在此前的很長一段時間, 矽片尺寸是統一的156毫米, 行業內企業都執行這一標準, 歸一化的標準有利於行業成本的降低, 近些年隨著單多晶競爭趨於激烈, 且領跑者項目對功率有要求, 於是大家紛紛在矽片尺寸是做起了 '文章' , 但由於各家企業各自為戰, 使得矽片尺寸紛繁複雜, 156.75, 157.25, 157.4, 157.75, 158.75, 161.7甚至還有166.7等多種規格. 而且不同邊長的矽片對應多種尺寸的導角, 多種尺寸的組件版型. 複雜而不統一的規格型號增加了企業的生產成本, 企業間的交流成本以及電站業主的設計成本. 由於各自為戰的矽片標準帶來諸多生產, 交流成本, 不符合光伏平價化的大趨勢, 所以行業需要一個新的, 統一的矽片尺寸標準來消除上述成本, 然不同規格對應不同成本也有不同的收益, 不同企業生產設備不同, 對新的規格尺寸適應能力也不一樣, 什麼規格的尺寸才是能滿足大家需求, 各方均能接受的尺寸? 是本文要討論的議題.
一, 矽片大尺寸會帶來哪些好處?
由於一些企業最初矽片大尺寸化的原因是: 單多晶激烈的競爭和為了滿足領跑者的功率要求, 所以 '矽片大尺寸化' 被一些朋友扣上了 '投機取巧' 這個不太光彩的帽子. 然而實際上矽片大尺寸化有其現實的經濟意義.
1, 電池片生產線產能是按照 '通量' 來計算的, 例如最新一代的電池片生產線每小時可印刷5500片電池, 生產節拍是按照1.3秒/張×2 (雙軌設備) 來計算的, 在生產設備允許的範圍內, 更大的矽片尺寸意味著更大功率的電池產出, 雖然單條生產線的出片量還是一定的, 但是單張電池片的功率提高了. 雖然單張電池片上所要攤銷的人力, 折舊等消耗還是一致的, 但是單瓦的攤銷更低了.
2, 組件環節也是同樣, 串焊機和層壓設備也是按照 '量' 來的, 在生產設備允許的範圍內, 更大的矽片, 電池片意味著更高的生產效率.
3, 老一代生產設備精度不夠高, 在標準制定時電池片之間留有更大的空隙為精度不夠高的設備留下足夠的容錯空間. 隨著以先導智能, 捷佳偉創為代表的一系列優秀的電池設備, 組件設備生產商供應一代又一代更加廉價, 高精度的設備後, 我們需要的容錯空間更小, 電池片之間的縫隙可以減小, 隆基股份推出的M2尺寸規格 (矽片尺寸由原156mm改為156.75mm) 就是通過縮小電池片間縫隙, 沒有改動組件尺寸的情況下實現的, 這等效於單位組件面積內功率提升. 這個方面的潛力挖掘似乎還沒有到頭, 晶澳太陽能近期在不改變組件尺寸的前提下把矽片尺寸做到了157.4mm.
通過以上幾個方面例子我們發現, 矽片大尺寸化絕非投機取巧, 經過測算, 在不明顯增加電池環節成本, 不明顯改變下遊組件尺寸, 不增加下遊電站建設成本的情況下, 通過改善矽片尺寸化可以使組件功率提升1~3% (不同矽片規格對應不同提升幅度) , 雖然這個提升微不足道, 但在電池片效率提升越來越難得情況下, 矽片大尺寸化勢在必行, 從這些角度上看, 一定程度內的大尺寸化是挖掘現有設備潛力的 '微創新' .
二, 矽片大尺寸化面臨哪些障礙?
