深入了解太阳能光伏组件技术

 毫无疑问，光伏组件是光伏电站最重要的设备之一!本文将对光伏组件进行全方位的介绍。

光伏组件的分类

 

 

近10年不同类型组件的市场占有率情况。

 

 

图1：各类光伏组件2006~2015年的出货量情况

 

 

普通晶硅组件的内部结构

 

 

双玻组件的内部结构

 

 

光伏组件的转化效率

1功率

我们常说，采用255Wp光伏组件。下表的“p”为peak的缩写，代表其峰值功率为255W。所有的技术规格书中都会标注“标准测试条件”的。下图为常州天合的光伏组件技术规格书一部分(250W，下同)。

 

 

只有在标准测试条件(STC条件，辐照度为1000W/m2，电池温度25℃，AM=1.5)时，光伏组件的输出功率才是“标称功率”(250W)。当辐照度和温度变化时，功率肯定会变化。另外，功率误差为正负3%，说明组件的实际功率是242.5~257.5W都是增长的。不过，这个组件的功率偏差为正偏差3%。

在非标准条件下，光伏组件的输出功率一般不是标称功率，下图为NOCT条件下标称功率为250W、255W的参数。

 

 

辐照度为800W/m2，电池温度20℃时，250W的组件输出功率只有183W，为标况下的73.2%。

2光电转化效率

1)效率的计算方法

理论上，尺寸、标称功率相同的组件，效率肯定是相同的。光伏组件是由电池片组成，一块光伏组件通常由60片(6×10)或72片(6×10)电池片组成，面积分别为1.638 m2(0.992m×1.652m)和3.895 m2(0.992m×1.956m)。

 

 

辐照度为1000W/m2时，1.638 m2组件上接收的功率为1638W，当输出为250W时，效率为15.3%，255W时为15.6%。

 

 

2)国家标准对效率的要求

根据2月5日国家能源局综合司颁布的《关于征求发挥市场作用促进光伏技术进步和产业升级意见的函》(国能综新能[2015]51号)规定：

自2015年起，享受国家补贴的光伏发电项目采用的光伏组件和并网逆变器产品应满足《光伏制造行业规范条件》相关指标要求,如下图所示。

 

 

以常用的60片的多晶硅光伏组件为例，不同规格的转换效率如下表。

 

 

因此，2015年以后，要获得国家补贴就必须使用255W以上的光伏组件;270W以上的光伏组件才能算“领跑者”。

3电压与温度系数

 

 

电压分开路电压和MPPT电压，温度系数分电压温度系数和功率温度系数。在进行串并联方案设计时，要用开路电压、工作电压、温度系数、当地极端温度(最好是昼间)进行最大开路电压和MPPT电压范围的计算，与逆变器进行匹配。

影响光伏组件出力的几个因素

1热斑效应

一串联支路中被遮蔽的太阳电池组件，将被当作负载消耗其他有光照的太阳电池组件所产生的能量，被遮蔽的太阳电池组件此时会发热，这就是热斑效应。

这种效应能严重的破坏太阳电池。有光照的太阳电池所产生的部分能量，都可能被遮蔽的电池所消耗。而造成热斑效应的，可能仅仅是一块鸟粪。

为了防止太阳电池由于热斑效应而遭受破坏，最好在太阳电池组件的正负极间并联一个旁路二极管，以避免光照组件所产生的能量被受遮蔽的组件所消耗。当热斑效应严重时，旁路二极管可能会被击穿，令组件烧毁，如下图(图片来自于TUV-Rheinland)。

 

 

2PID效应

电位诱发衰减效应(PID，PotentialInduced Degradation)是电池组件长期在高电压作用下，使玻璃、封装材料之间存在漏电流，大量电荷狙击在电池片表面，使得电池表面的钝化效果恶化，导致组件性能低于设计标准。PID现象严重时，会引起一块组件功率衰减50%以上，从而影响整个组串的功率输出。高温、高湿、高盐碱的沿海地区最易发生PID现象。

造成组件PID现象的原因主要有以下三个方面：

1)系统设计原因：光伏电站的防雷接地是通过将方阵边缘的组件边框接地实现的，这就造成在单个组件和边框之间形成偏压，组件所处偏压越高则发生PID现象越严重。对于P型晶硅组件，通过有变压器的逆变器负极接地，消除组件边框相对于电池片的正向偏压会有效的预防PID现象的发生，但逆变器负极接地会增加相应的系统建设成本;

