探析雙玻組件在光伏電站中的應(yīng)用情況

0 引言

目前我國(guó)擁有全球最大的光伏市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)光伏組件技術(shù)路線的革新受到了全球范圍相關(guān)產(chǎn)業(yè)及媒體的廣泛關(guān)注。伴隨國(guó)內(nèi)光伏市場(chǎng)每年裝機(jī)量的不停增長(zhǎng)，對(duì)于建設(shè)光伏電站采用的各類光伏組件的技術(shù)要求也越來(lái)越嚴(yán)苛，大型光伏制造商們不斷通過(guò)開(kāi)發(fā)低成本、高品質(zhì)的光伏組件來(lái)淘汰技術(shù)落后的光伏企業(yè)。

在目前國(guó)內(nèi)許多已并網(wǎng)發(fā)電的光伏電站中，大量光伏組件出現(xiàn)了PID現(xiàn)象、蝸牛紋等質(zhì)量問(wèn)題。這些問(wèn)題產(chǎn)生的根源是由于光伏組件的有機(jī)材料本身容易發(fā)生老化這一特性，導(dǎo)致水汽進(jìn)入光伏組件內(nèi)部，破壞了組件的穩(wěn)定性，從而最終造成光伏組件發(fā)電量的大幅下降。

對(duì)光伏組件銷(xiāo)售端數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，雙玻組件的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越被凸顯。由于雙玻組件本身封裝材料及設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的特性，使其具備良好的耐候性能、更長(zhǎng)的使用壽命及優(yōu)異的抗PID特性，在光伏電站應(yīng)用中避免了許多由于組件封裝材料中有機(jī)材料老化引發(fā)的質(zhì)量問(wèn)題。這些優(yōu)點(diǎn)使雙玻組件成為被推廣用于光伏電站，尤其是分布式光伏電站的對(duì)象之一。

1 雙玻組件較常規(guī)單玻組件的優(yōu)勢(shì)

1.1 耐候性

相較于常規(guī)單玻組件，雙玻組件具有許多明顯的優(yōu)勢(shì)。在光伏組件耐候性上，常規(guī)單玻組件采用的高分子結(jié)構(gòu)背板在太陽(yáng)強(qiáng)烈的UV照射下容易產(chǎn)生黃變，導(dǎo)致背板材料穩(wěn)定性下降甚至脆化。若光伏電站建在沿海地區(qū)或鹽湖等地域，酸、堿、鹽霧等會(huì)破壞背板，使EVA和太陽(yáng)電池片暴露在水汽及酸堿環(huán)境下，破壞組件穩(wěn)定性，導(dǎo)致組件發(fā)電量大幅衰減。但雙玻組件的背面材料卻為超白低鐵鋼化玻璃，無(wú)論是UV、水汽或酸、堿、鹽霧等，都無(wú)法腐蝕或破壞到雙玻組件內(nèi)部，大幅降低了光伏組件蝸牛紋、黑線產(chǎn)生的概率。

1.2 散熱性

光伏組件的發(fā)電量會(huì)受溫度影響，光伏組件溫度越高，發(fā)電量越低。在常規(guī)單玻組件和雙玻組件散熱性方面，玻璃比背板的導(dǎo)熱系數(shù)更高，玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)為1.04 W/(m?K)，而背板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.14 W/(m?K)。常規(guī)單玻組件的鋼化玻璃厚度通常為3.2 mm以上，背板厚度為0.3 mm，而雙玻組件正面及背面鋼化玻璃厚度均為2.5 mm。如此換算，常規(guī)單玻組件鋼化玻璃的熱阻為 0.0031 m2?K/W，背板的熱阻為0.0021 m2?K/W，而雙玻組件鋼化玻璃的熱阻為0.0024 m2?K/W，如圖1所示，兩者的總熱阻相差無(wú)幾。

