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太陽能光伏組件的詳細介紹

OFweek太陽能光伏網訊:毫無疑問,光伏組件是光伏電站最重要的設備之一!本文將對光伏組件進行全方位的介紹。
光伏組件的分類

近10年不同類型組件的市場占有率情況。

圖1:各類光伏組件2006~2015年的出貨量情況

普通晶硅組件的內部結構

雙玻組件的內部結構

光伏組件的轉化效率
1功率

我們常說,采用255Wp光伏組件。下表的“p”為peak的縮寫,代表其峰值功率為255W。所有的技術規格書中都會標注“標準測試條件”的。下圖為常州天合的光伏組件技術規格書一部分(250W,下同)。

只有在標準測試條件(STC條件,輻照度為1000W/m2,電池溫度25℃,AM=1.5)時,光伏組件的輸出功率才是“標稱功率”(250W)。當輻照度和溫度變化時,功率肯定會變化。另外,功率誤差為正負3%,說明組件的實際功率是242.5~257.5W都是增長的。不過,這個組件的功率偏差為正偏差3%。
在非標準條件下,光伏組件的輸出功率一般不是標稱功率,下圖為NOCT條件下標稱功率為250W、255W的參數。

輻照度為800W/m2,電池溫度20℃時,250W的組件輸出功率只有183W,為標況下的73.2%。
2光電轉化效率
1)效率的計算方法

理論上,尺寸、標稱功率相同的組件,效率肯定是相同的。光伏組件是由電池片組成,一塊光伏組件通常由60片(6×10)或72片(6×10)電池片組成,面積分別為1.638 m2(0.992m×1.652m)和3.895 m2(0.992m×1.956m)。

輻照度為1000W/m2時,1.638 m2組件上接收的功率為1638W,當輸出為250W時,效率為15.3%,255W時為15.6%。

2)國家標準對效率的要求
根據2月5日國家能源局綜合司頒布的《關于征求發揮市場作用促進光伏技術進步和產業升級意見的函》(國能綜新能[2015]51號)規定:
自2015年起,享受國家補貼的光伏發電項目采用的光伏組件和并網逆變器產品應滿足《光伏制造行業規范條件》相關指標要求,如下圖所示。

以常用的60片的多晶硅光伏組件為例,不同規格的轉換效率如下表。

因此,2015年以后,要獲得國家補貼就必須使用255W以上的光伏組件;270W以上的光伏組件才能算“領跑者”。
3電壓與溫度系數

電壓分開路電壓和MPPT電壓,溫度系數分電壓溫度系數和功率溫度系數。在進行串并聯方案設計時,要用開路電壓、工作電壓、溫度系數、當地極端溫度(最好是晝間)進行最大開路電壓和MPPT電壓范圍的計算,與逆變器進行匹配。
影響光伏組件出力的幾個因素
1熱斑效應

一串聯支路中被遮蔽的太陽電池組件,將被當作負載消耗其他有光照的太陽電池組件所產生的能量,被遮蔽的太陽電池組件此時會發熱,這就是熱斑效應。
這種效應能嚴重的破壞太陽電池。有光照的太陽電池所產生的部分能量,都可能被遮蔽的電池所消耗。而造成熱斑效應的,可能僅僅是一塊鳥糞。
為了防止太陽電池由于熱斑效應而遭受破壞,最好在太陽電池組件的正負極間并聯一個旁路二極管,以避免光照組件所產生的能量被受遮蔽的組件所消耗。當熱斑效應嚴重時,旁路二極管可能會被擊穿,令組件燒毀,如下圖(圖片來自于TUV-Rheinland)。

2PID效應
電位誘發衰減效應(PID,PotentialInduced Degradation)是電池組件長期在高電壓作用下,使玻璃、封裝材料之間存在漏電流,大量電荷狙擊在電池片表面,使得電池表面的鈍化效果惡化,導致組件性能低于設計標準。PID現象嚴重時,會引起一塊組件功率衰減50%以上,從而影響整個組串的功率輸出。高溫、高濕、高鹽堿的沿海地區最易發生PID現象。

