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隨著“30”、“60”目標的提出,近年來新能源行業(yè)得到了快速的發(fā)展,筆者也因此接觸到了一些光伏發(fā)電項目。起初,該類項目融資的難點主要集中在項目合規(guī)性手續(xù)、項目盈利性(資源區(qū)及電價)、電力消納等問題上,如:土地類型及占用的合規(guī)性、審批手續(xù)的滯后、電力業(yè)務許可證辦理與否及辦理時間點、項目是否涉及路條行為、項目參與方的合作模式、項目所在區(qū)域的資源特性及電價、是否具有補貼及納入補貼、項目所在區(qū)域電力供應及消納問題等等。隨著所接觸的項目越來越多、對政策的把握越來越準確、對行業(yè)特性認識越來越清晰,該類項目前述難點已能較好判斷及解決。
近期,筆者再次承做一筆分布式光伏發(fā)電站項目時,在面對無可行性研究報告(以下簡稱“可研”)參考時(發(fā)改委備案并未強制要求一定需要編制可研),突然發(fā)現(xiàn):居然從未對光伏發(fā)電原理及項目測算數(shù)據(jù)來源進行深入理解,過往光伏發(fā)電項目僅在意其合規(guī)性、可研中的自償性(僅依托可研數(shù)據(jù)測算)。在缺乏“源頭理解”的情況下,前期部分認識存在偏差,如:電池片的選擇(價格、面積規(guī)格、轉換效率)、容配比的作用、測算時功率是選擇直流側還是交流側、峰值發(fā)電小時數(shù)與光照小時數(shù)的區(qū)別等等。
通過一段時間“源頭理解”,并結合項目承做過程中所遇到的實際問題,筆者將通過本文盡可能詳盡的闡述光伏發(fā)電的原理及如何計算發(fā)電量,旨在為光伏發(fā)電行業(yè)的投融資方提供一些參考,提高光伏發(fā)電項目投融資效率,減少一些試錯成本。本文共分三部分:什么是光伏發(fā)電? 光伏發(fā)電的產(chǎn)業(yè)鏈(硅基)
、到底發(fā)了多少電?
第一部分 什么是光伏發(fā)電?
本部分主要闡述光伏發(fā)電的原理。“光伏發(fā)電”簡單地說就是利用某種材料的特性將光能轉化為電能。這里說的某種材料就是“半導體”,當對半導體進行特定加工處理后,當兩種不同類型的半導體材料接觸時,將在其界面形成具有光生伏特效應特性的 PN結
,PN結具有將光能轉化為電能的特性——當太陽光照射在PN結及附近時, 載流子
將在PN結兩邊形成(此時可以將PN結兩側看做兩個極板)電位差,“極板”連通后將在電路中形成直流電。說到這里,大家肯定還是不能很好地理解,甚至會產(chǎn)生更多的問號,下面將對太陽能電池“光伏發(fā)電”的原理進行更加詳細的講解。
一、光伏發(fā)電原理
1
、光伏發(fā)電站:
利用光伏電池的 光生伏特效應
,將太陽輻射能 直接轉換成電能的發(fā)電系統(tǒng),一般包含 光伏陣列、匯流器、逆變器和變壓器,以及相關輔助設施等。
注:并不是全部的太陽輻射都能用于發(fā)電,而是一定波長范圍內(nèi)的光照射在光伏電池面板上,形成電子空穴對(載流子),并分別在PN結兩側積累——激發(fā)產(chǎn)生電子空穴對這個過程的原理稱為本征激發(fā),即:當有能量大于禁帶寬度的光子照射到半導體時,價帶中的電子吸收這個能量,躍遷到導帶產(chǎn)生一個自由電子和自由空穴。
2
、半導體:
常溫下導電性能介于導體與 絕緣體之間的材料。常見的半導體材料有硅、鍺、砷化鎵等,硅是各種半導體材料應用中最具有影響力的一種。
注:電池片的主要材料為半導體,本文主要以硅半導體材料進行講解。
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、光生伏特效應:
光照使不均勻半導體或半導體與金屬結合的不同部位之間
產(chǎn)生
電位差
的現(xiàn)象。首先,是由 光子(光波)轉化為電子、
光能量 轉化為電能量的過程;其次,是形成電壓過程,如果兩者之間連通,就會形成電流的回路
。
