雙面光伏組件失配原因及解決方案

王鳳皋

摘 ?要：光伏組件將光能轉換成電能，是光伏發電系統的核心部件，發電性能直接影響到系統發電量。但客觀存在的組件失配，降低了系統發電輸出，影響了項目整體收益。“組件失配”一般伴隨項目的全周期，其原因是多方面、多層次的。文章從研究光伏組件失配產生的原因出發，深入剖析了“內部電性能”與“外部環境”兩方面的影響，給出降低組件失配的方案。

關鍵詞：雙面組件;失配;電性能;外部環境

中圖分類號：TM914 ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）19-0139-02

Abstract： Photovoltaic modules convert solar energy into electrical energy， which is the core component of photovoltaic power generation system， and the power generation performance directly affects the power generation of the system. However， the objective mismatch of components reduces the power generation output of the system and affects the overall income of the project. "Component mismatch" is generally accompanied by the full cycle of the project， and the reasons are multifaceted and multi-level. Based on the study of the causes of photovoltaic module mismatch， this paper deeply analyzes the influence of "internal electrical performance" and "external environment"， and gives a scheme to reduce the module mismatch.

Keywords： double-sided components; mismatch; electrical performance; external environment

在光伏系統中，一個陣列、同一時間不同組件發電性能（電流、電壓、輸出功率）的不一致，就是組件的失配。組件的失配，短期內會影響系統發電量。業內研究證明，一般的組件失配，會降低3%-6%的系統效率;長期的失配會加劇組件熱斑現象，造成封裝脫層、玻璃破裂，降低使用壽命，甚至造成系統喪失發電性能、火災等嚴重事件。

與傳統單面組件相比，雙面電池組件增加了“背面”發電，項目系統發電量更高，越發受到用戶青睞，其市場占有率逐年提高。隨著技術的發展，雙面組件背面效率得到了極大的提升，組件整體發電量提升的同時，背面因素造成的組件失配也逐漸引起行業重視。雙面組件正反兩面既有共用“線路”、“封裝”材料的一致性，又有溫度、采光條件等客觀條件的相互影響，失配現象也更為復雜。

1 失配原因分析

雙面組件的失配[1]有兩方面原因，一是組件自身內部電性能存在的差異，包括發電單元（電池）的性能、串并聯線路損失、封裝材料影響等;二是組件安裝環境的區別，包括陰影遮擋、氣候、安裝高度、地面反射等。研究其失配現象，既要參照安裝的初始狀態，又要關注產品生命周期內的動態變化。

1.1 內部性能失配

內部性能失配損失的根本原因是發電單元的“性能差異性”。可以具體到一個組串、一塊組件、一片電池甚至電池的某一個微型區域。具體分析如下：

1.1.1 材料和工藝造成的性能差異

雙面電池的生產和組件的封裝，均要經過復雜的工藝過程。從原材料到電池的生產成型，其材料均勻度、制造工藝不可避免的造成電池電性能的差異。雙面組件的生產是結合多種材料組合、經歷多環節產業鏈的一個過程。多材料、多環節的差異性累加，不可避免的造成最終產品的性能差異。

1.1.2 背面差異性

雙面電池的正面沿襲了傳統單面電池的工藝，性能差異性逐漸縮小，離散率趨于集中。而背面技術處于起步階段，成熟度遠不及正面，性能離散率相對發散，目前解決背面差異，改進技術需要一個過程。

1.2 外部環境失配

光照條件、氣候等外在環境，對組件施加外在因素的影響，造成因外部環境產生的組件失配。

1.2.1 光照條件

光照條件是影響組件發電最直接的外部因素。受傳統設計觀念的影響，雙面組件在設計時，著重考慮了組件正面光線的接收程度，而背面采光的研究利用，往往被忽視。包括支架、設備等障礙物的直接陰影遮擋，還包括地面反射、組件安裝高度、組件對地表覆蓋度的間接光線反射程度。由此造成組件電池背面采光程度不一致，發電性能不一致，由此造成光電轉換能力失配。

1.2.2 氣候的累積影響

溫度、濕度、酸堿度、風力等氣候條件會對組件施加持續性的外在影響，這種間接影響往往是不均衡的、持久的。比如溫度差異影響組串線路電阻率線損，濕度會破壞封裝材料的穩定性，酸堿度會增加玻璃的腐蝕，風力對組件支架施加外力等等，這種不均衡、持續的累積造成組件電性能積累失配。

明顯的環境效能失配有可能是初始環境差距太大造成的，也有可能是初始微小失配經歷長時間積累后的外在表現。一般來說，隨著時間的積累，效能失配會一直存在且持續加劇。

2 措施方案

雙面組件失配的原因主要是組件內在的性能差異和外在的環境影響差異。提高產品性能一致性和減少環境差異性，是解決組件失配最有效的途徑。

2.1 提高產品性能一致性

2.1.1 加強質量控制

提高產品整體性能穩定性，將追求成品“一致性”作為總質量目標，加強質量控制管理，解決組件內在的性能差異。

加強電池材料及加工工藝。電池是組件發電的核心，材料和加工制造的質量控制至關重要。選用純度、致密性、均勻度、一致度更高的硅料，減少硅錠（棒）材料體積、平面差異，為一致性做好材料基礎;電池制成的環節，需經歷雙面制絨、擴散、激光參雜、退火、PERC、正面鍍膜、背面鈍化、背面激光開槽、絲網印刷、燒結等復雜工藝，加強這些工藝環節的質量管控，為避免各種參雜技術及工藝流程造成電池的差異性，采用標準化、高精度、程序化的技術和生產工藝，更能確保電池的性能一致性。

