地面光伏电站光伏组件的选择

地面光伏电站光伏组件的选择

常玺   李宏勇  李超

中油（新疆）石油工程有限公司设计分公司  新疆 克拉玛依 834000

摘要：近年来，油田积极响应国家“在沙漠、戈壁、荒漠地区加快规划建设大型风电光伏基地项目”的号召，按照“清洁替代、战略接替、绿色转型”三步走工作部署，一手抓油气增储上产，一手抓新能源发展，加快集中式地面光伏电站项目建设。光伏组件是光伏电站最重要的组成部分，光伏组件是新能源项目关键设备选型中需要重点研究的对象，本文通过对光伏组件类型及关键技术进行分析，通过案例分析，开展方案技术和经济比选，为后续地面光伏项目的光伏组件优选提供理论依据和指导。

关键词：光伏电站；光伏组件

1  引言

光伏组件是光伏电站最重要的组成部分，其成本占光伏电站建设总成本的40%以上，光伏组件选型的好坏将直接关系到整个光伏电站的质量、发电量、使用寿命和收益率等，随着光伏产业的快速发展，运用高效组件来降低度电成本已成为行业共识，新型高效组件也不断涌现，不同组件的转换效率、衰减特性、温度特性等有所差异。因此，选择最优的光伏组件是光伏项目设计选型的重要因素。光伏组件的选择应综合考虑目前市场光伏组件的量产、技术成熟度、可靠性、未来技术发展趋势等，并结合电站周围的自然环境、规划要求，经技术经济综合比选后，选择最优的光伏组件类型。本次主要针对光伏组件电池技术、组件功率等进行分析和比选，提出现阶段最优的光伏组件类型，指导后期光伏组件的选型。

2  光伏组件选择

2.1  光伏组件电池选择

电池是光伏发电核心部件，其技术路线和工艺水平直接影响光伏系统发电效率和使用寿命。单晶硅电池是目前市场上的主流产品，相比多晶硅，单晶硅发电效率更高，而且随着工艺的发展，生产成本也大幅下降。单晶硅光伏组件根据硅片原材料不同可以分为P型电池与N型电池。PERC就是钝化发射极背面接触。PERC电池由于制造工艺简单、成本低而在光伏项目应用最为广泛，P型PERC电池的平均转换效率在23.4%左右，从长期发展而言P型电池的转换效率已经接近了理论效率的天花板，制约了其进一步发展。

相比现阶段PERC产品，N型产品凭借其高双面率、高效率、优异的功率温度系数、低衰减等优势，助力光伏项目优质、可靠、高效发展。具体如下：

（1）更优的温度系数：从-0.35%/°C(P-型)到-0.29%/°C(N-型)，进一步降低电池工作温度对于发电性能的影响。

（2）更低的组件工作温度：相同的外部环境，N型产品日均工作温度低于P型PERC产品1℃以上，高温损耗降低；N型产品在高温地区带来更多的发电量（~2%较P型）。

（3）更低的LID/LETID：掺磷的N型晶体硅中硼含量极低，硅片纯度更高，少子寿命更长，显著降低了LETID，从0.9~1.2%(P-型)到0.4%(N-型) 并优化LID至< 0.5%。从而，确保N型组件拥有较低光衰效果。

（4）业内领先的线性质保：N型组件（单玻&双玻）提供30年线性功率质保，首年功率衰减≤1%，第2年至30年年均衰减≤0.4%。

（5）更高的背面发电能力：得益于N型电池性能结构，N型组件的双面率最高可以达到85%。

（6）可靠性更优异：经测试，N型组件各项指标均优于IEC相关测试标准，可靠性更优，长期收益更有保障。

（7）更优的弱光性表现：N型电池具有更长的少子寿命，天然具有更优的弱光相应。相较于传统PERC组件，N型组件对弱光的响应能力更优，早晚发电时长延长约1小时左右。尤其是在400W/m²以下的弱光条件，N型发电能力更具优势。

