不同支架形式的高效PERC組件發(fā)電性能

鄒 晗，邵利剛，秦紅剛，錢康文，程遠(yuǎn)哲，李秀秀

不同支架形式的高效PERC組件發(fā)電性能

鄒 晗1，邵利剛1，秦紅剛1，錢康文1，程遠(yuǎn)哲1，李秀秀2

（1. 中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 311122；2. 東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇省太陽能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210096）

為解決目前光伏用地緊張的問題，使得電站收益最大化，需要對(duì)高效PERC（passivated emitter and rear cell）組件的發(fā)電性能和光伏支架的選型開展進(jìn)一步研究。該研究基于中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司天長一期100 MW漁光互補(bǔ)光伏發(fā)電項(xiàng)目，以天長光伏電站為試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)固定式PERC方陣B1、單軸式PERC方陣B2、固定式多晶硅方陣B3和單軸式多晶硅方陣B4在2018年的發(fā)電情況進(jìn)行監(jiān)測，對(duì)比分析了這2種光伏組件在不同支架形式下的單瓦全年日均和單瓦單日的發(fā)電數(shù)據(jù)，驗(yàn)證PERC組件優(yōu)越的發(fā)電性能，對(duì)比分析了不同支架形式下PERC組件的單瓦全年日均發(fā)電數(shù)據(jù)，以及在輻照度最高的7月及輻照度最低的12月的發(fā)電性能。結(jié)果表明，PERC組件全年發(fā)電性能優(yōu)于多晶硅組件，在固定式和單軸式2種支架形式下的年平均發(fā)電增益分別為3.7%和5.7%，單軸PERC組件在春夏兩季的發(fā)電性能均優(yōu)于固定PERC組件，月均發(fā)電增益達(dá)到13.4%。PERC組件在長期工作時(shí)的優(yōu)越發(fā)電性能和不同支架形式下的發(fā)電特點(diǎn)，可為未來光伏電站建設(shè)初期的組件和支架選取提供參考，增加電站投資收益。

光伏組件；太陽能；試驗(yàn)；鈍化發(fā)射極背面接觸（PERC）；硅太陽能電池；單軸式；固定式

0 引 言

鈍化發(fā)射極背面接觸（passivated emitter and rear cell，PERC）電池技術(shù)由常規(guī)鋁背場（aluminum back-surface field，Al-BSF）技術(shù)發(fā)展而來，相比于常規(guī)電池工藝，PERC電池增加了Al2O3背鈍化和激光劃線2道工序，主要通過提高光伏電池的長波響應(yīng)來提高電池效率[1]，被認(rèn)為是下一代c-Si太陽能電池[2]。由于PERC電池的制造與標(biāo)準(zhǔn)Al-BSF的處理要求基本一致，可以沿用現(xiàn)有的工業(yè)設(shè)備、材料和工藝[3]，因此PERC電池是產(chǎn)業(yè)化程度最高的高效電池[4]。

1983年初，澳大利亞新南威爾士大學(xué)首次提出PERC電池的概念，在1989年作為實(shí)驗(yàn)室型太陽能電池產(chǎn)生了22.8%的創(chuàng)紀(jì)錄效率，由此越來越多的研究人員對(duì)PERC電池展開研究，2014年實(shí)驗(yàn)室PERC電池已成功實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)[5]。2015年7月，德國制造商SolarWorld實(shí)現(xiàn)了PERC電池21.7%的效率，中國的天合光能在同年12月實(shí)現(xiàn)了22.13%的效率，2016年SolarWorld利用選擇性發(fā)射技術(shù)實(shí)現(xiàn)了22.04%的生產(chǎn)線轉(zhuǎn)換效率[6]。2017年晶科能源創(chuàng)造了高效PERC p型多晶硅太陽電池，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)22.04%，2018年隆基樂葉PERC 單晶硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率最高已達(dá)23.26%[7]。隨著商用PERC效率的提高和批量生產(chǎn)，近年來晶體硅太陽能電池由傳統(tǒng)的Al-BSF設(shè)計(jì)向PERC電池設(shè)計(jì)過渡[8]。Abhishek[9]采用一個(gè)綜合成本模型計(jì)算Al-BSF硅太陽能電池和PERC電池的單瓦成本，發(fā)現(xiàn)在一定條件下，投資PERC電池技術(shù)可實(shí)現(xiàn)盈利。2019年國際光伏技術(shù)路線圖（international technology roadmap for photovoltaic ，ITRPV）預(yù)測，到2026年，PERCs及其相關(guān)技術(shù)將主導(dǎo)光伏市場，市場份額大于70%[10]。