2)光伏组件原因：高温、高湿的外界环境使得电池片和接地边框之间形成漏电流，封装材料、背板、玻璃和边框之间形成了漏电流通道。通过使用改变绝缘胶膜乙烯醋酸乙烯酯(EVA)是实现组件抗PID的方式之一，在使用不同EVA封装胶膜条件下，组件的抗PID性能会存在差异。另外，光伏组件中的玻璃主要为钙钠玻璃，玻璃对光伏组件的PID现象的影响至今尚不明确;

3)电池片原因：电池片方块电阻的均匀性、减反射层的厚度和折射率等对PID性能都有着不同的影响。

上述引起PID现象的三方面中，由在光伏系统中的组件边框与组件内部的电势差而引起的组件PID现象被行业所公认，但在组件和电池片两个方面组件产生PID现象的机理尚不明确，相应的进一步提升组件的抗PID性能的措施仍不清楚。

3电池片隐裂

隐裂是电池片的缺陷。由于晶体结构的自身特性，晶硅电池片十分容易发生破裂。晶体硅组件生产的工艺流程长，许多环节都可能造成电池片隐裂(据西安交大杨宏老师的资料，仅电池生产阶段就有约200种原因)。隐裂产生的本质原因，可归纳为在硅片上产生了机械应力或热应力。

近几年，晶硅组件厂家为了降低成本，晶硅电池片一直向越来越薄的方向发展，从而降低了电池片防止机械破坏的能力。

2011年，德国ISFH公布了他们的研究结果：根据电池片隐裂的形状，可分为5类：树状裂纹、综合型裂纹、斜裂纹、平行于主栅线、垂直于栅线和贯穿整个电池片的裂纹。

 

 

图：晶硅电池隐裂形状

不同的隐裂，对电池片功能造成的影响是不一样的。对电池片功能影响最大的，是平行于主栅线的隐裂(第4类)。根据研究结果，50%的失效片来自于平行于主栅线的隐裂。45°倾斜裂纹(第3类)的效率损失是平行于主栅线损失的1/4。垂直于主栅线的裂纹(第5类)几乎不影响细栅线，因此造成电池片失效的面积几乎为零。

有研究结果显示，组件中某单个电池片的失效面积在8%以内时，对组件的功率影响不大，组件中2/3的斜条纹对组件的功率稳定没有影响。

光伏组件性能的检测

光伏电站运行一段时间后，需要进行检测，来确定光伏电站的性能。涉及光伏组件的，主要包含以下项目。

1功率衰减测试

光伏组件运行1年和25年后的衰减率到底有多少?25年太久，现在可能还没有运行这么长时间的电站。按国家标准，晶硅电池2年的衰减率应该在3.2%以内。但目前这个数据还真的很难说，原因有三：

1)光伏组件出场功率是用实验室标准光源和测试环境标定的，但似乎国内不同厂家的标准光源是存在一定的差异的。那在A厂标定的250W的组件，到了B厂，可能就是245W的组件的。

2)现场检测所用的仪器精确度较差，据说5%以内的误差都是可以接受的。用误差5%的仪器，测2%(1年)的衰减，难度有些大，结果也令人怀疑。

3)现场的测试条件跟实验室的相差较大，正好在1000W/m2、25℃的时间太少了!所以，就需要进行一个测试值向标准值的转化，而输出功率与辐照度仅在一个很小的区间内正相关。如图2所示，即使在800W/m2时，也不是正相关的。因此，在转化的时候，肯定存在误差。

另外，很多组件出场可能就是-3%的功率偏差，还没衰减，3%就直接没了……

2EL测试

当光伏组件出现问题时，局部电阻升高，该区域温度就会升高。EL测试仪就像我们体检中的X光机一样，可以对光伏组件进行体检——通过红外图像拍摄，根据温度不同，图像呈现不同的颜色，从而非常容易的发现光伏组件的很多问题：隐裂、热斑、PID效应等。

光伏组件在运输、搬运、安装等过程中，容易被踩踏、撞击，导致组件产生不易察觉的隐裂，极大影响组件输出功率。用EL变可以检测出来，如下图。

 

 

下图为热斑现象的红外照片(图片来自于TUV-Rheinland)，红点部分为产生热斑处。

 

 

下图为PID效应的红外照片， PID效应严重的电池片发黑。

 

 

除了上述检测外，对组件的外观检查也非常重要。如组件背板划痕、变黄、鼓泡，连接器脱落等。

近期光伏组件价格变动

光伏电站受政策影响，会在某一时间段集中投产。因此，造成一年内对上游的需求变化非常大。下图为最近30周(2016年6月~2017年2月)光伏组件价格变化曲线。

 

 

2016年SNEC之前(5月份之前)，多晶光伏组件的价格一直维持在3.8元/W左右，6月份后下降10%以上;到8月份的招标时爆出3.05元/W的价格，

预计2017年630后价格价格也会快速下降，预计会在2.5元/W以内。