注:此處是“不均勻半導體”而非“均勻半導體”。以硅(Si,最外層4個電子)半導體材料為列,Si最外層電子分別與四個相鄰Si所帶電子形成共價鍵,成為8電子(4共價鍵)的穩(wěn)定結構,即使受到激發(fā)后形成載流子也易復合,導電性差——均勻半導體;當在Si半導體材料中摻雜磷原子(P,最外層5個電子),P最外層4個電子分別與相鄰Si形成共價鍵,剩余一個電子易脫離P原子核的束縛,易成為“自有電子”——N型半導體;當在Si半導體材料中摻雜硼原子(B,最外層3個電子),B最外層三個電子分別與相鄰Si形成共價鍵,Si最外層缺一個電子,形成“空穴”——P型半導體。當P型半導體和N型半導體中自有電子和空穴濃度不相同時,同時P型半導體與N型半導體相接觸時,由于擴散原理的存在,將在接觸面形成PN結,PN結的產(chǎn)生是光伏電池將太陽能轉化為電能的必要條件。PN結形成原理詳見下述。
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、PN結:
P型和N型接觸,在交界面處,由于物質(zhì)的擴散運動原理(因為物質(zhì)濃度差,導致物質(zhì)從高濃度向低濃度擴散,稱為擴散運動),P型中的自由空穴向N型移動(空穴的移動是一個等效移動,實際是非自有電子在相鄰原子中的移動,表現(xiàn)為空穴的反向移動),N型中的自由電子向P型移動,當空穴和自有電子相遇時,釋放能量進行
復合(半導體中導帶的電子躍遷至價帶中,與空穴結合的過程),隨著自有電子和空穴的移動使得N區(qū)帶正電荷P區(qū)帶負電荷,從而形成內(nèi)電場,自有電子和空穴受到內(nèi)電場的電場力作用且作用方向與擴散運動相反,當電場力正好阻礙擴散運動時,在中間區(qū)域產(chǎn)生一個無自有電子和空穴的區(qū)域,此時將其稱為
耗盡區(qū),也可稱為PN結。
注:導帶為自有電子所能活動的空間;價帶為非自有電子所能活動的空間,即:共價鍵中;利用PN結的特性不僅能進行光伏發(fā)電,還可制造二極管等。
二、轉換效率的產(chǎn)生
光照照射在太陽能電池片上,其中一定波長范圍的光子照射在PN結及其附近時,所激發(fā)的電子空穴對分別在PN結兩側進行積累,形成電位差,當PN結兩側外接電路使其導通時,電子從負極通過導線移動到正極,從而形成從正極到負極的電流。但是不同材料、不同光照條件、不同類型電池片的轉換效率均各不相同。
1
、轉換效率產(chǎn)生的原因
照射在太陽能電池片上的太陽輻射并不能完全轉化為電能
。主要原因為:(1)部分光照被電池片表面反射;(2)部分短波光子進入電池片激發(fā)載流子,但由于載流子距離PN結較遠,超過了載流子擴散寬度,從而在擴散至PN結被富集之前就發(fā)生了復合;(3)部分長波光子輻射到電池片深處,產(chǎn)生載流子,但其也同樣遠離PN結,也在擴散至PN結前則被復合;(4)部分光子所攜帶能量較小,并不能將共價鍵中的電子從價帶激發(fā)到導帶,因此無法形成載流子;(5)部分太陽光直接透射過電池片,無法激發(fā)載流子;(6)只有一定波長范圍的光子在PN結及其附近形成載流子,并通過擴散被PN結富集形成電位差,才可最終轉化為電能。
2 、轉換效率不同的原因
在太陽光照射條件相同的情況下,不同類型的電池片其轉換效率存在差異
。主要原因為:(1)自有電子濃度差別,如:N型電池
中具有更高濃度的自有電子,因此N型電池轉換效率大于P型電池轉換效率;(2)同類型電池(N型或P型電池),由于其電鍍工藝不同,導致所產(chǎn)生的載流子被復合的程度不一樣,從而所形成的電位差不同,如:PERC電池和鋁背場電池同為P型電池,但PERC電池局域金屬接觸工藝使得其復合程度低于鋁背場電池,促使PERC電池轉換效率高于鋁背場電池;(3)電池片“開源”的效果不同,即:某些電池能夠吸收更多的太陽輻射產(chǎn)生更多的載流子,如:鈣鈦礦太陽能電池,其對光的吸收能力強,光譜吸收范圍更廣。
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、轉換效率的計算