目前，世界范圍內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)等都在著力于PERC太陽能電池的相關(guān)研究，致力于不斷提高PERC太陽能電池的光衰抑制水平[11-13]和轉(zhuǎn)換效率[14-17]，為其市場化奠定了重要的基礎(chǔ)。普通晶硅電池的商業(yè)應(yīng)用研究比較成熟，對(duì)不同支架形式的研究有較多探討[18-23]，但是關(guān)于PERC電池的發(fā)電性能研究大多依靠理論計(jì)算[24]或者短時(shí)間的數(shù)據(jù)測量，缺乏長期可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。因此，本文以中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司天長100 MW光伏電站為試驗(yàn)平臺(tái)，基于2018年全年發(fā)電量數(shù)據(jù)，通過對(duì)比全年單瓦日均發(fā)電量和單日單瓦輸出功率，驗(yàn)證在長期工作時(shí)PERC組件相比多晶硅組件的優(yōu)越發(fā)電性能，并對(duì)比分析PERC組件在正南固定式（傾角25°）和南北單軸跟蹤式（傾角5°）下的全年單瓦日均發(fā)電量和單月單瓦發(fā)電曲線，得出高效組件的最優(yōu)發(fā)電域。長期工作組件的發(fā)電性能對(duì)于商業(yè)電站的運(yùn)行具有重大意義，可為未來光伏電站投資建設(shè)的組件選型、方陣支架選型提供技術(shù)支撐，增加電站收益。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)簡介

1.1 安裝位置

項(xiàng)目所在地為安徽省天長市，地理坐標(biāo)東經(jīng)119.12°，北緯32.80°。天長市屬于太陽能資源中等地區(qū)，屬亞熱帶北緣季風(fēng)氣候，溫暖濕潤，雨量充沛，四季分明，年平均氣溫17.4℃，年均總降水量1 600 mm，日照充足，年均日照總時(shí)數(shù)為2 097 h。旱季長7個(gè)月、雨季5個(gè)月，雨季降水量占年降水量的68%。光伏電站位于天長高郵湖西側(cè)。場地較平整空曠，地勢(shì)相對(duì)較平緩，周邊暫無建筑物。項(xiàng)目占地類型為魚塘水域未利用地，不占農(nóng)用地，占地面積為2 650 hm2 [25]。

1.2 系統(tǒng)布置

該項(xiàng)目在場區(qū)內(nèi)布置了78個(gè)晉能光伏方陣，包括72個(gè)多晶硅方陣，4個(gè)PERC方陣，2個(gè)異質(zhì)結(jié)方陣。其中70個(gè)方陣為正南固定式安裝，8個(gè)方陣為南北單軸跟蹤式安裝，光伏組件縱向2排放置，2種不同支架形式下的光伏方陣現(xiàn)場圖如圖1所示。

圖1 太陽能電池方陣

固定式支架的最佳傾角采用文獻(xiàn)[25]的方法計(jì)算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)方陣傾角在19°~29°范圍內(nèi)的全年日平均太陽總輻射量相差不大，綜合太陽輻射量及支架穩(wěn)定性等因素考慮，確定最佳傾角為25°。單軸式支架的傾角選取考慮工程實(shí)踐，最佳傾角確定為5°。

方陣前后間距約3 m，滿足冬至日（一年當(dāng)中物體在太陽下陰影長度最長的一天）上午9：00到下午3：00光伏組件之間南北方向無陰影遮擋的要求，同時(shí)考慮場區(qū)地勢(shì)以及便于施工、檢修等因素，光伏組件最低點(diǎn)距水面距離約1.5 m，滿足當(dāng)?shù)刈畲蠓e雪深度、洪水水位、防止動(dòng)物破壞和防止泥沙濺上光伏組件等要求。

1.3 PERC電池結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

如圖2[26]所示，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)電池的正面和背面單純采用復(fù)合鈍化層，基于場鈍化原理的PERC電池在鈍化薄膜層局部開孔，通過孔口與背表面場部分接觸，降低了電池背面的復(fù)合速率，提高了電池的光電轉(zhuǎn)換效率[27-30]。

1.絲網(wǎng)印刷銀漿 2.減反層 3.n+發(fā)射極 4.背接觸層 5.絲網(wǎng)印刷鋁漿 6.基礎(chǔ)背接觸層 7.鈍化層 8.SiNx覆蓋層

與常規(guī)鋁背場多晶硅太陽電池相比，PERC多晶硅太陽電池的開路電壓、短路電流密度以及轉(zhuǎn)換效率較高；有較好的長波光譜響應(yīng)以及背面SiNx和背面鋁形成背面反射器具有更高的背反射率，增加了長波光子的吸收；背面SiO2/SiNx疊層膜鈍化膜有效降低了背表面復(fù)合速率，大大降低了背表面的少數(shù)載流子復(fù)合[31]。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

本文以中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司天長一期100 MW漁光互補(bǔ)光伏發(fā)電項(xiàng)目為試驗(yàn)平臺(tái)，選取光伏電站內(nèi)固定式PERC方陣B1、單軸式PERC方陣B2、固定式多晶硅方陣B3和單軸式多晶硅方陣B4為研究對(duì)象。