规模化生产的P型单晶电池，平均转换效率达到23.2%，已经越来越接近PERC电池效率极限，后续提升空间非常有限。N型TOPCon电池的平均转换效率达到24.2%，异质结电池的平均转换效率达到24.4%，IBC电池的平均转换效率达到24.1%。2023年P型电池占据光伏电池产业的主导地位，2024年N型电池因其具有转化效率高、光致衰减低、温度系数低等优势，已经具备较强的技术经济性优势。综上所述，本次选用N型光伏组件。

2.2  太阳电池性能技术比较

N型电池通过采用低离子注入等技术，精简产品工艺流程，提高产品良品率，使得N型单晶双面电池提高了组件单位面积10%～30%的发电量。N型单晶双面电池基于自身结构特性，具有双面光电转换效率高（正面电池转换平均效率＞21%，背面电池转换效率平均效率＞19%）、光衰减系数低、弱光响应高、温度系数低（温度系数≤0.4%）、工作温度低（工作温度可适应5～9℃）等5大优势。N型电池主要包括TOPCon、IBC、异质结（HJT）技术。

图1  各类电池光电转换效率对比

（1）TOPCon电池

TOPCon技术是一种基于选择性载流子原理的太阳能电池技术。它通过在电池表面添加一层超薄的二氧化硅(1~2nm)和一层掺杂的多晶硅层，形成钝化接触结构，有效降低表面复合和金属接触复合。TOPCon电池的特点是具有较高的开路电压(Voc)和填充因子(FF)，以及较低的复合电流(J0)。

TOPCon电池适用于需要高效率太阳能电池的场景，如大型光伏电站系统。由于其良好的界面钝化和载流子输运能力，TOPCon电池在高温环境下的性能衰减较小，适合在温度较高的地区使用。

TOPCon技术的重要性在于其理论极限效率高达28.7%，是目前太阳能电池技术中最高的之一。相比传统晶硅电池，TOPCon电池通过改善载流子的选择性接触，显著提升了电池效率和性能。此外，TOPCon技术能够兼容现有的晶硅电池生产线，降低了产业升级的技术门槛和成本。 

（2）HJT电池

HJT技术是一种本征薄膜异质结电池技术，具有对称的双面电池结构，中间为N型晶体硅。在电池的正面和背面分别沉积本征非晶硅薄膜和P型/N型非晶硅薄膜，形成P-N结，并通过透明导电薄膜(TCO)进行导电。

HJT技术的重要性在于其量产效率普遍已在24%以上，且有望进一步提升至30%以上。HJT电池的优势包括无LID与PID(潜在诱发衰减)问题、低温度系数、高双面率和良好的弱光效应。HJT电池工艺产品线与P型电池完全不兼容，需要新的产品线，加大了制造成本。

（3）IBC电池

IBC技术是一种将所有电极接触都设计在电池背面的太阳能电池技术，从而消除了正面电极对光的吸收遮挡，提高了电池的光电转换效率。

IBC技术的重要性在于其能够提供更高的电池效率和更好的美学设计。其优势包括更高的光电转换效率、更低的串联电阻和更好的阴影容忍度。IBC电池的这些特性使其在追求高效率和美观外观的应用中具有显著的竞争力。

IBC电池主要特点是电池前面没有栅线，避免了常规电池正面栅线约5%左右的遮光损失，因此技术工艺要求极高，制造成本高。

表1  主流晶硅电池的技术路线比较

目前TOPCon和HJT电池取代传统PERC电池已经是大势所趋，HJT由于量产少成本高等因素，在当前市场占据份额较小。根据当前市场，N型TOPCon技术已成为目前主流，本次电池技术采用N型TOPCon技术。

