深入了解太陽能光伏組件技術(shù)

毫無疑問，光伏組件是光伏電站最重要的設(shè)備之一!本文將對光伏組件進行全方位的介紹。

光伏組件的分類

近10年不同類型組件的市場占有率情況。

圖1：各類光伏組件2006~2015年的出貨量情況

普通晶硅組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

雙玻組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

光伏組件的轉(zhuǎn)化效率

1功率

我們常說，采用255Wp光伏組件。下表的“p”為peak的縮寫，代表其峰值功率為255W。所有的技術(shù)規(guī)格書中都會標注“標準測試條件”的。下圖為常州天合的光伏組件技術(shù)規(guī)格書一部分(250W，下同)。

只有在標準測試條件(STC條件，輻照度為1000W/m2，電池溫度25℃，AM=1.5)時，光伏組件的輸出功率才是“標稱功率”(250W)。當輻照度和溫度變化時，功率肯定會變化。另外，功率誤差為正負3%，說明組件的實際功率是242.5~257.5W都是增長的。不過，這個組件的功率偏差為正偏差3%。

在非標準條件下，光伏組件的輸出功率一般不是標稱功率，下圖為NOCT條件下標稱功率為250W、255W的參數(shù)。

輻照度為800W/m2，電池溫度20℃時，250W的組件輸出功率只有183W，為標況下的73.2%。

2光電轉(zhuǎn)化效率

1)效率的計算方法

理論上，尺寸、標稱功率相同的組件，效率肯定是相同的。光伏組件是由電池片組成，一塊光伏組件通常由60片(6×10)或72片(6×10)電池片組成，面積分別為1.638 m2(0.992m×1.652m)和3.895 m2(0.992m×1.956m)。

輻照度為1000W/m2時，1.638 m2組件上接收的功率為1638W，當輸出為250W時，效率為15.3%，255W時為15.6%。

2)國家標準對效率的要求

根據(jù)2月5日國家能源局綜合司頒布的《關(guān)于征求發(fā)揮市場作用促進光伏技術(shù)進步和產(chǎn)業(yè)升級意見的函》(國能綜新能[2015]51號)規(guī)定：

自2015年起，享受國家補貼的光伏發(fā)電項目采用的光伏組件和并網(wǎng)逆變器產(chǎn)品應(yīng)滿足《光伏制造行業(yè)規(guī)范條件》相關(guān)指標要求,如下圖所示。

以常用的60片的多晶硅光伏組件為例，不同規(guī)格的轉(zhuǎn)換效率如下表。

因此，2015年以后，要獲得國家補貼就必須使用255W以上的光伏組件;270W以上的光伏組件才能算“領(lǐng)跑者”。

3電壓與溫度系數(shù)

電壓分開路電壓和MPPT電壓，溫度系數(shù)分電壓溫度系數(shù)和功率溫度系數(shù)。在進行串并聯(lián)方案設(shè)計時，要用開路電壓、工作電壓、溫度系數(shù)、當?shù)貥O端溫度(最好是晝間)進行最大開路電壓和MPPT電壓范圍的計算，與逆變器進行匹配。

影響光伏組件出力的幾個因素

1熱斑效應(yīng)

一串聯(lián)支路中被遮蔽的太陽電池組件，將被當作負載消耗其他有光照的太陽電池組件所產(chǎn)生的能量，被遮蔽的太陽電池組件此時會發(fā)熱，這就是熱斑效應(yīng)。

這種效應(yīng)能嚴重的破壞太陽電池。有光照的太陽電池所產(chǎn)生的部分能量，都可能被遮蔽的電池所消耗。而造成熱斑效應(yīng)的，可能僅僅是一塊鳥糞。

為了防止太陽電池由于熱斑效應(yīng)而遭受破壞，最好在太陽電池組件的正負極間并聯(lián)一個旁路二極管，以避免光照組件所產(chǎn)生的能量被受遮蔽的組件所消耗。當熱斑效應(yīng)嚴重時，旁路二極管可能會被擊穿，令組件燒毀，如下圖(圖片來自于TUV-Rheinland)。

2PID效應(yīng)

電位誘發(fā)衰減效應(yīng)(PID，PotentialInduced Degradation)是電池組件長期在高電壓作用下，使玻璃、封裝材料之間存在漏電流，大量電荷狙擊在電池片表面，使得電池表面的鈍化效果惡化，導(dǎo)致組件性能低于設(shè)計標準。PID現(xiàn)象嚴重時，會引起一塊組件功率衰減50%以上，從而影響整個組串的功率輸出。高溫、高濕、高鹽堿的沿海地區(qū)最易發(fā)生PID現(xiàn)象。

造成組件PID現(xiàn)象的原因主要有以下三個方面：

1)系統(tǒng)設(shè)計原因：光伏電站的防雷接地是通過將方陣邊緣的組件邊框接地實現(xiàn)的，這就造成在單個組件和邊框之間形成偏壓，組件所處偏壓越高則發(fā)生PID現(xiàn)象越嚴重。對于P型晶硅組件，通過有變壓器的逆變器負極接地，消除組件邊框相對于電池片的正向偏壓會有效的預(yù)防PID現(xiàn)象的發(fā)生，但逆變器負極接地會增加相應(yīng)的系統(tǒng)建設(shè)成本;

2)光伏組件原因：高溫、高濕的外界環(huán)境使得電池片和接地邊框之間形成漏電流，封裝材料、背板、玻璃和邊框之間形成了漏電流通道。通過使用改變絕緣膠膜乙烯醋酸乙烯酯(EVA)是實現(xiàn)組件抗PID的方式之一，在使用不同EVA封裝膠膜條件下，組件的抗PID性能會存在差異。另外，光伏組件中的玻璃主要為鈣鈉玻璃，玻璃對光伏組件的PID現(xiàn)象的影響至今尚不明確;