造成組件PID現象的原因主要有以下三個方面:
1)系統設計原因:光伏電站的防雷接地是通過將方陣邊緣的組件邊框接地實現的,這就造成在單個組件和邊框之間形成偏壓,組件所處偏壓越高則發生PID現象越嚴重。對于P型晶硅組件,通過有變壓器的逆變器負極接地,消除組件邊框相對于電池片的正向偏壓會有效的預防PID現象的發生,但逆變器負極接地會增加相應的系統建設成本;
2)光伏組件原因:高溫、高濕的外界環境使得電池片和接地邊框之間形成漏電流,封裝材料、背板、玻璃和邊框之間形成了漏電流通道。通過使用改變絕緣膠膜乙烯醋酸乙烯酯(EVA)是實現組件抗PID的方式之一,在使用不同EVA封裝膠膜條件下,組件的抗PID性能會存在差異。另外,光伏組件中的玻璃主要為鈣鈉玻璃,玻璃對光伏組件的PID現象的影響至今尚不明確;
3)電池片原因:電池片方塊電阻的均勻性、減反射層的厚度和折射率等對PID性能都有著不同的影響。
上述引起PID現象的三方面中,由在光伏系統中的組件邊框與組件內部的電勢差而引起的組件PID現象被行業所公認,但在組件和電池片兩個方面組件產生PID現象的機理尚不明確,相應的進一步提升組件的抗PID性能的措施仍不清楚。
3電池片隱裂
隱裂是電池片的缺陷。由于晶體結構的自身特性,晶硅電池片十分容易發生破裂。晶體硅組件生產的工藝流程長,許多環節都可能造成電池片隱裂(據西安交大楊宏老師的資料,僅電池生產階段就有約200種原因)。隱裂產生的本質原因,可歸納為在硅片上產生了機械應力或熱應力。
近幾年,晶硅組件廠家為了降低成本,晶硅電池片一直向越來越薄的方向發展,從而降低了電池片防止機械破壞的能力。
2011年,德國ISFH公布了他們的研究結果:根據電池片隱裂的形狀,可分為5類:樹狀裂紋、綜合型裂紋、斜裂紋、平行于主柵線、垂直于柵線和貫穿整個電池片的裂紋。

圖:晶硅電池隱裂形狀
不同的隱裂,對電池片功能造成的影響是不一樣的。對電池片功能影響最大的,是平行于主柵線的隱裂(第4類)。根據研究結果,50%的失效片來自于平行于主柵線的隱裂。45°傾斜裂紋(第3類)的效率損失是平行于主柵線損失的1/4。垂直于主柵線的裂紋(第5類)幾乎不影響細柵線,因此造成電池片失效的面積幾乎為零。

有研究結果顯示,組件中某單個電池片的失效面積在8%以內時,對組件的功率影響不大,組件中2/3的斜條紋對組件的功率穩定沒有影響。
光伏組件性能的檢測
光伏電站運行一段時間后,需要進行檢測,來確定光伏電站的性能。涉及光伏組件的,主要包含以下項目。
1功率衰減測試
光伏組件運行1年和25年后的衰減率到底有多少?25年太久,現在可能還沒有運行這么長時間的電站。按國家標準,晶硅電池2年的衰減率應該在3.2%以內。但目前這個數據還真的很難說,原因有三:
1)光伏組件出場功率是用實驗室標準光源和測試環境標定的,但似乎國內不同廠家的標準光源是存在一定的差異的。那在A廠標定的250W的組件,到了B廠,可能就是245W的組件的。
2)現場檢測所用的儀器精確度較差,據說5%以內的誤差都是可以接受的。用誤差5%的儀器,測2%(1年)的衰減,難度有些大,結果也令人懷疑。
3)現場的測試條件跟實驗室的相差較大,正好在1000W/m2、25℃的時間太少了!所以,就需要進行一個測試值向標準值的轉化,而輸出功率與輻照度僅在一個很小的區間內正相關。如圖2所示,即使在800W/m2時,也不是正相關的。因此,在轉化的時候,肯定存在誤差。
另外,很多組件出場可能就是-3%的功率偏差,還沒衰減,3%就直接沒了……
2EL測試
當光伏組件出現問題時,局部電阻升高,該區域溫度就會升高。EL測試儀就像我們體檢中的X光機一樣,可以對光伏組件進行體檢——通過紅外圖像拍攝,根據溫度不同,圖像呈現不同的顏色,從而非常容易的發現光伏組件的很多問題:隱裂、熱斑、PID效應等。
光伏組件在運輸、搬運、安裝等過程中,容易被踩踏、撞擊,導致組件產生不易察覺的隱裂,極大影響組件輸出功率。用EL變可以檢測出來,如下圖。

下圖為熱斑現象的紅外照片(圖片來自于TUV-Rheinland),紅點部分為產生熱斑處。

下圖為PID效應的紅外照片, PID效應嚴重的電池片發黑。

除了上述檢測外,對組件的外觀檢查也非常重要。如組件背板劃痕、變黃、鼓泡,連接器脫落等。
近期光伏組件價格變動
光伏電站受政策影響,會在某一時間段集中投產。因此,造成一年內對上游的需求變化非常大。下圖為最近30周(2016年6月~2017年2月)光伏組件價格變化曲線。

2016年SNEC之前(5月份之前),多晶光伏組件的價格一直維持在3.8元/W左右,6月份后下降10%以上;到8月份的招標時爆出3.05元/W的價格,
預計2017年630后價格價格也會快速下降,預計會在2.5元/W以內。

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