2.3  单双面组件选择

双面组件除正面接收太阳直射光和大气的散射光以外，双面组件背面也可以接收来自空气中的散射光、地面的反射光以及每天早晚来自背面的太阳直射光，等效于常规组件的正面接收到了更多的光。根据光伏组件的工作特性，当光强增大时，组件的电流和功率会得到与光增强相同幅度的提升，电压则变化很小。因此双面组件的发电量相比相同电站设计的单面组件有一定的增益。同时，由于双面组件背面的入射光强与电站所在地经纬度、大气情况即空气中散射光的比例、组件倾斜角、组件离地高度、支架间距与背景反射率有直接关系，因此这些因素也影响到双面组件来自背面的发电量增益。对于常见的一些场景，我们采用结构相同的单面和双面组件进行长期测试，可以得到仅来自背面的发电量增益，如下图：

图2  双面组件峰值功率值

从上图可知，双面组件来自背面的发电量增益与场景密切相关，发电量提升5～39%。除了背面增益外，由于电池结构和工艺的先进性，双面组件的发电量相对常规组件还有以下两方面的增益：

（1）弱光响应好：双面组件的长波光谱响应和并联电阻均比常规组件更好，这使得双面组件在早晚和阴雨天有更好的响应，视电站所在地的辐照情况和组件中电池的具体工艺可以增加发电量1～3%。

（2）在工作温度下功率损失小：由于双面组件的功率温度系数小，在同等工作温度下，功率损失更小，视电站所在地的气温和辐照情况可以增加发电量1～3%。

表2  双面、单面组件功率温度系数对比表

同时从市场占用率分析，据SMM不完全统计，2023年全年明确披露了组件单/双面结构的项目合计容量约172.91GW。双面组件凭借其更高的发电量依旧是集采的主要组件型号。其中，明确只采购单面组件的项目定标容量约9.18GW，占全年总定标容量5.31%。明确只采购双面单玻组件的容量约0.26GW，占0.15%。明确只采购双面组件的容量约134.25GW，占77.64%，双面组件成为目前市场主流。

以某集中式30万千瓦光伏发电站为例，场区位于戈壁地区，根据《光伏发电站设计规范》地面反射率为0.25，通过PVsyst软件仿真计算，背面发电量增益为6.14%。综合推荐采用单晶硅N型双面双玻光伏组件。

图3  背面增益模拟计算结果

2.4  组件功率选择

依据《关于促进先进光伏技术产品应用和产业升级的意见》附件“主要技术指标说明”组件光电转换效率计算公式：

本项目选用单位面积功率大的光伏组件，以增大容量，降低组件安装量。根据当前市场情况，采用当前技术成熟的较高，已经量产且转换效率较高的N型TOPCon组件。根据设计区域的地形特点为高地面反射率地区，采用双面组件。根据市场调研，2023年下半年市场技术成熟能大量产出且主推的型号为N580，隆基、晶科等头部企业也都主推了该型号，2024年上半年随着该系列产品日益成熟，功率爬坡，182系列N585已经也能量产，故选该型号做为比选方案之一，同时目前N型TOPCon  210R系列的N610、N615、N625也将实现量产，210系列较大版型N-TOPCon N685、N700组件也已推向市场，故将N685、N700也作为比选方案之一。                                                                                                                                 

以某集中式30万千瓦光伏发电站为例，具体比选如下表3所示。

表3  光伏组件经济性对比表

经过比选，615Wp组件度电成本最低，故现阶段推荐采用615Wp光伏组件，后续根据组件市场行情及技术发展情况，可重新优化N型615Wp及以上规模光伏组件。615Wp光伏组件的参数及尺寸如下。

表4 初步拟选组件参数表

3  结束语

光伏组件选择的关键是要确定电池片类型和组件功率，在设计过程中要根据光伏组件技术发展情况，对光伏组件功率、电池片类型进行技术经济比选，最终确定适合工程项目的组件。同时光伏组件技术发展过快，要跟进市场技术发展，动态了解电池技术发展和组件尺寸功率变化趋势，比选过程中要选择各头部企业主流功率段组件，以最低度电成本为目标，优选组件功率和组件电池技术类型。

参考文献：

[1] 郭家宝.光伏发电站设计规范.中国计划出版社.2012年