晶科能源发布tiger系列白皮书 叠焊技术前景可期

作者:光伏协会    浏览:7    发布时间:2020-4-20 14:38:13

1 Tiger组件介绍

1.1 Tiger组件背景

全球光伏发电补贴和PPA的不断下降,客观要求光伏发电LCOE持续下行。伴随Eagle, Cheetah和Swan组件的推广,组件高功率,高效率的特性叠加双面技术可以带来单位面积更高的发电量以及系统端更低的BOS成本,因此“高能量密度”成为了晶科未来产品的发展方向。秉承着这一理念,晶科能源在2019年10月23日,澳洲All Energy展会上重磅推出了Tiger系列高效叠焊单晶组件。Tiger组件采用了多主栅+叠焊+半片的先进工艺技术,配合晶科自产高效电池,组件正面最高输出功率可达475W,效率高达21.16%。Tiger组件包含单双面两种版型,双面Tiger组件目前主推含杜邦Tedlar结构的透明背板,在保证了双面5%-30%发电增益的同时,集合了透明背板组件轻质的特点,有效降低光伏发电的度电成本。

1.2 Tiger组件产品介绍

Tiger组件分为单面和双面两大类。单面组件包含66片普通单面组件、66片全黑单面组件(适用分销项目)以及78片普通单面组件;双面组件包含78片的透明背板/双面双玻两种版型。图一是Tiger组件的产品分类和功率路线图,2020年量产功率可达465w。

1.1 Tiger组件核心技术

1.3.1 行业领先的多主栅技术

晶科Tiger组件创新性的采用了多主栅技术,告别了传统5主栅焊接的模式,通过增加电池片的主栅数来起到降低内部损耗,增加组件功率的效果;通过升级的圆丝焊带,有效对斜射光进行二次反射,大幅提升IAM。在众多的栅线数目选择中,晶科通过多次试验,结果如图2所示,组件功率随着主栅数量的增加呈先增加后降低的趋势,且拐点基本都处于9主栅位置,此时对应功率为最佳选择。并且随着组件主栅数增加,在工艺制程的精度以及准度上,对组件厂家都是极大的挑战,良率较9主栅相比有明显劣势。综合以上两点,晶科选择9主栅作为Tiger组件的技术路线,实现最高功率输出的同时,有效保证组件可靠性。

1.3.2 叠焊技术助力组件提效

在提高功率输出的同时,Tiger组件也创新性的采用了叠焊技术,细节图如下。晶科研发通过特殊工艺将电池片进行叠加,告别传统组件的电池片间隙,组件效率>20.7%。高功率+高效率,契合了“高能量密度”的组件发展趋势,助力平价上网。

叠焊组件的关键技术点有三个:

1. 重叠区焊带减薄:Tiger组件使用了柔性的圆丝焊带,在重叠区域对焊带进行压扁设计,整体厚度低于非重叠区域和常规组件。

2. 重叠区焊带整形:整形后的焊带形状为变形的 ”Z” 字形,可以有效解决电池片重叠区域与焊带接触面积小的问题,防止碎片及不良。

3. 特制的EVA/POE层压后进行重叠区域填充:电池片串接完成后,在层压过程中使用特制的EVA/POE,高温下有效填充重叠区域电池片与焊带之间的缝隙,给电池片提供缓冲作用,保障组件可靠性。

对于叠焊组件,晶科内部进行了严格的单倍/双倍IEC标准测试,结果如图4所示。

结果显示,单倍/双倍IEC标准的测试结果远低于IEC标准要求的5%功率衰减,甚至优于常规组件。叠焊技术在提效的同时,保证了组件优异的可靠性,确保客户电站30年稳定高效的运行。

Tiger组件在面积扩大的同时,亦保持了优异的载荷特性。在动态机械载荷测试中,通过在组件前表面动态施加±1000Pa的压力完成1000次循环,正面功率衰减率仅有0.6%,背面功率衰减率1.68%,远低于IEC标准要求的5%;在静态机械载荷测试中,将组件安装于载荷测试试验台上,对组件正面加压5400Pa,反面加压2400Pa,加压6次每次保持1h,正面功率衰减仅有0.3%,背面功率衰减1.82%,远低于IEC标准要求的5%。