3)電池片原因：電池片方塊電阻的均勻性、減反射層的厚度和折射率等對PID性能都有著不同的影響。

上述引起PID現(xiàn)象的三方面中，由在光伏系統(tǒng)中的組件邊框與組件內(nèi)部的電勢差而引起的組件PID現(xiàn)象被行業(yè)所公認，但在組件和電池片兩個方面組件產(chǎn)生PID現(xiàn)象的機理尚不明確，相應(yīng)的進一步提升組件的抗PID性能的措施仍不清楚。

3電池片隱裂

隱裂是電池片的缺陷。由于晶體結(jié)構(gòu)的自身特性，晶硅電池片十分容易發(fā)生破裂。晶體硅組件生產(chǎn)的工藝流程長，許多環(huán)節(jié)都可能造成電池片隱裂(據(jù)西安交大楊宏老師的資料，僅電池生產(chǎn)階段就有約200種原因)。隱裂產(chǎn)生的本質(zhì)原因，可歸納為在硅片上產(chǎn)生了機械應(yīng)力或熱應(yīng)力。

近幾年，晶硅組件廠家為了降低成本，晶硅電池片一直向越來越薄的方向發(fā)展，從而降低了電池片防止機械破壞的能力。

2011年，德國ISFH公布了他們的研究結(jié)果：根據(jù)電池片隱裂的形狀，可分為5類：樹狀裂紋、綜合型裂紋、斜裂紋、平行于主柵線、垂直于柵線和貫穿整個電池片的裂紋。

圖：晶硅電池隱裂形狀

不同的隱裂，對電池片功能造成的影響是不一樣的。對電池片功能影響最大的，是平行于主柵線的隱裂(第4類)。根據(jù)研究結(jié)果，50%的失效片來自于平行于主柵線的隱裂。45°傾斜裂紋(第3類)的效率損失是平行于主柵線損失的1/4。垂直于主柵線的裂紋(第5類)幾乎不影響細柵線，因此造成電池片失效的面積幾乎為零。

有研究結(jié)果顯示，組件中某單個電池片的失效面積在8%以內(nèi)時，對組件的功率影響不大，組件中2/3的斜條紋對組件的功率穩(wěn)定沒有影響。

光伏組件性能的檢測

光伏電站運行一段時間后，需要進行檢測，來確定光伏電站的性能。涉及光伏組件的，主要包含以下項目。

1功率衰減測試

光伏組件運行1年和25年后的衰減率到底有多少?25年太久，現(xiàn)在可能還沒有運行這么長時間的電站。按國家標準，晶硅電池2年的衰減率應(yīng)該在3.2%以內(nèi)。但目前這個數(shù)據(jù)還真的很難說，原因有三：

1)光伏組件出場功率是用實驗室標準光源和測試環(huán)境標定的，但似乎國內(nèi)不同廠家的標準光源是存在一定的差異的。那在A廠標定的250W的組件，到了B廠，可能就是245W的組件的。

2)現(xiàn)場檢測所用的儀器精確度較差，據(jù)說5%以內(nèi)的誤差都是可以接受的。用誤差5%的儀器，測2%(1年)的衰減，難度有些大，結(jié)果也令人懷疑。

3)現(xiàn)場的測試條件跟實驗室的相差較大，正好在1000W/m2、25℃的時間太少了!所以，就需要進行一個測試值向標準值的轉(zhuǎn)化，而輸出功率與輻照度僅在一個很小的區(qū)間內(nèi)正相關(guān)。如圖2所示，即使在800W/m2時，也不是正相關(guān)的。因此，在轉(zhuǎn)化的時候，肯定存在誤差。

另外，很多組件出場可能就是-3%的功率偏差，還沒衰減，3%就直接沒了……

2EL測試

當光伏組件出現(xiàn)問題時，局部電阻升高，該區(qū)域溫度就會升高。EL測試儀就像我們體檢中的X光機一樣，可以對光伏組件進行體檢——通過紅外圖像拍攝，根據(jù)溫度不同，圖像呈現(xiàn)不同的顏色，從而非常容易的發(fā)現(xiàn)光伏組件的很多問題：隱裂、熱斑、PID效應(yīng)等。

光伏組件在運輸、搬運、安裝等過程中，容易被踩踏、撞擊，導(dǎo)致組件產(chǎn)生不易察覺的隱裂，極大影響組件輸出功率。用EL變可以檢測出來，如下圖。

下圖為熱斑現(xiàn)象的紅外照片(圖片來自于TUV-Rheinland)，紅點部分為產(chǎn)生熱斑處。

下圖為PID效應(yīng)的紅外照片， PID效應(yīng)嚴重的電池片發(fā)黑。

除了上述檢測外，對組件的外觀檢查也非常重要。如組件背板劃痕、變黃、鼓泡，連接器脫落等。

近期光伏組件價格變動

光伏電站受政策影響，會在某一時間段集中投產(chǎn)。因此，造成一年內(nèi)對上游的需求變化非常大。下圖為最近30周(2016年6月~2017年2月)光伏組件價格變化曲線。

2016年SNEC之前(5月份之前)，多晶光伏組件的價格一直維持在3.8元/W左右，6月份后下降10%以上;到8月份的招標時爆出3.05元/W的價格，

預(yù)計2017年630后價格價格也會快速下降，預(yù)計會在2.5元/W以內(nèi)。