圖1 常規(guī)單玻組件和雙玻組件熱阻分析

但是雙玻組件不存在邊框的設(shè)計(jì)，其溫度較常規(guī)單玻組件通常會(huì)低2 ℃左右，而發(fā)電量會(huì)高出1%左右。這是由于常規(guī)單玻組件鋁合金邊框的內(nèi)部不利于空氣對(duì)流，而雙玻組件取消邊框后，背面空氣對(duì)流明顯加強(qiáng)，使組件的溫度略微下降。尤其當(dāng)光伏組件和廠房屋頂?shù)陌惭b距離很近時(shí)，空氣對(duì)流效果更不明顯，此時(shí)雙玻組件較低的工作溫度且可產(chǎn)生較高發(fā)電量的優(yōu)勢(shì)會(huì)體現(xiàn)的更加明顯。

1.3 PID解決方案

光伏電站并網(wǎng)發(fā)電后，若逆變器未做負(fù)極接地，會(huì)導(dǎo)致光伏組件邊框與內(nèi)部帶電體產(chǎn)生負(fù)偏壓，尤其在濕度較高的環(huán)境中，會(huì)形成漏電流通道，鋼化玻璃內(nèi)的鈉離子遷移會(huì)形成組件內(nèi)太陽(yáng)電池片大面積衰減，這一現(xiàn)象叫做電位誘發(fā)衰減，也就是PID現(xiàn)象。

常規(guī)單玻組件的PID現(xiàn)象解決方案通常是采用可靠的低透水率材料，尤其是改良EVA膠膜的化學(xué)成分，使鋼化玻璃中的鈉離子無(wú)法進(jìn)行遷移，以此來(lái)降低PID現(xiàn)象的發(fā)生。雙玻組件由于自身無(wú)邊框的設(shè)計(jì)，不會(huì)產(chǎn)生負(fù)偏壓，也無(wú)需接地，并且鋼化玻璃自身材質(zhì)的透水率幾乎為零，所以可以說(shuō)從根本上杜絕了PID現(xiàn)象的產(chǎn)生。

1.4 受力分析

由于常規(guī)單玻組件的鋼化玻璃厚度與背板厚度差距太大，導(dǎo)致其內(nèi)部太陽(yáng)電池片偏離中性層。這種情況下，在組件受到外力時(shí)，由于組件封裝材質(zhì)的應(yīng)力各不相同，會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)電池片彎曲幅度過(guò)大，從而產(chǎn)生隱裂，影響光伏組件品質(zhì)；嚴(yán)重時(shí)，甚至?xí)a(chǎn)生太陽(yáng)電池片裂片，直接導(dǎo)致光伏組件出現(xiàn)失效面積，影響組件發(fā)電量，如圖2所示。

圖2 常規(guī)單玻組件結(jié)構(gòu)示意圖

而雙玻組件由于其正面及背面均采用厚度一致的鋼化玻璃，因此結(jié)構(gòu)對(duì)稱，太陽(yáng)電池片與中性層重疊，如圖3所示。這樣便會(huì)大幅降低雙玻組件內(nèi)部太陽(yáng)電池片受到的外力影響，也降低了太陽(yáng)電池片產(chǎn)生隱裂或裂片的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 常規(guī)組件和雙玻組件受力分析示意圖

對(duì)常規(guī)單玻組件和雙玻組件同時(shí)進(jìn)行靜態(tài)機(jī)械荷載試驗(yàn)，正面施加壓力5400 Pa，背面施加壓力3600 Pa，相當(dāng)于約2 m厚的雪產(chǎn)生的壓力；經(jīng)過(guò)12 h試驗(yàn)時(shí)間，然后分別對(duì)兩塊組件進(jìn)行EL測(cè)試，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以明顯看出，雙玻組件的機(jī)械荷載能力遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)單玻組件。

圖4 靜態(tài)機(jī)械荷載試驗(yàn)后組件的EL測(cè)試圖像

1.5 防火性

美國(guó)蘋(píng)果公司亞利桑那州工廠樓頂?shù)墓夥M件起火后引發(fā)嚴(yán)重火災(zāi)的新聞被報(bào)道后，引起了業(yè)內(nèi)廣泛的關(guān)注。光伏系統(tǒng)由于組件熱斑和直流拉弧等故障的原因會(huì)產(chǎn)生自燃現(xiàn)象，可能引發(fā)火災(zāi)，因此各家光伏公司對(duì)于光伏組件的防火性能也越加看重。

