上官炫爍，唐梓彭，魏 超，李 昂，何梓瑜，潘巧波

(華電電力科學研究院有限公司，杭州 310030)

0 引言

隨著中國對清潔能源需求的不斷增加，全國各地的光伏發(fā)電裝機也迎來井噴式發(fā)展，截至2021 年底，中國新增光伏發(fā)電并網(wǎng)裝機容量達53 GW，累計并網(wǎng)裝機容量達306 GW[1]。隨著光伏電站持續(xù)投入使用，其發(fā)電能力也在逐年降低，因此，針對光伏電站提質(zhì)增效的技術(shù)改造已成為光伏電站運行中后期面臨的重要問題。

目前大多數(shù)晶體硅光伏組件的正面封裝材料采用低鐵超白玻璃，也稱為光伏玻璃[2]。光伏玻璃具有透過率高、耐候性強和機械強度高的優(yōu)點。盡管光伏玻璃擁有較高的透過率，但由于其折射率約為1.52，而空氣的折射率為1.0，折射率的偏差會導致菲涅爾反射的發(fā)生。即使光線垂直射入光伏玻璃，在玻璃表面仍有4%左右的光線被反射。而當光線的入射角增大時，光伏玻璃表面的反射率也將隨之增高；當光線的入射角達到70°時，光伏玻璃表面的反射率將增至27%，導致光伏組件實際接收到的太陽輻射量降低[3]。

在光伏玻璃表面涂覆一層減反射薄膜，可以有效減少光線在光伏玻璃表面的反射損失，從而可提高光伏組件的輸出功率。該方法是提升光伏電站發(fā)電能力及收益水平，縮短光伏電站并網(wǎng)發(fā)電的成本回收期的重要方法之一[4]。同時，涂覆了減反射薄膜的光伏玻璃除了能夠增加玻璃的透過率，還具有一定的自清潔功能[5]，可以減少灰塵遮擋損失，并預防光伏組件熱斑效應。

光伏組件在戶外使用面臨嚴苛的使用環(huán)境，因此需要減反射薄膜的性質(zhì)在復雜環(huán)境下保持穩(wěn)定；同時，考慮到光伏組件成本問題，需要進一步驗證在不同場景下減反射薄膜是否具有經(jīng)濟性。本文在介紹光伏組件減反射薄膜工作原理的基礎(chǔ)上，通過實驗室測試和戶外驗證，對光伏組件減反射薄膜在山地光伏電站中應用的實際效益進行分析研究，可為山地光伏電站的提質(zhì)增效和光伏組件選型提供參考。

1 光伏組件減反射薄膜的工作原理

當光線從兩種非同類介質(zhì)穿過時，部分光線會在二者的界面發(fā)生反射。在界面處于平整的狀態(tài)下，當光線垂直射入且介質(zhì)對光線無吸收時，反射率R應滿足以下公式[6]：

式中：n0為光線入射的介質(zhì)的折射率；n1為光線進入的介質(zhì)的折射率。

通過改變反射波的相位或介質(zhì)的折射率可以明顯減少光線反射造成的能量損失，而利用反射光的相消干涉效應可以一定程度上減少光線的反射。單層減反射薄膜的工作原理示意圖如圖1[7]所示。圖中：d為減反射薄膜的厚度；na為空氣的折射率；nc為減反射薄膜的折射率；ns為光伏玻璃的折射率；R1為減反射薄膜表面反射率；R2為光伏玻璃表面反射率。

圖1 單層減反射薄膜的工作原理示意圖[7]Fig.1 Schematic diagram of working principle of single-layer anti reflective coating[7]

理想的單層減反射薄膜發(fā)生相消干涉效應必須滿足以下兩個條件：

式中：λ為光線在真空中的波長。

光線在減反射薄膜的上、下表面產(chǎn)生相消干涉效應，可以減少光線的反射，增加光線的透射，尤其在入射角度大的情況下，介質(zhì)的透光量會進一步增加。

2 光伏組件減反射薄膜的結(jié)構(gòu)

根據(jù)式(2)、式(3)，可計算得到減反射薄膜的理想折射率應為1.23。然而，目前已知存在的固體材料中，折射率均高于1.23[8]，因此，若要制備理想的光伏組件減反射薄膜，需要在制備減反射薄膜的原材料中引入孔隙，以降低減反射薄膜的折射率。

引入孔隙后，減反射薄膜的折射率np與孔隙率p的關(guān)系需要滿足以下關(guān)系式[9]：

列舉幾種市面上常見的減反射薄膜所使用的材料，并計算得到這些材料要達到理想折射率(1.23)所需要的孔隙率[4]，具體如表1 所示。

表1 幾種常用的減反射薄膜材料的折射率及其達到理想折射率需要的孔隙率Table 1 Refractive index of several commonly used anti reflective coating materials and porosity required to achieve ideal refractive index