考慮到大型光伏發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)先選用單位面積容量大的光伏組件，以減少占地面積，降低光伏組件安裝量，該項(xiàng)目選用了350 W的PERC電池和320 W的普通多晶硅電池。其中PERC電池電壓等級(jí)DC1000 V，標(biāo)稱功率350 W，尺寸1 956 mm×992 mm×35 mm，組件轉(zhuǎn)換效率18.04%；普通多晶硅組件電壓等級(jí)DC1000V，標(biāo)稱功率320 W，尺寸1 956 mm×992 mm×35 mm，組件轉(zhuǎn)換效率16.5%[32]。

系統(tǒng)采用若干組逆變器，每個(gè)逆變器具有自動(dòng)最大功率跟蹤功能（maximum power point tracking，MPPT），并能夠隨著光伏組件接收的功率變化，自動(dòng)識(shí)別并以最經(jīng)濟(jì)的方式投入運(yùn)行。各方陣參數(shù)如表1所示。

表1 光伏方陣主要參數(shù)

2.2 試驗(yàn)方法

1）綜合考慮組件類型、光照輻射度和組件支架方式等關(guān)鍵因素，通過高效組件與普通多晶硅組件的發(fā)電數(shù)據(jù)比較、高效組件固定式與單軸式安裝的數(shù)據(jù)采集分析，優(yōu)化項(xiàng)目投資建設(shè)、高效光伏組件選型方案，為電站運(yùn)行維護(hù)提供參考，最終提高電站投資收益。

2）統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方陣2018年1 a的逆變器直流發(fā)電數(shù)據(jù)，除去系統(tǒng)檢修維護(hù)等天數(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選處理。結(jié)合本項(xiàng)目所在地的全年輻照度分布圖和氣候特點(diǎn)，對(duì)各組件在不同支架形式下的全年、單月和單日的發(fā)電性能做對(duì)比分析。

3）發(fā)電性能與同類型研究的實(shí)際或模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證數(shù)據(jù)的可靠性。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

每個(gè)方陣接入2臺(tái)逆變器（相互對(duì)照可確保數(shù)據(jù)可靠性），發(fā)電量取2臺(tái)逆變器發(fā)電量的平均值，研究PERC組件與普通多晶硅組件在全年和典型陰天下的發(fā)電性能，對(duì)比PERC組件在不同支架形式下的全年和典型月份的單瓦發(fā)電性能。

3.1 PERC組件發(fā)電性能

為系統(tǒng)研究PERC組件發(fā)電性能的優(yōu)越性以及其在單軸式和固定式形式下的發(fā)電性能差異，選取光伏電站典型的4個(gè)不同組件、不同支架形式下的方陣進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1.1 不同支架形式下的發(fā)電量

圖3為2018年4個(gè)組件的單瓦日均發(fā)電量曲線和單位面積日均輻照量曲線。由圖3可知，在單軸式支架形式下，PERC組件單瓦日均發(fā)電量相比于多晶硅組件單瓦日均發(fā)電量，年平均發(fā)電增益為5.7%，在10月份發(fā)電增益達(dá)到17%。

圖3 2018年單瓦日均發(fā)電量

在固定式支架形式下，相比多晶硅組件，PERC組件的單瓦日均發(fā)電量的年平均增益為3.7%，略高于50 MW晶澳山西大同領(lǐng)跑者項(xiàng)目固定支架形式下PERC組件比普通多晶組件3.2%的增益[33]，在6、7月份輻照度較高且天氣條件較好的情況下，發(fā)電增益達(dá)到11%。但是總體看，PERC組件的日均發(fā)電量較低，原因可能是2018年天長地區(qū)雨量充沛，月降水天數(shù)最多達(dá)到13 d，使得組件發(fā)電量受到影響，尤其是5月份基本為雨天，使得發(fā)電量損失較大。

3.1.2 單日輸出功率

為進(jìn)一步分析PERC 組件的發(fā)電性能，選取典型陰天9月30日06：00至18：15時(shí)段逆變器瞬時(shí)輸出功率，每隔15 min記錄1次數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖4。

圖4中，在6：00至15：45的時(shí)間段里，PERC組件的輸出功率基本高于多晶硅組件，PERC組件的全天平均輸出功率增益為26.1%。在09：00和14：00這2個(gè)時(shí)間點(diǎn)，天空烏云增多使得輻照度突然降低，PERC組件的輸出功率遠(yuǎn)高于多晶硅組件，可見PERC組件在烏云突然增多等導(dǎo)致的輻照度突降情況下有著優(yōu)越的發(fā)電性能。

