单晶硅VS多晶硅技术路线大PK

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 光伏电池有各种技术流派,晶体硅电池、薄膜电池、有机电池、染料敏化电池、钙钛矿等等。在众多流派中,晶体硅电池一直牢牢占据霸主地位,自2006年以来市场份额一直在80%以上。然而,晶硅电池内也有竞争。单晶硅电池与多晶硅电池之间的竞争,从来就没有停歇过,近期愈演愈烈。
单晶硅电池说:我资历老、高效、性能稳定;

多晶硅电池说:我性价比高!

到底哪种更好?本文收集了2012年~2016年的一些公开文献资料中的数据进行说明,希望能给大家提供一些帮助。

一、市场占有率情况

市场是检验一切的标准。投资商花的都是真金白银,他们的选择,是他们觉得性价比最好的,而市场占有率数据代表了投资商的选择。

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图1:各类光伏组件2006~2015年的出货量情况

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图2:各类光伏组件2006~2015年的市场占有率情况

从图1、图2可以看出:

1)多晶硅市场占有率一直最高;多晶硅的市场占有率除2009年略有下降以外,基本保持持续上升状态;

2)单晶硅的市场占有率从最初的基本于多晶硅平分天下,到2015年不足20%,市场占有率持续下降;

3)多晶硅与单晶硅的出货量差距逐渐拉大,单晶硅的出货量甚至在2015年略低于2014年;

4)2006~2009年,薄膜电池的低价优势明显,市场占有率持续升高;但之后随着晶硅电池价格下降,则持续下降至2015年的6%。由于市场总装机量增加,2013年之前,薄膜出货量保持持续增加;但2014、2015年出货量也持续、快速下降。

综上所述,多晶硅的高性价比使其保持了良好的市场占有率。
二、组件衰减率分析

1衰减的类型

衰减一般分为初始光致衰减和老化衰减。另外,PID电势能诱导衰减近年也获得认同。

①光致衰减(Light Induced Degradation,LID)

LID产生的本质原因是太阳能电池收到光照后材料内部产生了复合中心。目前比较公认的说法是,光照后产生的硼氧复合体降低了少子的寿命。掺硼晶硅中的替位硼和间隙氧在光照下激发形成的较深能级缺陷引起载流子复合和电池性能衰退,造成光伏组件在初始应用的几天输出功率发生较大的急剧性下降,但一段时间(一般2~3个月)后输出功率会逐渐稳定。

②老化衰减

光伏组件长期应用中出现的、缓慢的衰减,可分为两类:

1)电池本身老化造成的衰减,主要受电池类型(单晶、多晶)和电池的生产工艺影响;

2)封装材料老化造成的衰减,衰减速度与光伏组件的生产工艺和封装材料,组件应用地环境成正相关。其中常见开裂,外观变黄,风沙磨损,热斑,组件老化都可以加速组件功率衰减。

3)PID电势能诱导衰减。这种衰减存在于组件内部电路和其接地金属边框之间的高电压会造成组件的功率衰减,还与玻璃、背板、EVA、温度、湿度和电压有关。

2衰减率测试数据

单晶和多晶,到底哪种在实际应用中衰减少一些?很多光伏组件厂家针对这一问题做了大量的研究工作。为了说明问题,本文仅引用了第三方的研究数据,来对单晶和多晶的衰减率进行对比。

1)NREL 实验室统计报告

2012年6月,美国NREL实验室出了一份关于光伏组件衰减的研究报告《Photovoltaic degradation rates-An analytical review》。该报告中的数据并不是作者的实验数据,而是对之前大量文献中报道的组件衰减率数据进行了统计和分析。

首先,不同组件的衰减率差异非常大。

图3采集了1920个数据点的衰减率数据,包含单晶和多晶。

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图3:不同晶硅光伏组件衰减率情况

从上图中可以看出:

不同组件的平均衰减率差异极大。从0.2%/年到4%/年不等,衰减率的中值为0.5%/年,但由于大量高衰减率组件的影响,衰减率的平均值为0.8%/年。可见,市面销售的光伏组件良莠不齐,不同厂家的产品质量差异非常大,选用一线厂家的光伏组件,是对未来光伏项目发电量的基本保证。

鉴于不同品牌产品差异性大的原因,仅采用小数几个品牌进行的单晶硅、多晶硅对比试验,仅能代表试验采用的品牌的性能;如果采用的品牌数量不是足够大,并不能具有广泛的代表意义。

其次,晶硅光伏组件衰减率逐年降低。

对使用不同时间的光伏组件的衰减率进行了统计,如图4所示。

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图4:不同使用时间的光伏组件衰减率情况

从上图可以看出:

使用时间越长,平均的年衰减率越低。头10年衰减最大,中值达到0.7%/年,这与国家发改委《关于促进先进光伏技术产品应用和产业升级的意见(国能新能【2015】194号)》中的要求是相同的。使用10年以上时,衰减率中值低于0.5%/年。
最后,来看一下单晶和多晶的衰减数据对比。

根据光伏组件的安装时间,将数据点分成2000年之前安装和2000年之后安装两类;根据组件测试时的状态,分为组件、系统两类进行统计。

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表1:单晶硅和多晶硅光伏组件的衰减率对比表

单就上表而言:

2000年前的数据点,单晶硅为1175个,而多晶硅仅为444个;说明单晶硅的使用时间中值也大于多晶硅,单晶硅光伏组件的应用历史更悠久。

由于衰减呈逐年下降趋势,为了更清晰的说明单晶、多晶衰减情况,将表1中的数据与图4中的数据进行了对比,如下表。

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表2:单晶硅和多晶硅的衰减率与平均值对比表

从衰减率中值来看,仅有单晶硅2000年前的组件和系统的衰减率高于晶硅的平均值,其他均低于平均值。奇怪的是,2000年后的单晶硅组件、系统的衰减率中值分别为0.36%/年、0.23%/年,远低于平均值0.7%/年。

综上所述,从NREL 实验室的统计报告中,无法判断出单晶硅和多晶硅谁的衰减率更大。

2)日本AIST光伏技术研究中心公布数据

2015年10月份沈辉老师的一个报告中介绍了日本AIST光伏技术研究中心的公布数据。

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表3:单晶硅和多晶硅的衰减率对比表

从上表可以看出:

10年、20年、25年的统计数据,多晶硅的衰减效率均低于单晶硅。然而,由于这是日本实验室的小范围、短时间实验数据,数据为外推结果,因此数据有很大的局限性。

3)顺德中山大学太阳能研究院的数据

我国的许多研究机构也致力于衰减的研究工作,顺德中山大学太阳能研究院曾做过两组衰减对比试验。

试验一:老光伏组件进行测试

试验人员对应用在全国各种环境的656块使用25年以上的光伏组件进行实验室测试,基本情况如下表。

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表4:单晶硅和多晶硅的衰减率对比表

上表中,单晶硅的样本数量太少,对比结果可能会不具有普遍的代表性。然而,多晶硅组件的数量较多,能具有一定的代表性。两个厂家多晶硅组件厂家衰减率测试结果的差异非常大,这与图3中,NREL实验室的统计结果是相同的。

试验二:光伏阵列实际发电性能比较试验

中山大学太阳能系统研究所在中山大学东校区工学院C栋楼顶安装了6种不同类型太阳电池的并网光伏系统,包括单晶硅和多晶硅。未获得两类组件的衰减率情况,获得它们的单瓦发电量情况如下表所示。

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表5:单晶硅和多晶硅的单瓦发电量对比表(kWh/W)

从上表中可以看出:

监测的5个月中,单晶硅比多晶硅发电量高3.89%。然而,由于影响系统发电量的因素较多,不仅光伏组件性能本身;单晶硅、多晶硅仅采用了一种品牌,且测试时间较短,所以结果的参考意义不大。

4)黄河水电光伏产业技术有限公司实验结果

黄河水电光伏产业技术有限公司的负责人在2016年1月份的一次会议上公布了他们完成的对比试验结果,如下图所示。

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图5:不同品牌的光伏组件衰减率情况

从上图中可以看出:

单晶硅(绿色)和多晶硅(黄色)的效率是交错排布的。衰减率最低的是D厂家的单晶硅组件,最高的B厂家的单晶硅组件。
这张图也说明,组件厂家的生产质量对衰减率的影响,可能高于组件类型对衰减率的影响。

5)我国某检测中心的数据

在一次学术交流中,我学习了我国某检测机构在海南实验基地的测试结果。出于对该机构研究的尊重,本文暂不公布该数据的细节。

该实验基地选取了2个品牌的单晶硅组件、34个品牌的多晶硅组件进行测试,目前已经接近1年的完整数据。数据表明,在36个品牌的组件中,2个品牌的单晶硅组件的衰减率大概处于第5、6名的情况。

6)几组第三方数据汇总

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表6:第三方分析数据结论对比

从上述的汇总表可以看出:

从众多的单晶硅和多晶硅衰减率第三方研究来看,很难分清楚哪种类型的衰减率更低一些;反而,组件的不同品牌对其影响更大一些。

3减率对比结果的分析

本文从衰减成因对于上述结论进行简单的分析。

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表7:从衰减成因对衰减结果进行分析

从上述分析来看:

在一般厂家承诺的10年10%、25年20%的衰减率来看,主要是由老化衰减造成的;而生产工艺(品牌)、封装材料老化、应用地环境等因素对于老化衰减的影响程度,可能会远高电池老化本身。

一线的组件厂家,使用好的封装材料,对电池片保护好,组件衰减自然会低;组件在干燥、凉爽的使用环境下使用,必然比在湿热条件下使用衰减率低。这也说明,为什么组件类型(单晶硅、多晶硅)对于组件衰减率的影响会低于品牌、使用环境的影响。

综上所述:

组件的类型是单晶硅还是多晶硅,并不是影响组件衰减的最主要因素。鉴于这一点,便可以认为,在其他所有条件都相同的情况下,使用单晶硅还是多晶硅,并不会对项目的发电量造成影响。

三、温度系数的分析

除了衰减率之外,光伏组件的温度系数也会影响到发电量。本文收集了8个品牌共19种类型的光伏组件,它们的温度系数如下表所示。

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表8:不同品牌、不同类型光伏组件的温度系数(单位:%/℃)

从上表可以看出:

仅就厂家在技术规格书中承诺的温度系数而言:

1)部分品牌有高效组件,其温度系数一般会低于普通组件。

2)不同品牌的温度系数有一定的差异。仅就8个品牌的普通组件而言,变化区间在-0.39~-0.44%/℃之间。

3)相同品牌的普通组件,温度系数基本相同。

从上述分析来看,温度系数与组件类型(单晶、多晶)有一定的相关性,但差异更多的取决于不同品牌的制造工艺上。

四、系统造价数据对比

就光电转化效率而言,单晶高于多晶。因此,不考虑组件成本,单晶的系统成本会低于多晶。

为了更加准确的比较系统造价,选取目前市场上主流的产品进行分析。选用的单晶组件转化效率为16.8%(275W,60片),多晶组转化效率为16.2%(265W,60片)。

单晶:22个275W单晶组件组成一个光伏组串,166个光伏组串组成83个方阵,进入12个汇流箱,组成一个1.0043MW的发电单元。

多晶:22个265W单晶组件组成一个光伏组串,172个光伏组串组成86个方阵,进入12个汇流箱,组成一个1.00276MW的发电单元。

逆变器、箱变开始,两者的造价没有区别。综合来看,两者之间的造价区别如下表。

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表9:两种光伏系统不同设备造价对比

综上所述:

使用不同转换效率的组件,电缆、支架、基础、土地(以下简称“辅材”)成本有差异。采用转换效率为16.2%的多晶时,相对于采用转换效率为16.8%的单晶,辅材成本比约高3.62%。

由于不同电站建设条件的差异性,辅材(电缆、支架、基础、土地)成本大约在2~2.8元/W之间。因此,就辅材成本而言,多晶辅材约比单晶辅材贵7~10分/W之间。

因此,单晶组件和多晶组件的价格相差10分/W以内,则双方的整体造价持平。

五、收益率影响分析

项目的收益率主要受“发电量”、 “初始投资”和“运维成本”的影响。

根据前文的分析,在其他条件相同的情况下:

1)采用单晶硅或多晶硅,并不会对项目的发电量造成影响;

2)单晶硅组件价格与多晶硅相差10分/W以内,则两者初始投资可以持平;

3)由于设备数量仅相差3.62%,因此未来的运维成本差异基本可以忽略。

鉴于上述原因,在项目收益率方面,单晶硅与多晶硅差价,高于10分/W,可能多晶硅略有优势。

六、主要分析结论

根据2012年~2016年的文献资料数据,从多个方面对单晶硅、多晶硅进行对比分析,获得以下基本结论:

从市场应用来看,多晶组件优于单晶组件;

从衰减率来看,单晶组件与多晶组件性能基本相当,主要取决于品牌的生产工艺、封装材料、产品应用环境;

从温度系数来看,主要取决于产品的品牌。

从造价来看,单晶组件价格比多晶贵10分/W以内时,两者基本可以持平;

从盈利性来看,鉴于在其他条件相同的情况下,不同类型发电量可认为基本相同,因此主要受造价影响。

综合分析,由于组件的性能受不同品牌的影响大,因此单就几个品牌进行单晶、多晶的对比,仅能说明所选品牌的产品性能,并不具有广泛的代表意义。对于投资者来说,项目如何选择光伏组件,应该重点考虑以下因素:

组件的品牌。前文详细分析,不同品牌的组件,其生产工艺、封装材料等因素对衰减率影响大,从而影响发电量。

组件的价格。两者价格的差异,会影响初始投资,从而对项目的收益率造成影响。

面对单晶和多晶厂家的技术争执,某著名行业分析师一语道破:单晶硅和多晶硅还没有到拼技术的时候,拼诚意就够了!
来源:无所不能
 

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