即使寿命短的太阳能电池板在经济上也可行：模块替换加速光伏市场化

【研究亮点】

1）定期更换模块会降低太阳能光伏PV模块的初始使用寿命要求；

2） 新出现PV的技术的初始寿命小于15年，可以达到具有竞争力的平均的电力成本(LCOE)；

3）当非模块成本主导系统成本时，模块替换是最有价值的；

4）持续的技术改进对于实现替代利益至关重要。

【研究背景及简介】

在过去十年中，太阳能光伏（PV）的电力成本下降了10倍，这主要是由于模块成本的降低。要获得更多收益，就需要在融资，效率和模块成本方面不断创新。一种有前途的途径是通过新兴技术，例如金属卤化物钙钛矿，尤其是在串联结构中。但是，对于任何新技术而言，要证明数十年的使用寿命是一项重大挑战。发现定期更换模块可以使具有较短初始寿命的技术达到有竞争力的成本。启用替代策略将需要在新设计，操作程序和融资方案上做进一步的工作。一项新的研究表明，与太阳能发电行业内的普遍看法相反，新型太阳能电池和面板不一定要持续25到30年才能在当今市场上具有经济可行性。相反，即使对于电网规模的安装，初始使用寿命短至10年的太阳能电池板有时也具有经济意义-因此可能为有希望的新太阳能PV技术打开大门。对于决策者和行业参与者来说，模块替换提供了一个保持低成本的机会，同时支持高潜力PV技术的短期部署。

近期，麻省理工学院Joel Jean证明了一种模块替换策略可以在初始模块寿命小于15年的情况下实现具有竞争力的平均电力成本，前提是向后兼容原系统设计。还评估了模块更换对生命周期环境的影响，模块替换可以加速新兴PV技术的市场化。该研究发表在著名期刊Joule上。

【图文导读】

典型的多晶硅(mc-Si)模块的模块价格、效率和退化率的未来演变。技术进步的必然进步，这使得模块成本越来越低、效率更高、更可靠。从开发人员的角度来看，模块价格-成本从0.30美元/w下降到0.15美元/W的成本下限，平均效率从19.1%提高到25%的最高实用值。线性退化率从0.70%/年(相当于29年的T80寿命)下降到0.30%/年(67年的寿命)。

图1、各种PV技术的价格、PCE和降解率的演变。（a）c-Si和薄膜模块的模块价格趋势；（b）记录单晶硅和多晶硅(sc/mc-Si)、碲化镉(CdTe)、铜铟镓(Di)硒化物(CIGS)和钙钛矿的电池和典型组件效率；（c）基于c-Si模块历史保证的模块退化率。

基于美国PV系统基准的模块替换技术经济建模

30年分析期间的系统成本和性能数据，模块更换对LCOE的相对影响与局部日照无关。

图2、模块替换的PV系统运行。（a）周期模块替换原理图；（b）时间序列数据的100兆瓦公用事业规模系统采用标准的运行策略，没有模块替换；（c）同一系统的时间序列数据，该系统采用模块替换策略，在第15年采用单一替换事件。

模块替换使具有竞争力的LCOE具有更高的初始退化速率

LCOE如何依赖于模块替换周期和初始退化率，从不替换基线向左移动对应于更频繁地替换模块。从不更换到15年更换，公用事业系统的LCOE减少了1.2%，商业系统减少了4.6%，住宅系统减少了8.9%。更换模块的确切时间和频率并不重要。

图3、不同初始退化速率下模块更换对LCOE的影响。（a）住宅规模PV系统的选定初始退化率的LCOE优化相对于模块替换期；（b）商业规模PV系统的选定初始退化率的LCOE优化相对于模块替换期；（c）公用事业规模PV系统的选定初始退化率的LCOE优化相对于模块替换期；（d）LCOE是住宅的初始退化率和替换期的函数。PL光谱；（e）LCOE是商业系统的初始退化率和替换期的函数。衰减曲线；（f）LCOE是公用系统的初始退化率和替换期的函数。

为了评估LCOE结果对关键输入参数的敏感性，在保持其他参数不变的同时，将每个参数围绕其默认值进行更改。LCOE对前期模块和BOS成本、容量因素和贴现率自然最敏感-例如，增加年能源产量或降低未来发电价值折扣的程度，降低水平成本。其他关键参数包括初始和最大模块效率、分析周期和替换期。发现LCOE对模块回收成本相对不敏感。周期性模块替换对模块退化率的改善带来的回报急剧减少，使得LCOE对初始和最低速率都不敏感。

图4、LCOE对关键输入参数的敏感性。

随着模块的替换，寿命较短的新兴技术变得更具竞争力

比较了LCOE是否替换了3种技术：标准商业模块(例如c-Si、CdTe或CIGS)、假设的低成本商业模块和假设的高效率新兴光伏模块。每种技术的未来模块价格、效率和退化率都遵循不同的轨迹。目前新兴PV技术的退化和失效率是高度不确定的。

图5、新兴PV技术的模块替换。（a）预测每瓦新模块价格向具有代表性的商业模块(硅或薄膜)的最低可持续值的演变，商业模块的假设低成本版本(例如，具有低成本封装、框架和玻璃的c-Si)，以及假设的高效率新兴光伏模块(例如钙钛矿-硅或钙钛矿-CIGS串联)；（b）模块效率的演变；（c）模块退化率的演化新出现的技术被认为是以2%/年的高降解率开始的，随着材料工程、堆栈设计和模块封装的改进，每年下降到0.5%；（d）计算不同系统和模块类型的LCOE，不替换模块(黑色)，替换15年模块(CONS)，不替换模块，假设初始模块成本和性能等于(A)-(C)(灰色)中的最终值。

模块替换的LCOE影响在很大程度上取决于可归因于模块的系统成本的比例。

图6、模块替换后LCOE对模块成本贡献的敏感性

模块更换对环境的影响

根据以前的太阳能光伏生命周期评估(LCAS)，评估模块更换对人类和环境健康的影响。LCAS评估从摇篮到坟墓物料的提取和加工、模块制造(包括现场准备和设施建设)、制造废物的回收、运输、系统建设、操作和维护对环境的影响。

发现与今天的发电组合相比，太阳能光伏在大多数环境影响类别中都有好处，不管是否更换了模块。比较当今的商业技术，我们观察到模块替换对mc-Si PV的环境影响比CdTe或CIGS大得多，这是由于mc-Si的模块生产所造成的生命周期影响的更大一部分。

图7、太阳能光伏组件更换前后对生命周期环境影响

【总结】

在以非模块成本为主的现代光伏系统中，用更经济、更高效、更可靠的模块定期替换组件是经济上有利的。关键的条件是，与已安装的模块相比，效率增益-考虑到退化-必须足够大，以证明更换成本的增加是合理的。作者对模块更换过程的分析表明，根据当地情况的不同，在10到15年后更换新的模块在许多情况下都可以提供经济优势，同时又可以保持太阳能在环境和减少排放方面的诸多优势。成本竞争力的基本要求是，要在美国安装的任何新太阳能技术都应从至少20％的模块效率，每瓦成本不超过30美分的寿命以及至少使用寿命的开始10年，在这三个方面都有改进的潜力。这一违反直觉的发现突显了新兴太阳能技术在短期内进入市场的潜在机会，这些技术可以达到极低的成本，但缺乏几十年的实地部署经验。

Joel Jean, Michael Woodhouse, VladimirBulović, Accelerating Photovoltaic Market Entry with Module Replacement, Joule, 2019, DOI:10.1016/j.joule.2019.08.012