隆基Hi-MO3：单晶PERC双面半片技术降低光伏电站度电成本（白皮书）

白皮书 1 / 4 Version: 20190306 Hi-MO3： 单晶 PERC 双面半片技术降低光伏电站度电成本 1. 介绍 隆基在 2018 年结合单晶 P 型双面 PERC 技术与 半片技术推出了 Hi-MO3 组件，该产品延续了 Hi- MO1 单晶 PERC 组件的高效率 &低光衰及 Hi-MO2 双面双玻组件的高双面率，应用了半片技术后，组 件功率与产品可靠性得到了进一步提升。应用于光 资源丰富地区的大型地面电站配合固定支架或平单 轴跟踪支架 可 实现最低度电成本，应用用于地表经 过高反光处理（如刷 白 漆）的分布式电站则可显著 提高项目的收益率。 P 型 PERC 双面技术是自 2015 年新出现的双面 技术 1，相对传统的 N 型双面与异质结双面电池， PERC 双面电池采用低成本的 P 型硅片 与 铝栅线电 极，且也能够 获得 高 转换 效率与 最高 约 80%的 电池 双面率，因此具有极高的性价比。隆基在双面电池 研发上可实现正面 23.11%、背面 18.97%的效率 (Fraunhoer-ISE， 2018.5，双面率 82.1%)，量产电池 的正面效率也已达 22%以上。 隆基 高效 PERC 电池使 组件 具有优秀的弱光性 能与低功率温度系数值，在 2017、 2018 年连续获得 TÜV 莱茵“ 质胜中国 ”光伏组件仿真第一名；低光衰 技术更使隆基的 PERC 组件在户外具有更好 的发电 表现，在 PV magazine test 中，隆基单、双面 PERC 组件的发电量均在同类型产品中排名第一 2。 半片技术使电池工作电流减半从而显著降低焊 带上的能量损失，单晶 PERC 电池的高电流及双面 电池背面受光带来的工作电流增益使得双面 PERC 技术非常适合与半片技术相结合，带来功率、发电 量、可靠性的多重提升。 2. 产品特点与性能优势 隆基 Hi-MO3 采用高可靠 封装材料，确保组件 的抗 PID 性能并进一步提升了其长期可靠性 ； 作为 双玻组件，有边框 Hi-MO3 组件 的正、背面 均采用 2mm 厚度 的玻璃 从而 减轻了组件的重量，便于安装 及与跟踪支架的匹配； 背面玻璃可以使用镀有白色 陶瓷网格的玻璃，这样 60 片电池的双面组件正面功 率可以提升近 5W； Hi-MO3 采用 B 面宽度 30mm 的 边框使其可以承受正面 5400Pa 的静载，该边框采用 短边无 C 面设计以降低对背面电池的阴影遮挡，相 对常规边框可以提高双面组件的发电量；在低 载荷 地区也可以使用无边框的 60 片电池组件 (120 片半 电池， 玻璃厚度 2.5mm)，这样可以节省组件的成本 并且避免了边框对背面的遮挡；另外，笔形分体式 接线盒的使用也使其不会遮挡电池背面。 图 1： Hi-MO3 组件示意图 光伏组件在实际运行中难免被鸟粪、树叶等局 部遮挡，如不及时清理持续的热斑效应会使组件发 生不可逆的衰减甚至失效，理论分析 3与实验数据 均 表明半片技术可以使组件热斑温度降低 10~20oC， 这将使 Hi-MO3 组件 的可靠性得到进一步提升。 在实验室正面打光测试时，半片技术可以使 60 片电池 PERC 组件的焊带热损耗降低 5W 以上，户 外光照好时考虑 到 双面组件收到的背面辐照，所降 低的热损耗可达 8W 以上，此时双面半片组件的工 作温度相比全片的双面组件会有较明显的差别，该 温差最高可达 1oC 以上，因此发电能力有所提升。 基于 高辐照时明显降低的内部热损耗与较低的工作 温度 ， Hi-MO3 组件应用于全 球 光资源非常丰富的 地区 (一般温度也很高 )发电优势尤为明显 ，如中国西 部、中东、非洲北部与南部、澳大利亚、美国西部、 墨西哥、智利等。 