從表1 可以看出：SiO2和氟化物的折射率相對接近1.23，因此，采用這幾類材料制備減反射薄膜時需要引入的孔隙較少，相對于其他材料更容易實現(xiàn)，且可有效降低減反射薄膜的制備難度。

氟化物薄膜所需空隙率雖然較低，但其含有毒性；相比之下，SiO2不含毒性，化學性質(zhì)穩(wěn)定，且材料來源豐富，是目前光伏組件減反射薄膜的主流原材料[10]。SiO2減反射薄膜的孔隙類型一般有3 種結(jié)構(gòu)形式，分別為實心球結(jié)構(gòu)、有序介孔結(jié)構(gòu)和空心球結(jié)構(gòu)[8]，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

圖2 3 種SiO2 減反射薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural schematic diagrams of three types of SiO2 anti reflective coatings

3 光伏組件減反射薄膜的實際應用分析

為檢驗涂覆減反射薄膜的光伏組件在山地光伏電站中的實際發(fā)電量增益效果，選擇云南省永仁縣某10 MW 山地光伏電站(地理位置為39.914°N、116.403°E)作為實驗區(qū)域進行驗證。由于該光伏電站已經(jīng)投入使用多年，本實驗的減反射薄膜采用膜液制備而成，屬于室溫固化型，利用人工或自動化噴涂設(shè)備噴涂于光伏組件玻璃表面后，液體可以在室溫下快速固化成型，和光伏組件玻璃表面牢固貼合，是一種針對已安裝完成的光伏組件涂覆減反射薄膜使用的產(chǎn)品。

3.1 實驗室測試

在該山地光伏電站的某光伏方陣中隨機抽取4 塊光伏組件，對其電性能參數(shù)進行測試，然后涂覆減反射薄膜后，再次對光伏組件的電性能參數(shù)進行測試。本次實驗采用噴涂工藝，在光伏組件玻璃表面形成厚度為650 nm 的空心球結(jié)構(gòu)的SiO2減反射薄膜，孔隙率為30%。鍍制SiO2減反射薄膜前，光伏組件玻璃表面的透過率為91.5%；鍍膜后，光伏組件玻璃表面的透過率為93.8%。在實驗室中，分別對鍍膜前、后4 塊光伏組件的開路電壓Voc、短路電流Isc、最大輸出功率Pm及光電轉(zhuǎn)換效率η進行測試，得到的電性能參數(shù)測試結(jié)果如表2 所示。

表2 實驗室測試得到的鍍膜前、后光伏組件的電性能參數(shù)Table 2 Electrical performance parameters of PV modules before and after coating obtained from laboratory testing

對表2 的數(shù)據(jù)進行分析計算可以得出：鍍制減反射薄膜后，所有光伏組件樣品的最大輸出功率平均提升了7.71 W，平均提升率為2.84%。其中，4 塊光伏組件樣品中，最大輸出功率提升的最高值為8.18 W，提升率為2.98%；最大輸出功率提升的最低值為7.14 W，提升率為2.67%。

對鍍制減反射薄膜后光伏組件的電性能參數(shù)進行測試后，根據(jù)IEC 61215-1:2016《Terrestrial photovoltaic (PV) modules——Design qualification and type approval——Part 1: Test requirements》[11]的檢測標準，對鍍膜后的光伏組件進行穩(wěn)定性測試，包括：耐濕熱測試、耐濕凍測試、高溫蒸煮測試，以及耐摩擦測試，并對測試后光伏組件的輸出功率衰減率進行分析，以驗證減反射薄膜的穩(wěn)定性。詳細測試方法與測試結(jié)果如表3 所示。

3.2 戶外驗證

在云南省永仁縣某山地光伏電站對光伏組件鍍制減反射薄膜后的發(fā)電量提升情況進行驗證。選擇該電站中處于相似地形且光伏組件安裝傾角相同的3 條集電線路進行實驗驗證，對其中2 條集電線路(1#、2#集電線路)中所有光伏組件鍍制SiO2減反射薄膜，另外1 條集電線路(3#集電線路)的光伏組件不鍍膜(作為對照組)。

采集這3 條集電線路相同時間段(2019 年12月—2020 年5 月為光伏組件鍍膜前，2020 年12月—2021 年5 月為光伏組件鍍膜后)內(nèi)的發(fā)電量數(shù)據(jù)，并進行對比分析，然后計算光伏組件鍍膜后的發(fā)電量提升率。