太陽能電池片的轉換效率是指將太陽能輻射能轉化為電能的比例,即:太陽能電池片輸出功率與照射在太陽能電池片上的太陽能輻射功率的比值。太陽能電池片生產(chǎn)商會在STC(詳見第三部分基礎概念)條件下,測量電池片的瞬時輸出功率(STC條件下所測量的瞬時輸出功率也稱為峰值功率,詳見第三部分基礎概念),因此電池片的轉換效率如下:
轉換效率(%)=峰值功率(W p)/1000(W/㎡)/電池片面積(㎡)
第二部分 光伏發(fā)電的產(chǎn)業(yè)鏈(硅基)
本部分主要寫一下光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)鏈(硅基)上分別有哪些;再講述一下光伏電站的類型;最后探討一下面對不同轉換效率、面積規(guī)格及價格的電池片,應該如何選擇。
一、光伏電站產(chǎn)業(yè)鏈
1
、上游:
硅礦一步一步加工到硅片;單晶硅相比多晶硅工藝復雜,轉換效率更高(單晶硅片中硅原子排列有序);當前隨著單晶硅片制造和需求規(guī)?;男纬?,其制造成本逐步降低,綜合考慮轉換效率及成本,新建光伏發(fā)電站項目絕大多數(shù)均選擇了單晶硅電池片。
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、中游:
產(chǎn)業(yè)鏈該環(huán)節(jié)主要分為電池組件(光伏電池和光伏輔件)和其他組件。其中光伏輔件和其他組件無過多的技術更替,因此該類產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)的利潤率在光伏電站產(chǎn)業(yè)鏈中并不高。光伏電池為光伏發(fā)電站的核心,其決定了項目建設成本及未來收益,對項目投資回收期、內(nèi)含報酬率等存在較大影響。光伏電池技術多樣,競爭異常激烈,更替較為頻繁,因此該類生產(chǎn)企業(yè)需要持續(xù)保持較大的研發(fā)投入,同時要合理選擇技術賽道進行優(yōu)先布局,才可在持續(xù)的技術優(yōu)勢助力下創(chuàng)造較大的利潤空間——當前市場主流產(chǎn)品為PERC電池,處于競爭性的技術是 Topcon電池
和異質(zhì)結電池,由于Topcon電池生產(chǎn)線及工藝上可以延用部分PERC電池生產(chǎn)線,因此Topcon電池將在一定時間內(nèi)成為下一個階段性的主流,但是考慮到Topcon電池生產(chǎn)工藝步驟較多,且理論轉換效率不足29%,后續(xù)必將被其他技術所替代,比如:異質(zhì)結、鈣鈦礦等。
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、下游:
發(fā)電企業(yè)采購中游產(chǎn)品,并根據(jù)電站發(fā)電場景、地形地貌等,合理規(guī)劃、設計、施工建設,將中游產(chǎn)品進行有機結合,最終形成光伏發(fā)電站。光伏發(fā)電站建成后,運營成本較低,收入主要依賴光資源、當?shù)鼐G電靈活性消納能力、電價交易市場或電價保障等。
二、光伏電站的分類
根據(jù)光伏發(fā)電站設計功率大小、接入點位個數(shù)、項目盈利方式、合規(guī)手續(xù)等的不同,光伏發(fā)電站主要分為:集中式光伏發(fā)電站和分布式光伏發(fā)電站。
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、集中式光伏發(fā)電站特點:
功率較大,單點并網(wǎng)功率超6MW;建設規(guī)模較大,需選擇較大空間集中鋪設光伏面板,并建設變電站;項目所需合規(guī)手續(xù)較多,項目主體方還需辦理電力業(yè)務許可證;集中式光伏發(fā)電站主要通過上網(wǎng)的方式將其所生產(chǎn)的電力銷售給電網(wǎng)或在電力交易系統(tǒng)中售電,其終端直接用電客戶往往是不確定的;現(xiàn)階段,新建項目均采用平價上網(wǎng)方式,其電價為項目所在地燃煤標桿電價,但有的地方存在綠電靈活性消納問題,部分電需在電力交易系統(tǒng)中出售,電價存在波動性、不確定性;隨著光伏發(fā)電站并網(wǎng)量的大幅提升,存在主動棄光的問題,為減少棄光,部分地區(qū)在項目備案時就要求光伏發(fā)電項目在發(fā)電端配建儲能。
