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(zhuǎn)換成電能，是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，發(fā)電性能直接影響到系統(tǒng)發(fā)電量。但客觀存在的組件失配，降低了系統(tǒng)發(fā)電輸出，影響了項(xiàng)目整體收益。“組件失配”一般伴隨項(xiàng)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(chǎn)生的原因出發(fā)，深入剖析了“內(nèi)部電性能”與“外部環(huán)境”兩方面的影響，給出降低組件失配的方案。

關(guān)鍵詞：雙面組件;失配;電性能;外部環(huán)境

中圖分類號(hào)：TM914 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：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(tǒng)中，一個(gè)陣列、同一時(shí)間不同組件發(fā)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(nèi)會(huì)影響系統(tǒng)發(fā)電量。業(yè)內(nèi)研究證明，一般的組件失配，會(huì)降低3%-6%的系統(tǒng)效率;長(zhǎng)期的失配會(huì)加劇組件熱斑現(xiàn)象，造成封裝脫層、玻璃破裂，降低使用壽命，甚至造成系統(tǒng)喪失發(fā)電性能、火災(zāi)等嚴(yán)重事件。

與傳統(tǒng)單面組件相比，雙面電池組件增加了“背面”發(fā)電，項(xiàng)目系統(tǒng)發(fā)電量更高，越發(fā)受到用戶青睞，其市場(chǎng)占有率逐年提高。隨著技術(shù)的發(fā)展，雙面組件背面效率得到了極大的提升，組件整體發(fā)電量提升的同時(shí)，背面因素造成的組件失配也逐漸引起行業(yè)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(xiàn)象也更為復(fù)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(nèi)部電性能存在的差異，包括發(fā)電單元（電池）的性能、串并聯(lián)線路損失、封裝材料影響等;二是組件安裝環(huán)境的區(qū)別，包括陰影遮擋、氣候、安裝高度、地面反射等。研究其失配現(xiàn)象，既要參照安裝的初始狀態(tài)，又要關(guān)注產(chǎn)品生命周期內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化。

1.1 內(nèi)部性能失配

內(nèi)部性能失配損失的根本原因是發(fā)電單元的“性能差異性”。可以具體到一個(gè)組串、一塊組件、一片電池甚至電池的某一個(gè)微型區(qū)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(chǎn)和組件的封裝，均要經(jīng)過復(fù)雜的工藝過程。從原材料到電池的生產(chǎn)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(chǎn)是結(jié)合多種材料組合、經(jīng)歷多環(huán)節(jié)產(chǎn)業(yè)鏈的一個(gè)過程。多材料、多環(huán)節(jié)的差異性累加，不可避免的造成最終產(chǎn)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(tǒng)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(shù)處于起步階段，成熟度遠(yuǎn)不及正面，性能離散率相對(duì)發(fā)散，目前解決背面差異，改進(jìn)技術(shù)需要一個(gè)過程。

1.2 外部環(huán)境失配

光照條件、氣候等外在環(huán)境，對(duì)組件施加外在因素的影響，造成因外部環(huán)境產(chǎn)生的組件失配。

1.2.1 光照條件

光照條件是影響組件發(fā)電最直接的外部因素。受傳統(tǒng)設(shè)計(jì)觀念的影響，雙面組件在設(shè)計(jì)時(shí)，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(shè)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(duì)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(fā)電性能不一致，由此造成光電轉(zhuǎn)換能力失配。

1.2.2 氣候的累積影響

溫度、濕度、酸堿度、風(fēng)力等氣候條件會(huì)對(duì)組件施加持續(xù)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(huì)破壞封裝材料的穩(wěn)定性，酸堿度會(huì)增加玻璃的腐蝕，風(fēng)力對(duì)組件支架施加外力等等，這種不均衡、持續(xù)的累積造成組件電性能積累失配。

明顯的環(huán)境效能失配有可能是初始環(huán)境差距太大造成的，也有可能是初始微小失配經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間積累后的外在表現(xiàn)。一般來說，隨著時(shí)間的積累，效能失配會(huì)一直存在且持續(xù)加劇。

2 措施方案

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

2.1 提高產(chǎn)品性能一致性

2.1.1 加強(qiáng)質(zhì)量控制

提高產(chǎn)品整體性能穩(wěn)定性，將追求成品“一致性”作為總質(zhì)量目標(biāo)，加強(qiáng)質(zhì)量控制管理，解決組件內(nèi)在的性能差異。