適度的矽片大尺寸化好處多多, 但並非沒有盡頭, 伴隨著矽片尺寸的增大, 阻礙也就越來越多. 矽片尺寸增大到158.75需要更換花籃, 夾具等設備, 對於老的電池設備產能而言技改費用約為40萬/100兆瓦; 尺寸進一步增大到161.7mm時電池產線需要更換的設備就更多, 技改費用增加到60萬/百兆瓦; 而當矽片尺寸大於161.7mm時就超過了現有PECVD設備的承受極限, 此時對於較老的電池產能就失去了技改的經濟意義. 而對於166.7mm這種超大尺寸矽片則就需要定製化設備才行了. 從標準的制定角度看, 一個標準的出台就要儘可能多的適應不同企業的訴求. 如果我們認為這一輪大尺寸化的過程是挖掘設備潛力而又不明顯改變組件尺寸的 '微創新' , 那麼太大矽片尺寸就是創新過度.
從組件環節看, 矽片尺寸從156mm增大到157.4mm不需要增加組件尺寸; 158.75的矽片需要60型組件長度增加1.4cm, 增寬0.8cm; 161.7尺寸的矽片需要60型組件長度增加4.5cm; 寬度增加2.6cm; 使用166.7mm矽片的60型組件尺寸長度增加約12cm, 寬度增加6cm. 曆史經驗看: 亞太地區青睞60型組件, 歐美地區親來72型組件, 之所以出現這樣現象的背後就是各地安裝工人的體格不同, 當前組件尺寸是經過多年經驗摸索確定下來的, 我們可以一夜間把組件尺寸加長12CM, 但不可能讓安裝工人的平均身高一夜間長高12cm. 組件尺寸過於顯著的變化, 將會使終端客戶接受過程中面臨眾多障礙. 不僅是終端接受度的問題, 伴隨著組件尺寸的增大, 我們需要更大的光伏玻璃, 更大的封裝邊框和膠膜, 更昂貴的運輸費用和安裝費用, 更結實的光伏支架和更大的佔地面積. 所以我們可以看到, 矽片尺寸大到一定程度其帶來的邊際效益為零, 而且由於非標組件帶來更高的設計成本, 當矽片尺寸超過一定程度時, 甚至可能出現大尺寸化邊際效益為負的情況.
三, '微創新' 視角下的下一代單晶矽片規格的選擇
熟悉我的朋友應當知道我喜歡從第一性原理出發思考問題, 寫過一些光伏行業研究方法論的文章, 也寫過光伏哲思錄系列. '微創新' 是我今天反覆強調的三個字, 也是我對此輪矽片大尺寸化本質的理解, 和上一輪矽片尺寸由125mm提升至156mm進而革命性的降低光伏發電成本不同, 現在行業上下並沒有顯著改變矽片尺寸的訴求, 而是盡量不改變現有產業格局下的潛力挖掘, 是一種微創新, 微進步. 在選型下一代矽片尺寸時, 如果我們能把它理解為 '微創新' , 那麼很多問題也就迎刃而解, 166mm尺寸的矽片自然是一個首先排除的選項, 因為這個標準顯著改變了組件尺寸, 終端客戶必定會有強烈反彈進而使之不能成為主流標準. 同樣道理, 我也不是特別看好161.7這個尺寸, 畢竟組件長度增加4.5cm已經算得上是十分顯著.
事物總是有兩面性, 在產業上下不能接受太大的改變的同時, 太小的改變又容易讓人忽略不接. 既然是 '微創新' , 要增加投入成本, 我們在新一代矽片尺寸的選擇上至少要做出能讓終端客戶感知的到的提升. 近期多晶組件應用157.25等尺寸, 僅是為了更高比率的組件能做到275W以上的無奈選擇, 遠算不上是一次創新. 所以改變太小就可能算不上創新了, 因為終端客戶可能就沒有明顯感知了, 自然也就無法在組件端帶來明顯的溢價.
在 '微創新' 視角下矽片尺寸改變在既不能太大 (產業接受有問題) , 又不能太小 (進步不明顯消費者無法感知) 兩方約束下, 我們發現選擇似乎豁然開朗, 直接得出我自己的結論吧: 我認為下一代更合適的單晶矽片尺寸為160mm厚度, 158.75mm邊長的方形單晶矽片. 理由如下:
1, 158.75mm邊長的矽片比現有156.75mm的矽片僅長2mm, 現有的全部產能都能通過技術改造升級, 且技改費用合理, 可承受. 根據某大企業電池技術總監給我提供的數據, 即便對於很老的電池產能, 100MW的技改費用也可以控制在40萬以內.