根据 Enrique Cabrera 在德国太阳 能研究中心 (ISC-Konstanz)所作的实证 4， 90%的地表 反射率时半片技术 使 双面组件的系统效率提高了 2.7%，在 900W/m2 以上辐照时，半片带来的 系统效 率 增益 更 达到 4.3%。 关于组件工作温度需要指出的 是， 由于双面 PERC 电池背面使用局部铝栅线替代 全覆盖的铝电极减小了对热效应强的红外光的吸收 5，双面 PERC 组件的工作温度与单面 PERC 组件相 当甚至略低。 目前市场主流的半片组件均采用了上半部分与 下半部分并联的设计， 其中一半被大面积的阴影遮 挡时并不会导致 旁路 二极管启动，这使得半片组件 在竖向安装 状态下 ，早、晚前排组件阴影开始遮挡 组件下半部分时，上半部分仍可正常发电 (图 2a)；同 样的道理，如果安装高度不高或者地形地表环境复 杂，双面组件上、下两部分将受光不均，此时半片双 白皮书 2 / 4 Version: 20190306 面组件的发电表现将优于全片组件 (图 2b)。 图 2： a)半片组件与全片组件 (竖向安装 )在阵列阴影遮挡时的功率输出 情况， b)半片双面组件与全片双面组件在背面受光不均时的背面发电 增益对比 以上大面积阴影遮挡时 旁路 二极管不启动的优 势并不妨碍半片组件二极管对组件热斑的防护，根 据实验与理论分析， 发电状态下 单块半片组件当一 片半电池 90%面积被完全遮挡时旁路二极管 开始 启 动，而单块全片电池组件则是在整片电池 50%面积 被完全遮挡时旁路二极管启动；对于 多 个组件 组成 的光伏系统，以 12 块组件为例，其中一块半片组件 的一块半电池被遮挡 20%的面积时旁路二极管启动， 对应的 全片电池遮挡面积比例则为 13%。可见半片 图 3：全片与半片组件旁路二极管 启动所需要的电池遮挡比例 技 术使得组件在小面积遮挡时二极管更容易启动， 增加对组件热斑效应的防护。另外， 热斑导致的温 升最大值发生在 约 10%的全电池面积遮挡时 (图 4)， 此 时尚 未达到旁路二极管启动条件， 半片 技术使热 斑温度 降低约 10~20oC 的 特性 显著提高了组件可靠 性。 图 4：全片与半片组件在不同电池遮挡面积时的热斑温度 3. 电站设计 双面组件背面可以接收到 (直射光与散射光的 ) 地表反射光，也可以直接接收到散射光，一定情况 下还可以受到直射光 。 这些辐照使 双面组件工作电 流提高 从而获得显著的发电增益。 因此影响双面组 件发电增益的因素就包括地表反射率 ； 辐照中的散 射光比例 ；组件离地高度、阵列间距 (GCR)、太阳 天 顶 角 (Sun Zenith Angle)等。 图 5： 双面组件背面受光示意图 在 地表反射率是 影响 双面组件发电增益的最重 要因素， 常见材料的反射率 通常 以水面 (近 10%)、草 地 (15~25%)、土地 (20~30%)、水泥地 &沙地 (25~40%)、 反光膜 &新雪 (70~90%)的顺序依次提升 。因草的茂密 程度 ， 土地、水泥的颜色等 原因 ，不同具体环境的反 射率会有所不同。实际电站项目地的地表反射率可 根据《 ASTME1918-16》标准测试， 在直径大于 4m 的均匀平整地表使用背靠背的两个辐照测试仪测试 正面辐照与反射辐照从而计算出地表反射率。 图 6：地表反射率测试示意图 表 1：根据《 ASTME1918-16》标准测试 的实证项目中不同地表反射率 地表类型 实证项目地点 实测反射率 水泥地 中国 ,泰州 25.15% 反光膜 71.44% 草地 中国 , 海南定安 16.01% 水泥地 43.10% 沙地 40.46% 双面组件背面可直接收到散射光，所以当散射 光比例高时双面组件发电增益也会较高 。在双面组 件与单面组件单日的发电对比中，可以看到双面发 电增益中午平稳，早晚明显升高的现象 ；实证电站 白皮书 3 / 4 Version: 20190306 中也会发现在多云、雨、雾的天气时，双面发电增益 优于晴朗天气。