這類系統來說,非常重要的一點在于組件背面不能被安裝支架系統或電纜導管遮擋,并且安裝高度不能太低。

水面漂浮式光伏系統是一種比較有趣的光伏應用,其中光伏組件安裝在浮筒上,這樣水面的高反射率就能夠得到充分利用。此外,組件下方的陰影區域更加涼爽,為魚類提供了適宜的生長環境。這樣,水域就可以同時用來養魚和發電,實現漁光互補。

A2)水平安裝:適用于需要架高安裝的光伏系統,例如安裝在農田上方或用作車棚及遮陽蓬等。這種安裝方式在多風地區比較有優勢。組件本身并不形成連續的表面,彼此之間留有間隙。

A3)垂直安裝:污垢不會附著在組件上,并且很容易被雨水沖掉。但是,如果將單面組件垂直安裝在緯度45°以下的地區,其發電量會顯著降低。如果是東西向垂直安裝的雙面組件,情況就不一樣了。

沙漠地區的反照率較高,同時存在嚴重沾污風險,因此垂直安裝可能是兼顧解決清潔問題和保持發電量不變的理想選擇。

聲屏障、分隔墻以及類似的戶外裝置非常適合與太陽能組件相結合。如果組件的安裝高度足夠高,那么其下方還可以種植作物,實現農光互補。

雙面組件的正面發電量比單面組件低3%左右,因為陽光會直接從雙面組件的電池片之間穿過,而無法像單面組件那樣被白色背板反射回來。

衡量光伏組件價值的度量單位是峰瓦(Wp)。這很容易理解,因為單面光伏系統的發電量大體上與裝機容量成正比,而且系統平衡部件(BOS)成本很大程度上也取決于裝機容量。因此,組件廠商不斷努力提高其光伏組件的性能。然而,隨著市場發展,競爭變得愈發激烈,組件廠商需要以更低的價格挖掘細分市場。

雖然絕大多數的光伏系統都是在工業環境中安裝,如安裝在大型工業屋頂或大面積土地上,不過光伏系統所發的電能經常在自由電力市場上交易。這意味著除了用“美元/瓦”來表示系統成本以外,光伏系統的發電成本(度電成本)也變得日益重要。

如今,憑借先進的電池片技術,太陽能電池片背面無需進行鋁背場處理,且不會造成性能損失——這為雙面電池片創造了條件。在單位裝機容量相同的情況下,雙面光伏系統的發電量遠超單面系統。測量結果顯示,在相同的單位裝機容量下,前者的發電量比后者高10%至30%。由于沙漠等太陽輻射強度和地面反射率均非常高的地區對于光伏系統的需求不斷增長,雙面發電解決方案越來越受到青睞。

即使雙面技術的需求增長首先來自上述地區光伏應用的推動,但隨之而來的雙面太陽能組件的加速開發和生產,也令其它地區的光伏系統受益匪淺。未來,雙面組件將主導光伏建筑一體化系統以及其它組合應用,如農光互補、光伏遮陽蓬或光伏車棚等。

單面組件與雙面組件的發電量對比:

為了比較不同的組件技術,在同一位置對采用不同技術的各個組件進行測量。其中,雙面組件以不遮擋背面的方式安裝

雙面光伏組件:降低發電成本的新興升級技術

上圖顯示了采用以下技術的各個組件的單位發電量:

● 單面鋁背場(對照組,設為100%)

● 灰色:雙面PERT

● 藍色:雙面HJT/SWCT(異質結電池片結構/SmartWire智能網柵連接技術)

上述組件對比試驗所選取的位置包含了所有可能會影響發電量的因素:正面與背面輻照涵蓋所有光譜效應和溫度。自然狀態下,地面的年平均反照率約為24%,偏差僅為2%左右。因此,該對比測量極其精確,比當前模擬程序的計算結果要可靠得多。在阿布扎比,梅耶博格HJT/SWCT組件的單位發電量平均比單面標準組件(Al-BSF)高出37%,比一線廠商的雙面PERT組件高出12%。

