陳毅湛，吳昊，鄒鼎森，洪家琪，趙石凱，蔣天博，鐘振華，袁建智，馬國強(qiáng)，曾慶光

（五邑大學(xué) 應(yīng)用物理與材料學(xué)院，廣東 江門 529020）

目前，商用高效太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率可達(dá) 25%以上[1]. 除了太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率提高外，光伏發(fā)電系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)也是提升光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要手段[2]，即太陽能電池效率的提升和光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化布局可同步提升能源的轉(zhuǎn)化效率[3]. 但是，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在運(yùn)行過程中常出現(xiàn)多種問題. 如光伏組件由于陰影遮擋引起微裂紋、柵線斷裂、串阻過大、積灰降低輸出等[4]. 同時(shí)，由于單片光伏組件的面積越來越大，在拆解、運(yùn)輸組件程后進(jìn)行集中檢測容易造成光伏組件損壞，而現(xiàn)場檢測即采用便攜式光伏檢測儀器可以有效減少這些問題的出現(xiàn)[5]. 本文將使用便攜式I-V（伏安法）[6-8]和戶外EL（電致發(fā)光）檢測[7-10]對光伏組件的性能進(jìn)行檢測開展研究.

本文首先使用便攜式光伏檢測儀器對運(yùn)行了多年典型的分布式屋頂發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行檢測，探究光伏發(fā)電組件失效的原因. 經(jīng)分析，光伏組件失效主要由于陰影遮擋和搬運(yùn)不當(dāng)造成的，在太陽能電池表面形成的微裂紋[11-12]以及 PID（電勢誘導(dǎo)衰減）損失[13]等. 鑒于此，本文采用半片及多主柵高效PERC（Passivated Emitter and Rear Cell，鈍化發(fā)射極和背面太陽能電池）電池組件進(jìn)行設(shè)計(jì)[14]，并優(yōu)化光伏組件布局，減少陰影遮擋，從而減少微裂紋對光伏組件的影響. 本文采用光伏發(fā)電系統(tǒng)PVsyst＠軟件模擬[15]進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對光伏組件受熱不均造成微裂紋產(chǎn)生，降低光伏系統(tǒng)發(fā)電效率的現(xiàn)象進(jìn)行探究. 由于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的正常工作壽命可以25 年以上，本文提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案將有效提升光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定和轉(zhuǎn)化效率.

1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

1.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的戶外I-V 檢測

本文對兩個(gè)運(yùn)行了多年的分布式屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行I-V 檢測. 光伏發(fā)電系統(tǒng)1 號(hào)位于江門市，組件為常規(guī)組件，共20 個(gè)組件. 光伏系統(tǒng)組件參數(shù)如表1，組件排布方式如圖1，組件A1-A10串聯(lián)為第一組，B1-B10 串聯(lián)為第二組，每個(gè)組件功率250 W，總功率5 kW. 兩組以并聯(lián)的方式相連接，接入逆變器，組件皆以正南15°傾角安裝. 布局上，A1、A2、A3、A4、A5、A6 均靠近陽臺(tái)圍欄和植物，并且受旁邊的花草灌木陰影遮擋影響.

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)1 號(hào)設(shè)計(jì)圖

光伏發(fā)電系統(tǒng)2 號(hào)同樣位于江門市，采用PERC 高效太陽能電池組件. 光伏發(fā)電系統(tǒng)組件參數(shù)如表 1，組件排布方式如圖 2，組件 C1-C15 串聯(lián)為第一組，D1-D15 串聯(lián)為第二組，兩組并聯(lián)，共30 個(gè)組件，總功率9.15 kW. 兩組以并聯(lián)的方式相連接，接入逆變器，組件皆為正南15°傾角安裝. 該系統(tǒng)為棚戶式布局，周圍沒有遮擋物，但由于清洗組件時(shí)對系統(tǒng)組件的人為踩踏，使得 C1、C3、C9、C11、C13 和 D1、D3、D9、D11、D13 存在損壞.

表1 光伏發(fā)電系統(tǒng)組件參數(shù)

圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)2 號(hào)設(shè)計(jì)圖

上述太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng) I-V 檢測其損耗值均在戶外無陰影遮擋的條件下，用便攜式 HT 的IV-415W 型戶外測試儀進(jìn)行檢測. 如圖 3 所示，光伏發(fā)電系統(tǒng) 1 號(hào)組件損耗值平均值為 13.5%，標(biāo)準(zhǔn)差為3.2%. 該系統(tǒng)的總功率為5 kW，但是年實(shí)際發(fā)電量只有5100 kW h· . 由于部分組件受陰影阻擋的影響嚴(yán)重，對整個(gè)系統(tǒng)形成錯(cuò)配損耗，所以發(fā)電量偏少.