1.3.3 半片技术

晶科Tiger系列在采用了新型的多主栅和叠焊组件技术的同时,保持了传统的半片设计,降低组件内部电流和电学损耗,具备高功率和高可靠特性,较常规整片电池组件正面功率提升达15Wp。且户外热斑风险更低。如下图所示,户外正常工作时,半片组件较整片组件,具有更低的工作温度,且同一片组件内部的温度差更低(低约1.8℃),即半片组件能够使热斑发生的概率更小。

在采用竖向安装时,半片组件能够有效抵御阴影遮挡。半片组件采用上半部分和下半部分并联的设计,在早晚阴影遮挡组件的下半部分时,半片组件的上半部分仍能够工作,实现50%的功率输出,而全片组件输出功率为0.此外,半片设计有效降低组件内部的热损耗,从而降低温度系数,晶科半片组件温度系数为-0.35% W/℃,全片组件为-0.37% W/℃,在温度较高地区,组件工作温度可能高达75℃,此时半片组件将比全片组件功率高5%。

2 Tiger组件系统设计

2.1 Tiger组件与1500V兼容性

Tiger组件优化了组件制作工艺,在保证组件功率和效率优势的同时,降低了开路电压,确保在单个组串中可以连接更多的组件,节省BOS成本。在不同的项目地,单个组串可以接入的组件数和当地的辐照以及电池温度有直接关系,因此,我们对460w的Tiger单面组件进行了不同辐照和电池温度下的开路电压模拟与测试,综合结果如下表所示。

上表中绿色标记出来的部分是可以至少安装29块的情况。我们根据环境温度和电池温度的换算公式:

Tcell = Tamb + (1/U) * G_POA* Alpha* (1-efficiency).

公式里U(传热系数)=Uc+Uv*Vwind, Uc=系统传热系数, Uv=风传热系数,Vwind=项目地风速,G_POA=当地实际辐照量(直射光+散射光),Alpha=光吸收率,Efficiency=实际组件效率(考虑阴影遮挡等因素)

以澳洲项目为例,达到逆变器启动电压时,假设辐照为200W/m2. 环境温度在0℃。此时的电池温度可以根据公式计算。项目地Uc=29W/m2k, Uv=1.6W/m2k, Alpha=0.9. efficiency=20.71%,计算得到电池温度为6.28℃。从表中的数据可以看到,安装29片是完全符合要求的。

对于Tiger组件的1500V系统设计,客户可以根据项目地详细的辐照、风速和温度等情况来确定每串组件可以接入的组件数,来最大程度发挥系统端优势。晶科也会联合逆变器厂家来对组串进行技术审核,确保设计满足1500V系统安全要求。

2.2 Tiger组件与支架兼容性

Tiger高效组件,可实现主流支架类型兼容,并有效降低支架的成本;目前行业中主要存在固定支架和跟踪支架两种主流类型。

1. 固定支架,具有高度定制型,基本是针对电站项目实际条件进行骨架设计,支架的设计核心就是迎风和积雪的承载面积。而Tiger高效组件,可实现单位面积更高能量密度,和发电能力;两者结合来看,相同发电量的电站设计,使用Tiger组件,可大幅度降低组件总面积;而如果组件的总体面积下降,那承载面积也会大幅度下降,所以支架的结构设计强度也可以大幅度下降,从而降低成本;举例说明,如果100MW项目,采用19.6%左右的普通单晶PERC组件,需要100MW/19.6%=510000平方米;采用20.7%左右的高效Tiger组件,需要100MW/20.7%=483091平方米;降低了5.3%的受风和积雪面积,简化理论模型分析,固定支架的总体用钢量可以降低5.3%;同时,固定支架因为考虑恶劣气候,需要设计承载能力更高,而总体面积的下降,有利于部分项目降低设计风险系数,从而进一步节约成本;