組件每周清洗一次。

在多排光伏系統中,還必須考慮其它因素,并且背面的相互遮擋可能會降低發電量。這在很大程度上取決于光伏系統的設計,并且應當使用最新的模擬程序進行計算。在實驗室及戶外環境中完成測定的單個組件可作為模擬的最小測試單元。

到目前為止,所有光伏組件每天都遵循相同的模式:上午和下午幾乎沒有電能輸出,中午的發電量最高。雙面系統可以通過東西向安裝避開這一模式:東側上午發電,西側下午發電。中午時分,當太陽位于光伏組件正上方時,雙面組件接收的散射太陽輻射減少,發電量隨之略微降低。這樣可以在電網負荷高峰時段以更高的價格供電,同時避免在中午電網電力充足的情況下被限電。

雙面光伏組件:降低發電成本的新興升級技術

典型大型光伏系統的成本組成如下:

雙面光伏組件:降低發電成本的新興升級技術

太陽能組件仍然是當前最大的成本要素,盡管它占系統總成本的一半不到。同時,組件為系統提供了最大的優化潛力,而安裝系統等要素能夠節約的成本則相對微不足道。即使是單面系統,通過自動跟蹤太陽也可以將發電量提高10%到20%;與之相比,安裝自動跟蹤器的雙面系統在單位發電量增幅方面略勝一籌,因為雙面組件能夠較好地捕獲背面的散射光。自動跟蹤功能不僅能夠優化組件正面對于直射光的利用,還可以加強組件背面對于散射光的利用——大約提高3%左右。

即使組件廠商將3%的反射率損失轉嫁到雙面組件的價格中,使雙面系統的成本略微增加,也可以通過安裝自動跟蹤系統來提高發電量得到補償。如上文所述,雙面組件的發電量可提高10%至30%。

迄今為止,全鋁背場金屬化已經成功地應用于太陽能電池片生產,以避免電池背面的串聯電阻損失。這種鋁背場提高了太陽能電池片的轉換效率,而金屬化背面則具有一定程度的光反射功能。

目前,我們正在經歷全面的技術升級:將至今仍在使用的鋁背場技術升級到PERC(鈍化發射極背面接觸)技術。首先,這是正常的技術進步:只需增加兩道工序即可對現有系統進行升級,從而將太陽能電池片的輸出功率提高1%(絕對數)或5%(相對數)。

鋁背場技術的重要特征在于一開始必須對電池片背面進行全面鈍化,而升級后就不再需要這一工序。起鈍化作用的介電層同時充當內部鏡面,用于反射從正面射入電池片內的長波光。這種電池片在生產時可以同時完成全面金屬化和背面輔柵印刷。盡管升級后的PERC電池片的雙面因子(正面輸出功率與背面輸出功率的比值)只有60%至80%左右,但較低的金屬化漿料用量可以降低電池片生產成本。

隨著全球產量增加,PERC技術有望進一步發展:

● 通過金剛線切割工藝降低硅片制造成本(梅耶博格DW288金剛線切割機功不可沒)

● 隨著市場不斷發展,N型硅和N型材料的價格有望進一步降低

● 隨著市場不斷發展,雙玻組件技術將不斷完善

● 面向高度鈍化技術(如鈍化接觸(PERL、PERT)和HJT)的設備技術

梅耶博格系統案例:實現從鋁背場至PERC的技術升級

迄今為止,采用梅耶博格技術完成PERC升級的機臺總產能超過了30 GW。

PERC工藝(通過2個生產系統完成升級):

雙面光伏組件:降低發電成本的新興升級技術

完整的PERC生產線

A:硅片檢測;B:損傷層去除/制絨;C:擴散;D:去PSG(磷硅玻璃);E:MAiA背面沉積;F:SiNA正面沉積;G:激光;H:金屬化;I:測試和分選

雙面光伏組件:降低發電成本的新興升級技術

上述系統也可以通過對雙面PERC工藝(PERC+)進行少量改動實現升級:

這需要對太陽能電池片鍍膜的生產工藝方案進行細微調整,從而提高透明度,同時將背面印刷從全面印刷轉變為輔柵印刷。這兩種升級方案都可以利用現有生產設施快速進行,而無需增加額外的設備。

現有設施也非常適合未來的電池片技術升級,例如N型硅片材料與鈍化接觸相結合,包括雙面技術。這種升級轉換的成本效益極高,并且可以使雙面因子達到70%至80%左右。

新型高效太陽能電池片(如異質結電池片)在某種程度上屬于對稱設計,其實可以劃歸為雙面技術。此外,硅片表面鈍化能夠進一步提高轉換效率,實現極高的雙面因子、較高的電池電壓以及出眾的溫度系數。

與目前市場上的產品相比,新技術面臨的挑戰之一在于其競爭優勢。例如,只有當價值鏈(生產設備以及三甲基鋁(TMA)等耗材)成形且生產可靠性得到客戶認可時,現有生產設備才有可能升級為PERC設備。

雙面光伏組件:降低發電成本的新興升級技術

相較單面系統,雙面系統在設計時還要考慮一些額外因素,如地面反照率、組件安裝高度、安裝系統造成的陰影等。

不過,雙面組件的兩面都能夠受光發電。在輸出功率相同的情況下,雙面因子較高的組件在提升發電量方面明顯優于單面光伏系統。

只要遵循幾條設計原則,就可以最大程度地提升發電量。

反照率:如果太陽光被地面吸收,而不是被地面反射,那么背面的發電量就會減少。不過,即使是草和紅土,反照率也能達到10%。灰白色礫石的反照率約為15%至20%,沙漠的沙子為40%,白色表面的反照率約為60%。通過選擇合適的地面,可以獲得最佳反照率,從而提高發電量。同時,植被或積雪等因素對反照率具有季節性影響。

適當提高安裝高度,組件背面可吸收的地面反射光就越多。試驗和模擬結果顯示,當安裝高度超過0.8米時,發電量的增幅最小。不過,如果將組件直接放置在地面上,則會產生極其不均勻的背景光照。因此,組件下面部分的電池片的最大電流通常比最上面的電池片小10%。對于雙面系統來說,在規劃設計階段就應該考慮如何最大程度地消除這種不均衡性。過去兩年里,這方面的模擬程序發展得尤為迅猛。

雙面光伏組件:降低發電成本的新興升級技術

在給定單位面積太陽輻射的情況下,如果地表面積不影響成本,那么適當擴大組件/跟蹤器的行間距則更加有利。雖然這對于單面系統來說沒有什么區別,但對于雙面系統來說,稍微增大間距可以使背面散射光得到更有效的利用,從而提高發電量。在整體安裝規劃期間,雙面系統需要考慮的因素比單面系統多。

小結

雙面光伏系統與現有的光伏系統高度兼容,且發電量通常顯著高于單面系統。同時,由于太陽能電池片的制造成本略有下降,而且現代鈍化電池片本來就屬于雙面技術,不會產生額外成本,因此雙面系統頗具競爭力。

經認證適用于大規模生產雙面電池和組件的生產技術已經在市場上銷售,包括作為升級技術,將原來的背鈍化產線升級為PERC(PERC+)組件產線,以及新建生產設施,專門生產雙面HJT/SWCT組件。

雙面系統的規劃過程與單面系統毫無二致,只是有一些因素需要特別注意(如地面反射特性),這樣有助于提高發電量。

雙面組件還帶來了新的應用可能性,可以在特定的安裝區域發揮雙重效用。

總而言之,在發電量、安裝區域的雙重效用以及上網時間分配方面,雙面組件對于大多數應用來說都極為有利,因此有助于持續降低光伏發電成本。

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