根據(jù)UL790的燃燒塊測(cè)試和火焰蔓延測(cè)試，可將測(cè)試結(jié)果一共分為3個(gè)防火等級(jí)，防火能力從高到低分別為Class A、B、C。通常常規(guī)單玻組件的背板是高分子聚合物材料，因此容易在起火燃燒后形成燃燒滴落物，從而擴(kuò)大火災(zāi)形勢(shì)，所以防火測(cè)試等級(jí)僅為Class C。雙玻組件由于其自身的設(shè)計(jì)，鋼化玻璃可以達(dá)到阻燃的效果，因此雙玻組件可以達(dá)到最高防火能力標(biāo)準(zhǔn)的Class A，大幅降低了光伏電站發(fā)生火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。

在光伏電站應(yīng)用中，雙玻組件的優(yōu)異性能可體現(xiàn)在提高光伏電站發(fā)電量、減少運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，以及延長(zhǎng)光伏電站運(yùn)行壽命等方面。

2 雙玻組件的發(fā)電量分析

2017年1 月，在西安某工廠的廠房房頂搭建了雙玻組件戶外實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的組件均來(lái)源于同一家光伏組件生產(chǎn)企業(yè)同批次產(chǎn)品，以減少后期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的誤差。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為1500 V光伏系統(tǒng)，選用的雙玻組件從設(shè)計(jì)類型上分為兩種，一種為常規(guī)雙玻組件，另一種對(duì)常規(guī)雙玻組件的下層EVA進(jìn)行了白化處理，設(shè)想可以利用白色的反光效果提高組件發(fā)電量。兩種雙玻組件的標(biāo)稱功率均為265 W，每30塊雙玻組件為一串，接入組串式逆變器。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)2月1日～7月10日的發(fā)電量如圖5所示。

由圖5可以看出，白色EVA雙玻組件月發(fā)電量確實(shí)略高于常規(guī)雙玻組件。

提取5月份的每日發(fā)電量及日總輻照量進(jìn)行詳細(xì)研究，如圖6所示。

圖5 兩種雙玻組件發(fā)電量情況

圖6 兩種雙玻組件5月發(fā)電量情況

由圖6可知，在日總輻照量為15 MJ/m2以內(nèi)時(shí)，常規(guī)雙玻組件的發(fā)電量與白色EVA雙玻組件的發(fā)電量幾乎無(wú)差別，甚至略微高于后者；但是隨著日總輻照量上升至15 MJ/m2以上時(shí)，白色EVA雙玻組件的發(fā)電量開(kāi)始超越常規(guī)雙玻組件。

提取5月8日這一天的數(shù)據(jù)進(jìn)行更進(jìn)一步的分析，如圖7所示。

根據(jù)氣象站采集的5月8日當(dāng)天的數(shù)據(jù)，當(dāng)天天氣晴朗，日總輻照量達(dá)到27.58 MJ/m2。當(dāng)瞬時(shí)輻射強(qiáng)度達(dá)到200 W/m2以上時(shí)，白色EVA雙玻組件的發(fā)電量開(kāi)始高于常規(guī)雙玻組件，并且瞬時(shí)輻射強(qiáng)度越高，其發(fā)電量增大的趨勢(shì)越明顯。這點(diǎn)印證了對(duì)雙玻組件EVA進(jìn)行白化處理后達(dá)到反射太陽(yáng)光這一效果的設(shè)想，瞬時(shí)輻射強(qiáng)度越高，白化后的EVA反射太陽(yáng)光越明顯，從而讓雙玻組件多次吸收太陽(yáng)光線，達(dá)到提升組件發(fā)電量的目的。

通過(guò)2月1日～7月10日的連續(xù)觀察可以發(fā)現(xiàn)，采用EVA白化處理后的雙玻組件在日總輻照量大于15 MJ/m2的情況下，日均發(fā)電量可以比常規(guī)雙玻組件提升約1.5%。

圖7 兩種雙玻組件5月8日發(fā)電量情況

3 雙玻組件與常規(guī)單玻組件發(fā)電能力對(duì)比研究

本研究項(xiàng)目的戶外實(shí)驗(yàn)平臺(tái)同時(shí)安裝了一組265 W的常規(guī)單玻組件，組件的生產(chǎn)企業(yè)與雙玻組件相同，目的是為了與雙玻組件進(jìn)行對(duì)比分析。兩種組件在2月1日～7月10日的發(fā)電量對(duì)比如圖8所示。