圖3 光伏發(fā)電系統(tǒng)1 號(hào)組件損耗值

光伏發(fā)電系統(tǒng)2 號(hào)的工作年限和光伏發(fā)電系統(tǒng)1 號(hào)一樣運(yùn)行了4 年，如圖4 所示，光伏發(fā)電系統(tǒng)2 號(hào)的組件平均損耗值在15.0%，標(biāo)準(zhǔn)差為4.4%. 這是由于高效電池組件較常規(guī)電池組件隨時(shí)間更容易降低發(fā)電效率.

圖4 光伏發(fā)電系統(tǒng)2 號(hào)組件損耗值

通過觀察，光伏發(fā)電系統(tǒng)2 號(hào)的中間部位組件損耗值較低，而前面和兩側(cè)組件的損耗值較高，是由于業(yè)主清洗維護(hù)時(shí)，人為踩踏使得系統(tǒng)兩側(cè)的組件損壞了. 該系統(tǒng)的總功率為9.15 kW，而年實(shí)際發(fā)電量有11500 kW h· . 盡管光伏發(fā)電系統(tǒng)2 號(hào)的組件損耗值較高，但是由于系統(tǒng)沒受陰影遮擋的影響，錯(cuò)配損耗不明顯，并且光伏發(fā)電系統(tǒng)的總功率較大，其發(fā)電功率穩(wěn)定，年發(fā)電量較高.

通過表2 的對比可以知道，在組件損耗值所差無幾的情況下，使用高效組件的光伏發(fā)電系統(tǒng) 2號(hào)比使用常規(guī)組件的光伏發(fā)電系統(tǒng) 1 號(hào)的年平均發(fā)電時(shí)間高 21.0%. 這和光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏組件布局、逆變器以及維護(hù)有關(guān). 如圖1 和圖3 所示，光伏發(fā)電系統(tǒng)1 號(hào)的組件布局比較矮，容易受到四周的欄桿扶手和植物灌木的影響，從而影響發(fā)電效率. 光伏發(fā)電系統(tǒng) 2 號(hào)的組件布局高，周圍欄桿和生活障礙物影響少，即全日基本上沒有陰影阻擋. 所以除了微裂紋造成組件的損耗外，光伏發(fā)電系統(tǒng)空間布局的合理設(shè)計(jì)，也可以有效避免陰影遮擋造成系統(tǒng)的發(fā)電損失.

表2 光伏發(fā)電系統(tǒng)組件損耗值和發(fā)電量輸出

1.2 光伏組件的微裂紋EL 檢測

首先對光伏發(fā)電系統(tǒng)1 號(hào)的A1 號(hào)電池組件進(jìn)行檢測，如圖5-a，可知電池板由60 塊小組件組成，檢測發(fā)現(xiàn)有13 塊小組件出現(xiàn)裂紋，即是組件的五分之一失效，損耗值為17.94%，與微裂紋情況基本符合，可見組件 A1 的損耗值主要是由太陽能電池的微裂紋所導(dǎo)致的. 對光伏發(fā)電系統(tǒng) 1 號(hào)的組件A5 進(jìn)行檢測，結(jié)果如圖5-b，組件A5 的損耗值為10.5%，而EL 檢測中可以看到組件只有6小塊產(chǎn)生了裂紋，因此該組件的損耗值主要是由太陽能電池的微裂紋所造成的.

圖5 A1 組件和A5 組件（光伏系統(tǒng)1）微裂紋圖

通過實(shí)測我們發(fā)現(xiàn)微裂紋嚴(yán)重影響著光伏組件的發(fā)電效率，裂紋越多，I-V 檢測的 ocV 和 scI 下降就大. 因此，保證受熱均勻及減少微裂紋是維護(hù)組件穩(wěn)定的光電轉(zhuǎn)換的必要條件.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 太陽能電池組件的失效分析

由于本文采用的太陽能電池組件由晶體硅組成，其自身的晶體結(jié)構(gòu)決定了其易于產(chǎn)生微裂紋的特點(diǎn). 經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在光伏組件的日常使用中，由于溫度的變化，如光伏發(fā)電系統(tǒng) 1 號(hào)靠近陽臺(tái)圍欄和植物灌木的組件，由于光伏組件布局不合理，特別是存在陰影遮擋，造成局部受熱不均勻，經(jīng)過多年的運(yùn)行后，太陽能電池很容易產(chǎn)生明顯的微裂紋.