2, 158.75mm邊長的方形單晶矽片的面積 (25,197m㎡) 比現在的M2規格單晶矽片面積 (24,429m㎡) 大3.14%, 根據我從愛旭方面的了解, 在現在M2尺寸下2019年年底預期主流功率可以達到315~320W, 那麼電池片面積增大3.14%從理論上測算帶來的功率提升最大可達到10.05瓦, 相當於組件兩個功率當, 提升幅度已經達到了 '顯著' 的水平, 消費者可明顯感知這一提升, 若這一規格尺寸的矽片能得以推廣併疊加電池技術的進步, 我們在2019年年底有望見到60版型單晶perc組件主流功率接近甚至達到330瓦的水準.
3, 158.75mm邊長的電池片封裝後的組件規格尺寸僅增長1.4cm, 按照百分比測算相當於增加1%, 且由於應用到了160um更薄的矽片以及與之相對應的更薄的EVA, 雖然組件面積增大1%, 組件整體總重量保持不變. 對於安裝運輸等環節把不利影響降低到了最小.
4, 生產158.78mm的方形單晶矽片拉晶體環節和矽料環節的成本有所增加, 但矽片厚度從180um降低到160um帶來的成本下滑更為顯著. 所以綜合測算: 生產158.75mm, 160um厚度的方形單晶矽片的成本會比180um厚度的M2矽棒成本低8分錢 (後面會有詳盡測算) .
綜上四點: 158.75mm邊長, 160um厚度, 224.5mm對角線的方形單晶矽片有生產成本降低, 組件重量不變, 功率提升兩檔, 電池端接受度高等諸多優勢.
四, 方形單晶矽片是 '微創新' 視角下的必選項
這一節先普及一些基礎知識, 專業人士可直接跳過
矽片尺寸不僅涉及邊長, 還要涉及形狀. 所以今天討論的議題不僅涉及矽片的邊長, 自然還需要涉及矽片的形狀. 在以前, 單晶矽棒的長晶成本十分高昂, 矽料價格也是高高在上, 所以為了盡量減少浪費, 單晶矽片都會留有四個 '導角' .
這四個導角最終體現在組件上就是封裝留白.
組件封裝留白本質上是一種浪費, 在以前拉晶成本高, 矽料價貴的時代, 封裝的導角留白是經濟理性的, 而時間點來到當下, 矽料價格已經相比去年已經跌去一半, 單晶拉晶成本也顯著性的下滑, 金剛線切割和薄片化的推廣更顯著降低了切片成本, 我們是否到了可以消滅單晶矽片導角, 消滅單晶組件的封裝留白的曆史性時刻呢?
我們更進一步把問題量化: 要想生產158.75mm方形單晶矽片需要矽棒的生長直徑由原先的215mm增加到228mm, 進而增加長晶和矽料的成本. 但與此同時消滅單晶矽片導角可使組件有效利用面積增加, 下遊電池和組件環節在完全不增加任何成本的情況下可提升組件功率進而帶來價值. 所以要回答是否要使用方形單晶本質上就是要回答: 方形單晶帶來功率提升的價值是否顯著大於拉晶, 矽料環節增加的成本? 其實這又可以分解為兩個問題:
1, 生產方形單晶矽片成本會增加多少?
2, 方形單晶矽片帶來的功率提升價值有多少?
計算前的一個原理, 兩個假設:
基本原理: 面向未來的分析要基於面向未來的假設.
兩個假設: 由於我認為未來P型單晶矽片會過渡到160um厚度, 且根據本文第三節的分析, 矽片邊長有潛力成為158.75mm, 所以下面的測算中我們都是基於160um厚度以及158.75mm邊長這兩個面向未來的假設.
問題一的解答: 生產方形單晶矽片成本會增加3.78元/60片.