圖8 雙玻組件和常規(guī)單玻組件發(fā)電量情況

由圖8可知，雙玻組件的發(fā)電量每個(gè)月都略高于常規(guī)單玻組件。因?yàn)槎际怯?016年12月新裝的組件，所以不存在由于組件封裝材料老化而導(dǎo)致的功率衰減問(wèn)題；而且無(wú)論是雙玻組件還是常規(guī)單玻組件，所用的單晶硅太陽(yáng)電池都源于一條生產(chǎn)線上的工藝，因此也應(yīng)該不存在電池片衰減率不一致的可能性。將兩種組件的發(fā)電量數(shù)據(jù)結(jié)合氣象數(shù)據(jù)及采集的組件溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出導(dǎo)致組件發(fā)電量產(chǎn)生差異的主要原因是由于組件溫度差異產(chǎn)生的影響。

選取幾天典型天氣氣候的發(fā)電量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖9～圖10所示。

圖9 7月5日雨天3種組件的發(fā)電量情況

由圖9可知，雙玻組件和常規(guī)單玻組件在陰雨天氣的發(fā)電量差異并不明顯，這是由于陰雨天氣日總輻照量低，輻射強(qiáng)度不足，不能充分發(fā)揮兩種組件的功能。

圖10 5月23日晴天時(shí)3種組件的發(fā)電量情況

由圖10可以發(fā)現(xiàn)，在天氣晴朗、輻射強(qiáng)度充足的情況下，雙玻組件的發(fā)電能力明顯優(yōu)于常規(guī)單玻組件。

在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)安裝的雙玻組件和常規(guī)單玻組件的組串中各隨機(jī)挑選1塊，每小時(shí)利用紅外熱溫槍對(duì)兩塊組件進(jìn)行溫度測(cè)試，每塊組件每次測(cè)量5組溫度數(shù)據(jù)再求平均值，結(jié)果如圖11所示。

圖11 2種組件的組件溫度對(duì)比情況

由圖11可以發(fā)現(xiàn)，隨著環(huán)境溫度及輻照量的上升，組件的工作溫度也越來(lái)越高，但是10:00之后，常規(guī)單玻組件每次測(cè)試出的溫度均高于雙玻組件，這是因?yàn)殡p玻組件的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的換熱性能高于常規(guī)單玻組件。伴隨組件溫度升高，溫度系數(shù)對(duì)發(fā)電量的影響越來(lái)越明顯，據(jù)統(tǒng)計(jì)，實(shí)驗(yàn)最終的結(jié)果是雙玻組件發(fā)電量比常規(guī)單玻組件約高1.6%。

4 小結(jié)

本文對(duì)雙玻組件的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和其自身優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了闡述，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M了雙玻組件在光伏電站運(yùn)行的情況，通過(guò)對(duì)兩種設(shè)計(jì)形式的雙玻組件進(jìn)行橫向?qū)Ρ确治?，評(píng)估了雙玻組件底層EVA白化處理后的發(fā)電能力情況；同時(shí)也進(jìn)行了雙玻組件與常規(guī)單玻組件的縱向?qū)Ρ确治?，評(píng)估了雙玻組件的發(fā)電能力。

近兩年的光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)可謂日新月異，多種新穎的組件技術(shù)路線不斷被提出，各類新型的組件封裝材料也層出不窮。幾年前，雙玻組件由于成本問(wèn)題一直屬于概念性產(chǎn)品，并未進(jìn)行量產(chǎn)化。隨著光伏產(chǎn)業(yè)的整合，絕大多數(shù)技術(shù)落后的企業(yè)被淘汰出局，各大型光伏制造商的技術(shù)成本和材料成本不斷突破性降低，目前雙玻組件在市場(chǎng)銷(xiāo)售份額上也具有一席之地，通過(guò)今后技術(shù)層面的不斷探索，雙玻組件大量應(yīng)用于分布式光伏電站及水上光伏電站中指日可待。