考虑到光资源一般的地区通常散射 光比例较高，采用双面组件可以 使 这些地区 也能 获 得 较好的光伏发电 投资收益。 双面组件阵列的阴影会 减少地表收到的辐照从 而影响组件背面收到的地表反射光 。所以实证中， 单块双面组件的背面发电增益会略高于单排组件， 后者的背面增益又略高于多排组件 ； 多排组件的阵 列间距较大 (GCR 较小 )时背面发电增益会相对较高 。 组件离地高度较低时，阴影较深且阴影对背面辐照 的影响更大，因此 一般情况下 双面 组件最低点离地 高度应不低于 1 米，优选 1.5 米以上。太阳 天顶角 会影响地面阴影的大小 ，一般角度小时阴影也较小， 双面组件背面发电增益会较高， 中高纬度地区全年 双面组件发电增益呈现较为明显的夏季高、冬季低 的趋势，一方面原因就是夏季的太阳天顶角较小， 另一方面夏季的早晨、傍晚持续时间较久，此时散 射光比例高也使背面发电增益较高。 PVsyst 使用视角系数 (View factor)模型来计算双 面组件的背面受光，自 6.65 版本已可以较为准确的 对使用双面组件的光伏电站进行仿真设计 6， 因此组 件离地高度、倾角、阵列间距、电站容配比 (DC/AC) 等均可结合项目发电量与电站成本根据收益率最优 的原则来计算。 双面组件较高的工作电流使得逆变器需要具有 较高的组串电流承受能力，目前主流逆变器制造商 已把最大组串电流提升到 12.5A~13A 以配合双面组 件需求。 Hi-MO3 支持 1500V 系统电压，适合搭配 1500V 逆变器等组成大方阵，可降低系统成本、减 少电缆上的功率损失提升系统效率。 大方阵占地面 积大，可能存在 地表反射率不均的情况使得方阵内 不同位置的组件发电功率有所不同，此时推荐使用 具有多路 MPPT 功能 的 逆变器减少 失配 损失。 光伏支架方面，因双面组件的背面受光需要，宜采 用对组件背面无遮挡的支架 ，当然也需避免或减少 电缆、汇流箱或组串式逆变器对组件背面的遮挡。 基于安装可靠性的分析双面组件应采取长边安装方 式 (因此隆基双面组件设计为短边无 C 面 )，所以 钢 梁位于组件长边两侧 ， 这种要求下 固定支架 ， 4 排横 装相比 2 排竖装的设计 通常 具有较少的用钢量 （图 7） ，但组件需配置更长的电缆，增加了组件间电缆 连接的工作量，电站设计者 可根据具体成本情况来 选择 。 如不可避免使用对组件背面有遮挡的支架， 支架钢梁距离组件背面的距离应不低于 50mm 以减 少对背面发电增益的影响。 图 7： 不遮挡双面组件背面的支架示意图，左 :竖装，右 :横装 在低纬度、太阳光直射比高的地区采用平单轴 跟踪支架可获得较高的发电增益，双面组件搭配平 单轴跟踪支架 时，跟踪支架使正面辐照最大化，双 面组件 在跟踪中仍可接收背面辐照，两者加和 可实 现 更低 的度电成本。通常双面组件宜搭配 2P(Portrait) 跟踪支架以避免对支架对背面的遮挡，而双面半片 组件 Hi-MO3 则可以搭配 1P 跟踪支架，因其中间部 分的间隙达 33mm，支架中轴遮挡了部分光线，但 正面的光线可透过间隙照射到反射率较高中轴部分 反射到组件背面，补充了背面被遮挡的电池的受光 量，使得中轴 对 背面 受光的不利影响显著降低。 图 8：双面半片组件搭配 1P 平单轴跟踪支架时的背面受光典型情况 4. 应用案例 表 2. 隆基双面 PERC 组件实证项目 项目地点 地表 增益 容量 对比组 支架类型 统计周期 中国 ,鄂尔多斯 沙地 13% 336kWp 多晶 斜 单轴 17.7~18.12 中国 ,泰州 水泥地 10% 2.8kWp 多晶 固定 17.9~18.8 反光膜 25% 中国 ,格尔木 沙地 15% 20MWp 单晶 平单轴 18.3~18.8 中国 ,合肥 水面 7% 5.0kWp 多晶 固定 18.1~18.12 中国 ,海南 定安 a 草地 10% 2.7kWp 单晶 PERC 固定 18.9~18.11 