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、分布式光伏發(fā)電站:
功率較小,單點并網(wǎng)功率不應高于6MW;分布式光伏發(fā)電站主要是就近消納,其主要類型有:自發(fā)自用、“自發(fā)自用,余額上網(wǎng)”、全額上網(wǎng)(也主要是就近消納);該類項目合規(guī)手續(xù)簡化,發(fā)電企業(yè)無需辦理電力業(yè)務許可證,項目建設周期較短,使用場景靈活多樣,常應用于工廠屋頂、家用屋頂、農(nóng)田上方、魚塘上方、露天停車場上方、建筑物表面等有限的、分散的空間;項目自發(fā)自用部分的成本通常是低于用電企業(yè)向電網(wǎng)購電成本,如:某生產(chǎn)企業(yè),其電費均為工業(yè)用電,適用于大工業(yè)兩部制電價,該企業(yè)可在廠房屋頂自建分布式光伏發(fā)電項目,也可采用合同能源管理的模式由節(jié)能服務公司進行分布式光伏發(fā)電站項目建設的投入,以上兩種方式均可有效降低用電企業(yè)的電費成本。
三、電池片選擇策略
電池片類型較多,不同類型的電池片其規(guī)格、轉換效率、單價均各不相同。想必你肯定會提出一個疑問:在光伏發(fā)電站建設中,應該選擇什么類型的電池片才可提升項目的整體收益情況? 筆者將通過假定條件的方式,理論分析規(guī)格、轉換效率、單價的關系,以此解答上述問題:
假設條件
:1、光照、溫度、大氣質(zhì)量等環(huán)境條件相同;2、光伏電站設計總功率不變(W總),且總設計功率下兩種電池片均為整數(shù)片;3、除電池片以外的構造及投資成本完全相同;4、電池片A和電池片B,單片電池片面積分別為S A(㎡)和SB(㎡),轉換效率分別為EFF A和EFFB,單價分別為P A和PB。
根據(jù)下文第三部分中“標準測試條件”、“標稱功率”、“標稱功率與轉換效率的關系”可知電池片A和電池片B的標稱功率(峰值功率)分別為:
WA=1000W/㎡*SA*EFFA ------------------------------------------------------①
WB=1000W/㎡*SB*EFFB ------------------------------------------------------②
根據(jù)總功率W總、標稱功率、電池片單價,可知電池片所需總投資分別為:
PA- 總
=W 總 / WA*P A-----------------------------------------------------------③
PB- 總 =W總 / WB*P B ----------------------------------------------------------④
分別將①和②代入③和④,可得:
PA- 總 =W總 / (1000W/㎡*SA*EFF A)*PA----------------------------------------⑤
PB- 總 = W總 /(1000W/㎡*SB*EFF B)*PB ----------------------------------------⑥
將⑤-⑥,可得:
W 總 / (1000W/㎡*SA*EFF A) *PA-W 總/(1000W/㎡*SB*EFF B )*PB --------------⑦
當
⑦≥
0時,PA/( SA*EFFA)≥PB/( SB*EFFB),即:SB*EFFB *PA≥SA*EFFA *PB,應選擇電池片B,反之則選擇電池片A。
注:實際中,由于電池片數(shù)量不同,光伏陣列設置不同,將改變匯流器、逆變器、線路等成本,因此以上假設僅為簡易假設,如有需要,可根據(jù)其他成本與電池片數(shù)量關系添加變量。
第三部分 到底發(fā)了多少電?