1. 跟踪支架,在Tiger设计之初,就与各主流跟踪支架厂商进行交流,也得到积极效应,具备了兼容性来匹配Tiger高效产品;即使Tiger产品的长边长度较常规组件略有增加,但还是得益于效率的提升,一样可以有效降低迎风和积雪的承载面积,从而给予各跟踪支架厂商优化结构设计的空间来进行成本的下降;举例说明, 采用单排跟踪支架,如果安装常规405W组件19.78%效率,一排30个,总功率是12.15KW,受风和积雪面积需要12.15KW/19.78%=61.4平方米;而如果安装Tiger465W组件,12.15KW仅需安装26个就可以实现;受风和积雪面积需要12.15KW/20.43%=59.5平方米;两者对比,相同功率可实现面积下降3%,这样结构设计的钢用材也可以得到下降;跟踪支架会逐渐优化设计来实现最优匹配;同时,跟踪支架具备旋转调节性,可以在高风速区域及时调整角度,比如放平设置来降低风压对组件的影响;雪压也可以通过加大倾斜角度,降低雪在组件表面的积累,从而降低雪载对组件的影响;进一步降低组件变大所带来的成本增加幅度;

3. Tiger组件发电性能分析

3.1 IAM优势

Tiger组件采用了9BB+圆形焊带的设计,细节放大图如下,从侧面照射到焊带的光线可以被有效反射回电池片上,对早晚太阳角度较偏时的光线充分利用,带来可观的发电增益。而反观常规的5BB组件,扁平焊带无法有效将侧面的光线反射回电池片上,造成发电量的损失。

下图是SGS在第三方panfile的测试报告中的IAM数据,Tiger组件在不同角度入射光的照射下,表现出了优异的发电性能,早晚大部分光照为斜射光的情况下,优势尤其明显。

3.2 低辐照优势

Tiger组件采用了优化的圆形焊带,相较于之前的扁平焊带来说,横截面积明显减小。横截面积的减小,一方面可以减少焊带对电池片的遮挡,增加电池片受光面积,提升组件功率;另一方面,根据公式R=ρl/s,(R=电阻,ρ=电阻率,l=焊带长度,S=焊带横截面积),在焊带横截面积降低的情况下,焊带电阻增加,从而带来组件的串阻增加如下图所示。

根据公式

,组件PR值和组件串联电阻Rs成正比。依据下图CPVT实测数据显示,低辐照条件下,Tiger 组件PR值高于普通5栅组件,弱光环境下发电优势明显。

针对这两点优势,我们在晶科海宁研发中心针对普通5BB以及Tiger 9BB组件做了户外实证分析,结果如下表所示。实证结果显示,相对于普通的5BB组件,Tiger组件的平均发电增益在1.57%。从表里可以看出,在9月21日和9月22日这两天,低辐照环境下,发电增益达到了1.91%和1.72%。

“高能量密度”是未来组件发展的技术趋势,单位面积更高的发电量无疑会带来度电成本的持续下降。

4. Tiger组件应用场景

Tiger组件应用场景广泛,由于高功率、高效以及优异发电量特性,Tiger组件适用于大型电站和分销市场。在大型电站项目中,单面组件效率>20.7%,2020年主流功率465w,高效可以带来土地面积的大幅节省,而高功率输出,在BOS端优势明显,组串功率的提升,有效节约支架成本。Tiger双面组件采用背面透明背板封装,特别适合沙漠、雪地等高反射地面的电站项目,实现高的背面发电增益。采用透明背板,同时可实现轻量化,有效节约BOS成本,进一步降低LCOE。

Case 1: 国内某南部低辐照地区项目

我们以国内某南部地区为例,亚热带季风气候,属于三类光照区,地面为沙地,地面反射率在30%-40%。项目拟定容配比1.2.DC端容量120MW。

此类低辐照地区如果使用普通的5BB组件,大量的斜射光和散射光无法得到有效利用;从逆变器角度看,如果超配较低的情况下,大部分时间DC端电压甚至无法达到逆变器的最佳输出效率,两个原因导致发电量偏低,客户收益率无法保证。如果选用465w的Tiger组件,9主栅的设计加上组件高串阻的特性在低辐照环境下可以实现非常小的弱光损失,斜射光和散射光也能够得到更有效的利用。