沙地 15% 水泥地 15% 印度 ,金奈 a 白石子 20% 600Wp 单晶 PERC 固定 18.9 沙特 ,图沃 a 沙地 9% 600Wp 单晶 PERC 固定 18.9 美国 ,费里蒙特 a 浅 沥青 7% 1.8kWp 单晶 PERC 固定 18.8~18.11 美国 ,利菲摩尔 a 砾石 9% 2.1kWp 单晶 PERC 平单轴 美国 ,帕伦普 a 砾石 10% 2.8kWp 单晶 PERC 固定 隆基双面组件自问世以来，已应用于各种地表 白皮书 4 / 4 Version: 20190306 与气候环境，其发电增益与特性符合理论预期，且 长期表现稳定，可以为电站投资者的同类项目提供 参考。代表性项目如表 2，其中位于中国鄂尔多斯市 库布齐沙漠的电站目前已运行 1 年半以上，双面组 件配合 12o 倾角的斜单轴支架相比“多晶组件 +固定 支架”年发电增益可达 25%；水面虽然反射率较低， 但凭借隆基 PERC 组件在弱光发电能力、功率温度 系数等方面的优势，合肥项目双面组件相对多晶组 件 18 年全年的发电增益也达到 7%；在第三方机构 测试、对照组为隆基单晶 PERC 组件的双面组件也 有较高的发电增益，这种对比得到的增益值才是通 常所说的背面 发电增益 (Bifacial gain)，在 TÜV 南德 的实证因组件离地高度为理想的 1.5m，因此获得的 增益值相对更高。 图 7： a) 应用了双面组件与斜单轴跟踪支架库布 齐 沙漠 336kWp 项目 ， b)TÜV 南德 在中国海南的双面实证项目， c)d) Hi-MO3 组件应用了近 275MWp 的中国泗洪领跑者项目 Hi-MO3 双面半片组件于 18 年 5 月推出，凭借 领先的组件效率 (18.7%)在 18 年下半年中国的泗洪 领跑者项目 (共 500MWp)的供货量接近 275MWp， 该供货组件采用 镀有白色陶瓷网格的 背板 玻璃 ，正 面功率达 315Wp(120 片半电池 )。 18 年 全年 Hi-MO3 的签单量 更 达到 了 500MWp 以上。 总之，隆基 Hi-MO3 组件兼具高功率、高发电 量与高可靠性， 双面组件的系统设计、发电仿真及 配套设备均有成熟方案，光伏电站选用 Hi-MO3 双 面半片组件将获得理想的投资收益。 参考： 1. Dullweber Thorsten, et al. “The PERC+ cell: A 21%-efficient industrial bifacial PERC solar cell.“ 31st EUPVSEC. 2015. 2. https://www.pv-magazine.com/features/pv-magazine-test/. 3. Qian Jiangdong., et al. “Comparison of half-cell and full-cell module hotspot-induced temperature by simulation.“ IEEE Journal of Photovoltaics. 2018 4. Cabrera Enrique, et al. “Advancements in the development of ATAMO: a solar module adapted for the climate conditions of the Atacama desert in Chile.“ 31st EUPVSEC. 2015. 5. Bas Van Aken. “Bifacial modules: Hot or cool? “ 13th CSPV. 2017. 6. André Mermoud, et al. “Bifacial shed simulations with PVsyst.” Bifi- PV workshop 2017 in Konstanz. 2017.