光伏組件鍍膜前，1#集電線路與3#集電線路相比的發(fā)電量提升率Punp計算式可表示為：

式 中：N1為1# 集 電 線 路2019 年12 月—2020 年5 月的總發(fā)電量；N3為3#集電線路2019年12 月—2020 年5 月的總發(fā)電量。

根據(jù)式(5)可以計算得出：光伏組件鍍膜前，1#集電線路與3#集電線路相比的發(fā)電量提升率為1.34%。同理，可計算得到2#集電線路與3#集電線路相比的發(fā)電量提升率為1.15%。

光伏組件鍍膜后，1#集電線路與3#集電線路相比的發(fā)電量提升率Ppri的計算式可表示為：

式中：N1′為1#集電線路2020 年12 月—2021 年5 月 的 總 發(fā) 電 量；N3′為3# 集 電 線 路2020 年12 月—2021 年5 月的總發(fā)電量。

根據(jù)式(6)可以計算得出：光伏組件鍍膜后，1#集電線路與3#集電線路相比的發(fā)電量提升率為5.39%。同理，可計算得到2#集電線路與3#集電線路相比的發(fā)電量提升率為4.94%。

光伏組件鍍膜前、后不同集電線路的發(fā)電量數(shù)據(jù)分析結(jié)果如表4 所示。

表4 光伏組件鍍膜前、后不同集電線路的發(fā)電量數(shù)據(jù)分析Table 4 Analysis of power generation capacity data of different collection lines before and after PV modules coating

從表4 可以看出：1#集電線路鍍膜后的發(fā)電量提升率為4.05%，2#集電線路鍍膜后的發(fā)電量提升率為3.79%。因此，該山地光伏電站鍍膜后的平均發(fā)電量提升率為3.92%。

為驗證光伏組件減反射薄膜在山地光伏電站中應用對其發(fā)電量有明顯的提升效果，采用相同方式，在甘肅省嘉峪關(guān)市(地理位置為39.777°N、98.296°E)某地面集中式光伏電站進行發(fā)電量提升的對比實驗驗證。實驗選擇該電站中3 個光伏方陣，其中，1#、2#光伏方陣中所有光伏組件鍍制SiO2減反射薄膜，3#光伏方陣的光伏組件不鍍膜(作為對照組)。采集這3 個光伏方陣相同時間段(2019 年11 月—2020 年5月為光伏組件鍍膜前，2020 年11 月—2021 年5月為光伏組件鍍膜后)的發(fā)電量數(shù)據(jù)，對比后計算光伏組件鍍膜后的發(fā)電量提升率，結(jié)果如表5所示。需要說明的是，表中的測試結(jié)果是根據(jù)有效數(shù)據(jù)統(tǒng)計原則，剔除少量壞點數(shù)據(jù)后的結(jié)果。

從表5 可以看出：1#光伏方陣鍍膜后的發(fā)電量提升率為2.05%，2#光伏方陣鍍膜后的發(fā)電量提升率為4.09%。因此，該地面集中式光伏電站鍍膜后的平均發(fā)電量提升率為3.07%。

3.3 對比分析小結(jié)

實驗室測試中光伏組件樣品最大輸出功率平均提升了2.84%，地面集中式光伏電站的戶外驗證中，發(fā)電量平均提升率為3.07%；而在山地光伏電站的戶外驗證中，發(fā)電量平均提升率為3.92%，高于地面集中式光伏電站的發(fā)電量平均提升率。出現(xiàn)這一差別的原因在于：在實驗室測試和地面集中式光伏電站的運行過程中，太陽光基本處于直射狀態(tài)，而在山地光伏電站的運行過程中，由于地形原因，光伏組件的安裝受到環(huán)境條件的影響，光伏組件安裝傾角不一致，導致接收的太陽直射量較少。因此對于山地光伏電站而言，光伏組件減反射薄膜的應用更有助于提升其發(fā)電量。

4 結(jié)論

本文通過實驗室測試與不同場景的戶外驗證，對光伏組件減反射薄膜在光伏電站中應用帶來的實際發(fā)電量提升情況進行了分析研究，得到以下結(jié)論：光伏組件減反射薄膜對光伏電站的發(fā)電量有顯著提升效果，且鍍膜的物理性質(zhì)穩(wěn)定。鍍膜后，山地光伏電站發(fā)電量的平均提升率高于實驗室光伏組件樣品和地面集中式光伏電站發(fā)電量的平均提升率，說明光伏組件減反射薄膜的應用對于山地光伏電站發(fā)電量的提升有顯著效果。本研究結(jié)果可為光伏電站的提質(zhì)增效和光伏組件選型提供參考。