在投資一個光伏發(fā)電項目時,我們肯定比較在意該項目到底能發(fā)多少電?有的小伙伴會說了:專業(yè)的事兒交給專業(yè)的人來處理,可研就能解決這個問題,根本不需要我們關注??裳欣锎_實有相關內(nèi)容,但是可研是在選定項目并進行項目正式備案前才做的(部分項目也可選擇不進行可研,可根據(jù)企業(yè)內(nèi)部經(jīng)驗進行項目測算),然而作為投資人在找項目、篩選項目的時候往往沒有可研作為參考,此時就需要投資人有相關經(jīng)驗進行初步判斷。本部分將闡述如何估算某地區(qū)的光伏發(fā)電站發(fā)電量及各參數(shù)的意義。
一、基本概念
1
、光伏陣列表面總輻射: 光伏陣列表面接收到的直接輻射、散射輻射及下墊面反射輻射之和。
2
、斜面總輻照量: 等于斜面直接輻照量、斜面反射輻照量與斜面散射輻照量的和。
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、光伏陣列安裝方式:固定安裝式 (選擇一個最佳傾角,完全固定:找一個年斜面輻照量的最大值對應的傾角確定為最佳傾角; 固定可調(diào)安裝方式:將全年按不同標準,如:月份、季節(jié)等,分為若干段,選擇每段中最佳傾角做光伏陣列傾角的調(diào)整。)、 跟蹤式安裝( 雙軸跟蹤式安裝方法:通過光伏組件方位角和傾角的調(diào)節(jié),使光伏組件始終垂直于入射直射光; 平單軸跟蹤安裝方法:光伏陣列軸線南北向水平布置,光伏陣列東西旋轉跟蹤太陽; 斜單軸跟蹤安裝:光伏陣列軸線為南北向固定傾角布置,光伏陣列東西旋轉跟蹤太陽)
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、STC( 標準測試條件-Standard Test Conditions ):即環(huán)境溫度25℃,大氣質(zhì)量AM=1.5
,E=1000W/㎡。
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、標稱功率
: 在標準測試條件(STC)下,所測出的光伏組件輸出功率,也稱為 峰值功率(Wp)。
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、峰值日照時數(shù)
: 一段時間內(nèi)的輻照度積分總量相當于輻照度為1000W/㎡的光源所持續(xù)照射的時間,其單位為小時(h)。
注:峰值日照時數(shù)是個等效時數(shù),不是實際光照時長。
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、標稱功率與轉換效率的關系:標稱功率= 1000W/㎡*電池片面積(㎡)*轉換效率。
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、日照時數(shù)
: 是指太陽中心從出現(xiàn)在東方地平線到進入西方地平線,照射到地面所經(jīng)歷的時間。單位為小時(h)。
注:實際光照時長,可直觀感覺到的時長。
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、安裝容量: 光伏發(fā)電系統(tǒng)中安裝的光伏組件的標稱功率之和,單位是峰瓦(Wp)。
注:安裝容量簡單講就是直流側光伏陣列峰值功率之和,此功率并不是真實發(fā)電的瞬時功率。
10、額定容量: 光伏發(fā)電系統(tǒng)中安裝的逆變器的額定有功功率之和,單位為瓦(W)。
注:額定容量就是交流側實際輸出最大有功功率。
11、容配比 :光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝容量與額定容量的比值。
二、發(fā)電量
1 、直流側
or
交流側
根據(jù)上述基本概念,我們知道光伏發(fā)電站是有兩個容量的,一個是安裝容量,另一個是額定容量,兩者其實分別代表直流側和交流側容量。此時,一個核心問題就出現(xiàn)了: 在進行項目發(fā)電量測算時,我們應該選擇直流側還是交流側?先說結論:直流側,下面將詳述原因:
首先 ,我們要知道電池片的峰值功率是在STC條件下的瞬時功率(如下圖中的W 3,其等于1000
W/㎡*轉換效率*電池片面積),實際光照條件下,瞬時輻射強度往往是低于1000W/㎡的(我國絕大部分地區(qū)光資源日瞬時輻射強度是低于1000W/㎡的),因此W 瞬往往是低于W 3。
其次 ,要注意區(qū)分日照時數(shù)和峰值日照時數(shù)——太陽東升西落的時間是日照時數(shù),在這個時間里不是所有光照輻射強度都能促使發(fā)電(低于一定輻射強度是無法進行發(fā)電的); 峰值日照時數(shù)是一個等效值,是光照連續(xù)積分后的總輻射量(如下圖T 1時段,即:8至17點,輻射量積分S等于S 1、S 2-、S 3三部分面積之和)除以1000W/㎡的等效小時數(shù),即:峰值小時數(shù)(下圖T 2時段,當S 3和S 4面積之和等于S時,其所對應的小時數(shù)),而此時的1000W/㎡就是STC條件中的要素,這就可以理解為 將一段時間的總輻射量等效為電池片以峰值功率進行發(fā)電的小時數(shù)。
再次 ,要知道逆變器的額定功率會限制交流側的輸出功率, 理論上只要逆變器的額定功率(如下圖W 2)大于等于直流側的W 瞬,項目所發(fā)電就不會被交流側額定功率所限制,也就是說并不要求一定大于等于直流側的安裝容量。以上也是光伏發(fā)電站為什么 存在容配比的原因,即:交流側實際不需要配備與峰值功率對等的容量——逆變器容量越大成本越高,當交流側容量超過一定值時,則會出現(xiàn)部分額定容量冗余的情況,此時如繼續(xù)增加額定容量將只是增加了投資成本,并不能提高發(fā)電量,因此項目設定合理的容配比,可有效提高項目綜合收益率)。
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