加強(qiáng)電池材料及加工工藝。電池是組件發(fā)電的核心，材料和加工制造的質(zhì)量控制至關(guān)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(chǔ);電池制成的環(huán)節(jié)，需經(jīng)歷雙面制絨、擴(kuò)散、激光參雜、退火、PERC、正面鍍膜、背面鈍化、背面激光開槽、絲網(wǎng)印刷、燒結(jié)等復(fù)雜工藝，加強(qiáng)這些工藝環(huán)節(jié)的質(zhì)量管控，為避免各種參雜技術(shù)及工藝流程造成電池的差異性，采用標(biāo)準(zhǔn)化、高精度、程序化的技術(shù)和生產(chǎn)工藝，更能確保電池的性能一致性。

組件設(shè)計(jì)優(yōu)化環(huán)節(jié)[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(shù)的進(jìn)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(jìn)行解決：

首先，在保證組件產(chǎn)品工藝質(zhì)量的前提下，將大片進(jìn)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?cái)?shù)量會(huì)成倍的增加，組件可以有更多的組串，每一組串的電流會(huì)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(fā)電電流匯集、運(yùn)輸?shù)耐ǖ溃S著電池生產(chǎn)工藝的成熟，可以考慮增加電池主柵的數(shù)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(shè)計(jì)，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(yōu)化設(shè)計(jì)是很有必要的，防反二極管、旁路二極管的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以保證組件整體的性能穩(wěn)定性，大幅降低失配的概率。

2.1.2 雙面雙分檔質(zhì)量控制方法[3]

針對(duì)雙面組件的特點(diǎn)，建議將“雙面雙分檔”納入整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量控制體系，進(jìn)行精細(xì)化管理，階段性縮小參數(shù)差異。具體實(shí)施原則為：以“電流、電壓、功率”作為衡量參數(shù)，電池正反面分別建立歸檔標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)立分檔控制點(diǎn)，進(jìn)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(diǎn)可以考慮在生產(chǎn)的某個(gè)重要節(jié)點(diǎn)，特別是具有里程碑意義的關(guān)鍵點(diǎn)。參照雙面組件的工藝特點(diǎn)，建議將電池生產(chǎn)成型、電池封裝前的切片和組件成品三個(gè)節(jié)點(diǎn)作為重要控制點(diǎn)。

2.2 減少環(huán)境差異

減少雙面組件光照環(huán)境的差異，需要對(duì)正反面光照條件進(jìn)行分別研究，由于背面環(huán)境的復(fù)雜性，其難點(diǎn)是組件背面環(huán)境。

首先，與傳統(tǒng)單面組件比較，雙面組件的支架應(yīng)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(yīng)保持適當(dāng)?shù)木嚯x，有利于組件的熱量散失，減少時(shí)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(huán)境因素的影響程度，進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，環(huán)境差異性較小的外部環(huán)境進(jìn)行整體性設(shè)計(jì)，以減小數(shù)據(jù)篩選和分析的復(fù)雜性;對(duì)于差異性較大的外部環(huán)境，需結(jié)合已分檔組件、逆變器參數(shù)的客觀條件，進(jìn)行分區(qū)域針對(duì)設(shè)計(jì)。實(shí)際操作過程中，將組件分檔與環(huán)境分檔相結(jié)合，不允許不同分檔的組件和不同分檔的外部環(huán)境混淆搭配，加強(qiáng)產(chǎn)品與外部環(huán)境的雙重管控，降低環(huán)境影響到的失配。

再次，電氣設(shè)計(jì)方面，優(yōu)化逆變器單元適當(dāng)?shù)某浔龋Y(jié)合逆變器的參數(shù)性能，最大化發(fā)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(shù)量、不同檔位、不同環(huán)境的組串接入同一單元。這些方面總的原則是區(qū)域組件和環(huán)境匹配度要更高，以降低組件的失配。

最后，項(xiàng)目周期內(nèi)，組件的失配是一個(gè)連續(xù)動(dòng)態(tài)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(duì)組件進(jìn)行階段性的性能檢測(cè)和數(shù)據(jù)分析。組件要及時(shí)進(jìn)行熱斑、EL檢測(cè)，加強(qiáng)組件清洗頻率，發(fā)現(xiàn)問題時(shí)要及時(shí)修正，必要時(shí)及時(shí)更換組件。發(fā)現(xiàn)外在環(huán)境變化時(shí)，運(yùn)維方案要及時(shí)調(diào)整，盡可能減少其失配的加劇因素。

3 結(jié)束語

解決組件的失配，一方面要加強(qiáng)質(zhì)量管理，堅(jiān)持包括“雙面雙分檔”在內(nèi)的科學(xué)質(zhì)量管理體系，提升產(chǎn)品性能參數(shù)一致性;另一方面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行針對(duì)性、區(qū)域性的規(guī)劃設(shè)計(jì)，減少外部環(huán)境差異對(duì)組件的影響。減少組件“內(nèi)因”與外部環(huán)境“外因”的差異性，產(chǎn)品與環(huán)境更趨友好，最終達(dá)到系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、高效、持久的運(yùn)行。

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