在项目设计上,如果保持土地面积基本相同以及装机量相同,Tiger组件可以实现更大的组串间距。双面配合跟踪支架的项目里,串间距的增加可以有效提升组件背面的受光量,正面遮挡也会相应减少,总发电量的增加会带来度电成本的显著降低。

我们对现在主流的三种组件(Tiger双面叠焊465w,M6双面半片440w以及G1双面半片405w)进行了详细的项目设计以及发电量模拟,结果如上表1所示。如果采用Tiger双面组件,保持基本相同的土地面积,组串间距可以适当拉大,配合多主栅和叠焊技术的特性,较158.75半片系列透明背板组件可以提高约2%的PR,背面发电增益也有0.5%的增加。

Tiger组件所有的技术升级都是为了从发电量和BOS两方面降低度电成本,除去组件成本以外,支架成本和数量对BOS产生了关键影响,支架成本又和单串组件总功率以及系统组串数息息相关。

单串组件总功率的增加,意味着支架成本的大幅降低。在上述南方地区120MW的项目中,使用M6大尺寸组件需要9404串,而使用Tiger组件只需要9217串,组串数减少了2%。以1P结构的跟踪支架为例,如果一个支架可以安装3串组件,在这个项目中,Tiger组件只需要3072组支架,而M6组件则需要3135组支架。结合主流跟踪支架用钢量成本测算,高功率的Tiger组件,可以直接减少约2.6%的支架成本。

不仅是支架,单块组件功率增大,直流线缆可以减少2.5%,场地平整费用减少4%,如果是在场地面积固定的项目地,还可以拉大双面组件的组串间距,增大背面发电增益。

结合Tiger组件发电量的优势,上表是针对南部地区120MW的LCOE分析。EPC,土地和发电量的多角度优势,使Tiger组件在平价上网的趋势下,成为了行业中的标杆产品。

在“一带一路”的战略框架中,“电力通道建设”是其中的重要组成部分。“一带一路”沿线部分国家光照资源丰富,尤其是近年来,东南亚、印度、中东、中亚、非洲等地区或国家的光伏电站装机正出现爆发性增长的市场前景,无疑给中国的光伏产业带来新机遇。

Case 2: 某“一带一路”国家200MW光伏项目

该项目地属于亚热带季风性湿润气候类型,常年光照充足,拟采用单面高功率组件,容配比1:1.05.该项目地处发达国家,土地价格便宜,人力成本高。

此类地区属于高辐照地区,阳光充足,基本不需要超配就可以使系统在大部分时间都保持满发状态,每串组件数目不用太多,太多会使运行过程中电压超过逆变器MPPT点的最大电压值,从而造成很大的系统损耗。这个项目的核心在于单块组件需要拥有绝对的高功率从而通过降低人工费用来降低度电成本。该项目拟采用单面组件配合1P跟踪支架,组串间距6m,组件最低点离地高度0.5m,跟踪支架旋转角度±45°。

Tiger 470w单面组件,在目前市场上主流产品中输出功率最高,可以最大限度的节省组件数量以及支架数量,从而起到节省人力成本的目的。低人力成本配合高发电量,在此类项目中能够带来度电成本的显著降低,内部收益率也会有明显增加。

结语

从2019年10月份首次亮相澳洲到2020年第一季度末,Tiger已签单量超过1GW,全球客户反馈良好,不仅是大型地面项目,分销市场中Tiger配合N型电池片也颇受市场青睐,在海外分销市场中,Tiger全黑组件也有大量签单。晶科相信,Tiger组件所采用的9主栅+叠焊+半片的技术设计会逐渐成为行业主流,契合“高能量密度“的组件发展趋势,逐渐为客户带来价值。