其次，光伏發(fā)電系統(tǒng)因人工清洗組件時(shí)踩踏，很容易造成其內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋. 這將會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部柵線斷裂，電流無法從完好的柵線傳輸?shù)街鳀啪€上，從而導(dǎo)致其內(nèi)阻大大增加，電池片甚至?xí)?，使得組件的功率衰減，同樣引起系統(tǒng)的錯(cuò)配損耗.

2.2 半片及多主柵太陽能電池組件及其模擬設(shè)計(jì)

相對傳統(tǒng)單片PERC 組件，半片及多主柵PERC 組件具有更高的光電轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性. 這是由于半片電池的連接方式減少了 1/2 的內(nèi)部電流和 1/4 的線路電阻，使半片組件的內(nèi)阻大大減小，功率損耗減少了近3/4. 另一方面，半片的連接方式還能夠減少陰影遮擋所帶來的熱斑風(fēng)險(xiǎn). 多主柵技術(shù)增加組件的主柵線、縮短?hào)啪€的間隙，通過減少間距來縮短傳輸距離、增加組件的功率. 在多主柵組件出現(xiàn)同樣裂紋的情況下，所影響到的組件面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常規(guī)組件，多主柵組件能夠有效降低微裂紋的風(fēng)險(xiǎn). 半片及多主柵太陽能電池組件能比常規(guī)PERC 組件的光電轉(zhuǎn)化效率高2.5%[16].

本文分別利用天合光能的 TSM-305DC08.08(Ⅱ)單片及 PERC 電池（ 305 W ）和天合光能TSM-DE09 半片及多主柵 PERC 電池（405 W）兩種組件設(shè)計(jì)棚戶式光伏發(fā)電系統(tǒng). 兩個(gè)系統(tǒng)都位于江門市，氣象資源相同，在相同的占地面積（250 m ）的條件下，單片PERC 電池可安裝30 片組件，系統(tǒng)功率9.15 kW，而半片及多主柵PERC 電池可安裝26 片組件，系統(tǒng)功率為10.53 kW.

如表3 所示，在相同的尺寸數(shù)量下，半片及多主柵高效組件比單片PERC 組件的發(fā)電效率要高.在同樣的面積條件、遠(yuǎn)離欄桿和植物陰影的遮擋下，采用半片及多主柵高效組件的棚戶式發(fā)電系統(tǒng)較常規(guī)單片PERC 組件光伏發(fā)電系統(tǒng)提高15%以上. 以上發(fā)電性能的提升來自于電池組件效率的提高，同時(shí)也是通過對光伏系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)得到的.

表3 太陽能電池組件電學(xué)性能參數(shù)及PVsyst＠模擬設(shè)計(jì)發(fā)電量輸出

3 結(jié)論

本文使用便攜式 I-V 和 EL 檢測儀器對兩個(gè)運(yùn)行了數(shù)年的不同布局及不同性能組件的光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)地檢測. 經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)，由于光伏發(fā)電系統(tǒng)受到陰影遮檔或人為踩踏，導(dǎo)致微裂紋產(chǎn)生，明顯降低了光伏發(fā)電系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)化效率. 本文進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，采用半片及多主柵技術(shù)的 PERC太陽能電池和光伏系統(tǒng)的優(yōu)化布局設(shè)計(jì)，減少光伏發(fā)電系統(tǒng)的局部受熱，可有效減少光伏組件微裂紋的產(chǎn)生. 通過PVsyst＠模擬軟件對屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的建模發(fā)現(xiàn)，采用高效半片及多主柵PERC 組件的棚戶式光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以有效減少微裂紋的產(chǎn)生，且該光伏發(fā)電系統(tǒng)的年發(fā)電量提高15%以上. 本文設(shè)計(jì)的光伏發(fā)電系統(tǒng)方案可有效降低局部受熱，減少光伏組件的微裂紋，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)化效率. 該設(shè)計(jì)方案可以提高分布式光伏系統(tǒng)穩(wěn)定性和光電轉(zhuǎn)化效率，對運(yùn)行時(shí)間達(dá)25年以上的光伏發(fā)電系統(tǒng)尤為重要.