組件設計優化環節[2]，可以從降低失配概率和減小衰減速度兩方面考慮。

與正面相比較，背面性能離散率存在的差距，是造成整體電池性能差異的重要原因。隨著技術的進步，單片電池尺寸不斷做大，由于材料及工藝造成的電氣差異性更趨于明顯。可通過如下方式進行解決：

首先，在保證組件產品工藝質量的前提下，將大片進行切片，一方面可以降低大尺寸電池易隱裂的概率;另外一方面，因切片后電池數量會成倍的增加，組件可以有更多的組串，每一組串的電流會成比例的減少，降低了線路 “熱斑”形成的概率，累積失配衰減率更小。

其次，由于主柵是電池發電電流匯集、運輸的通道，隨著電池生產工藝的成熟，可以考慮增加電池主柵的數量，多主柵可以加快帶電離子的速度，降低線損，減少熱量損失，降低失配概率和失配衰減速度。

最后，組件的封裝設計，需考慮各組串間的配置、路徑保持均衡一致，由此來減小線路損失的差異;組串的優化設計是很有必要的，防反二極管、旁路二極管的優化設計，可以保證組件整體的性能穩定性，大幅降低失配的概率。

2.1.2 雙面雙分檔質量控制方法[3]

針對雙面組件的特點，建議將“雙面雙分檔”納入整個系統的質量控制體系，進行精細化管理，階段性縮小參數差異。具體實施原則為：以“電流、電壓、功率”作為衡量參數，電池正反面分別建立歸檔標準，設立分檔控制點，進行階段性控制管理，不同分檔間不允許混淆使用。分檔控制點可以考慮在生產的某個重要節點，特別是具有里程碑意義的關鍵點。參照雙面組件的工藝特點，建議將電池生產成型、電池封裝前的切片和組件成品三個節點作為重要控制點。

2.2 減少環境差異

減少雙面組件光照環境的差異，需要對正反面光照條件進行分別研究，由于背面環境的復雜性，其難點是組件背面環境。

首先，與傳統單面組件比較，雙面組件的支架應盡可能安裝在組件的邊緣，以減少地面反射的遮擋;支架檁條與組件還應保持適當的距離，有利于組件的熱量散失，減少時間失配加劇積累。

其次，綜合分析安裝高度、地面反射率、組件間距[4]等環境因素的影響程度，進行針對性的優化設計，環境差異性較小的外部環境進行整體性設計，以減小數據篩選和分析的復雜性;對于差異性較大的外部環境，需結合已分檔組件、逆變器參數的客觀條件，進行分區域針對設計。實際操作過程中，將組件分檔與環境分檔相結合，不允許不同分檔的組件和不同分檔的外部環境混淆搭配，加強產品與外部環境的雙重管控，降低環境影響到的失配。

再次，電氣設計方面，優化逆變器單元適當的超配比，結合逆變器的參數性能，最大化發揮逆變器性能，減小因超配比的失配;特別注意施工過程逆變器的接線，要求接入逆變器的同一MPPT單元，保證組串相互間組件電壓、電流等電氣性能的一致性，禁止不同組件數量、不同檔位、不同環境的組串接入同一單元。這些方面總的原則是區域組件和環境匹配度要更高，以降低組件的失配。

最后，項目周期內，組件的失配是一個連續動態的過程，失配的積累是不可忽視且客觀存在的問題。這就要求對組件進行階段性的性能檢測和數據分析。組件要及時進行熱斑、EL檢測，加強組件清洗頻率，發現問題時要及時修正，必要時及時更換組件。發現外在環境變化時，運維方案要及時調整，盡可能減少其失配的加劇因素。

3 結束語

解決組件的失配，一方面要加強質量管理，堅持包括“雙面雙分檔”在內的科學質量管理體系，提升產品性能參數一致性;另一方面對現場環境進行針對性、區域性的規劃設計，減少外部環境差異對組件的影響。減少組件“內因”與外部環境“外因”的差異性，產品與環境更趨友好，最終達到系統的安全、穩定、高效、持久的運行。

參考文獻：

[1]張俊鵬，王靜，何銀濤.雙面組件介紹及其應用前景分析[J].太陽能，2018（7）：16-18，72.

[2]許崇偉.分布式光伏發電集成系統設計及優化建議[J].工程建筑與設計，2018（24）：183-184.

[3]馬少華，呂欣，崇鋒，等.雙玻雙面組件發電量測試分析[J].太陽能，2016（12）：67-68.

[4]謝磊，武浩，萬宏，等.平單軸跟蹤光伏發電系統容量配比研究[J].太陽能，2017（12）：30-36.