生產對角線長度為210mm, 邊長為158.75mm, 厚度160um的帶導角的單晶矽片的成本為: 2.358元/片, 計算過程如下:
生產對角線長度為224.5mm, 邊長為158.75mm, 厚度為160um的方形單晶矽片的成本為: 2.421元/片.
(注釋: 計算中假設215直徑圓棒每1kg的長晶成本為34元 (粉色部分) , 而228直徑的圓棒1kg的長晶成本為32元, 這所以這樣假設是因為228直徑的圓棒橫截面更大, 晶體生長的接觸面更大從而可帶來單位kg長晶成本的降低)
答案: 在158.75尺寸上引入方形單晶的尺寸會使得每張單晶矽片成本增加2.421-2.358=0.063元, 每片組件成本增加0.063×60=3.78元. 這是引入方形單晶矽片所需要增加的成本.
問題二的解答方形單晶矽片帶來的功率提升價值有多少?
158.75的方形單晶矽片有效面積 (25,193m㎡) 比158.75的帶導角的單晶矽片的有效面積 (24,983m㎡) 大0.84%, 對應明年單晶perc主流315瓦的功率, 0.84%面積增大可帶來315×0.84%=2.65瓦的功率提升. 組件功率提升有兩個方面的價值, 一個方面是更大功率組件帶來的面積相關成本更有效的攤銷 (反過來說是更高功率組件可以賣更貴) ; 另一方面是增加的功率本身具有價值. 兩方面的價值分別為:
面積相關成本500元的假設下, 組件功率提升2.65瓦帶來面積相關攤銷價值為: 500÷315 — 500÷317.65=0.0132×315=4.17元.
按照2019年perc組件1.9元的預期售價, 2.65瓦的價值為2.65×1.9=5.03元.
所以消滅導角帶來的價值為4.17+5.03=9.2元.
本節結論:
對於一張60型的組件而言, 消滅單晶矽片的導角所需增加的成本為3.78元, 而消滅導角所帶來的功率提升的價值為9.2元, 帶來的價值顯著大於所增加的成本, 理性分析下, 新一代單晶矽片尺寸的制定消滅單晶矽片導角, 全面推廣方形單晶是必選項. 而且從長久角度考慮: 方形單晶矽片有利於未來推廣疊瓦技術, 是為下一輪組件封裝技術革命的標準準備工作.
再回到本節的主題, 從晶科, 天合等光伏出貨量龍頭企業的技術負責人方面了解到: 對於電池和組件環節, 使用方形的單晶矽片沒有任何障礙, 無需增加任何成本就可以帶來功率提升. 推廣方形單晶矽片唯一需要改變的就是長晶環節生長更 '粗' 的矽棒, 從隆基方面了解, 這個也沒有什麼技術難度. 產業上下所需要作出的改變很少, 帶來的價值顯著大於帶來的成本, 方形單晶矽片是典型的 '微創新' 活動. 反過來也是 '微創新' 思路下的最沒有障礙的選擇, 最容易作出的改變. 所以我本節題目才說: 方形單晶矽片是 '微創新' 視角下的必選項.
文章結語:
下一代單晶矽片尺寸規格是邊長158.75mm, 厚度160um, 對角線224.5mm的方形單晶矽片是我基於一系列思考和匯總的資訊得到的結論. 這一規格下: 矽片成本不增加甚至會比現在156.75的180um厚度的單晶矽片略有降低, 組件尺寸不發生大的改變, 組件重量保持不變但是組件功率有望提升兩檔 (10瓦) . 若這一尺寸能在2019年得到普及, 60版型的單晶perc組件功率有望在2019年末達到330瓦, 從而繼續保持組件功率每年10瓦以上提升的高速度.
與此同時我還特別想強調的是, 這個規格僅是我自己的思考, 不絕代表它一定就是最合理, 最好的, 我在本文章詳盡記錄了分析的過程和基礎數據. 結論不是關鍵的, 思考的過程和方法才是關鍵. 我更希望能在思考方法上給大家在下一代矽片尺寸標準選定上提供一些借鑒. 若本文能對大家思考未來單晶矽片尺寸選擇上有丁點作用, 我便心滿意足.