圖4 2018年9月30日單瓦輸出功率

結(jié)合2018年各個(gè)組件單瓦日均發(fā)電量和單日輸出功率數(shù)據(jù)的對(duì)比可以看出，在單軸和固定式形式下，PERC組件全年發(fā)電性能均優(yōu)于多晶硅組件，年平均發(fā)電增益分別為5.7%和3.7%，且PERC組件在輻照度突降的情況下仍保持較高的輸出功率。

3.2 PERC組件在不同支架形式的發(fā)電量

3.2.1 全年單瓦日均發(fā)電量

圖5為單軸PERC組件和固定PERC組件在2018年全年的單瓦日均發(fā)電量和相應(yīng)的發(fā)電增益。

圖5 2018年P(guān)ERC組件單瓦日均發(fā)電量

可以看出，單軸PERC組件在3月至9月，即春夏兩季日均發(fā)電量更高，月均發(fā)電增益達(dá)到13.4%，7月達(dá)到最高發(fā)電增益24.9%；但是在10月至2月，即秋冬兩季，固定PERC組件發(fā)電性能更好，月均發(fā)電增益為8.1%。春夏季節(jié)的發(fā)電增益明顯較高，單軸式PERC組件的發(fā)電性能更好，這是因?yàn)榇合妮^秋冬太陽的高度角更大, 日照時(shí)間更長，這與陳維等[34]結(jié)論一致。在秋冬季節(jié)，固定式PERC組件的發(fā)電性能優(yōu)于單軸式，這是因?yàn)殡m然單軸PERC使用了南北單軸跟蹤方式，但是考慮2種組件本身的傾斜角度，單軸PERC電池表面與太陽光的夾角還是小于固定PERC電池。

3.2.2 7月單瓦日發(fā)電量

選取輻照度最高且發(fā)電增益最高的7月份，圖6為2018年7月PERC組件在不同支架形式下的發(fā)電量折線圖?？梢钥闯?，單軸PERC和固定PERC發(fā)電量曲線趨勢(shì)基本吻合，前者發(fā)電量大于或近似等于后者發(fā)電量。結(jié)合天長市2018年7月天氣統(tǒng)計(jì)（7月雨天長達(dá)13 d）可知，在晴天時(shí)，單軸PERC的發(fā)電性能明顯優(yōu)于固定PERC，但是雨天天氣情況下，單軸PERC并沒有表現(xiàn)出優(yōu)越的發(fā)電性能，這是因?yàn)楦欀Ъ茉谥鄙涔獗壤礁叩那闆r下效果越好，而雨天輻射主要為漫反射，跟蹤價(jià)值不大，這與陳維等[34]研究得到的在珠海地區(qū)2至4月雨季時(shí)，采用跟蹤后太陽輻照度和發(fā)電量增加都不明顯的發(fā)現(xiàn)是一致的。

圖6 2018年7月PERC組件單瓦日發(fā)電量

3.2.3 12月單瓦日發(fā)電量

選取輻照度最低且發(fā)電增益最低的12月份，圖7為2018年12月PERC組件在不同支架形式下的發(fā)電量。

圖7 2018年12月PERC組件單瓦日發(fā)電量

可以看出，單軸PERC和固定PERC發(fā)電量曲線趨勢(shì)基本一致，發(fā)電量接近。結(jié)合天長市2018年12月天氣統(tǒng)計(jì)（12月雨天長達(dá)18 d）可知，這主要是因?yàn)?2月輻照度遠(yuǎn)低于7月且雨天較多，跟蹤效果不明顯，因此12月2種支架形式下的發(fā)電量曲線重合部分較多。在陰、晴天氣情況下固定PERC組件的發(fā)電性能較好，這是因?yàn)閷?duì)于本項(xiàng)目2種跟蹤方式的角度設(shè)計(jì)，冬季時(shí)單軸跟蹤太陽入射角多數(shù)時(shí)候大于固定式，使得接收輻照量小于固定式。

4 結(jié) 論

本文進(jìn)行了高效PERC組件在不同支架形式下的發(fā)電性能研究，初步研究結(jié)論如下：

1）在單軸式和固定式2種致支架形式下，PERC組件全年發(fā)電性能均優(yōu)于多晶硅組件，年平均發(fā)電增益分別為5.7%和3.7%，且PERC組件在輻照度突降的情況下仍保持較高的輸出功率。

2）單軸PERC組件在3月至9月，即春夏兩季日均發(fā)電量更高，月均發(fā)電增益達(dá)到13.4%，7月達(dá)到最高發(fā)電增益24.9%；但是在10月至2月，即秋冬兩季，固定PERC組件發(fā)電性能更好，月均發(fā)電增益為8.1%。

3）在輻照度最高且發(fā)電增益最高的7月份，晴天時(shí)單軸PERC組件的發(fā)電性能明顯優(yōu)于固定PERC組件；在輻照度最低且發(fā)電增益最低的12月份，晴天時(shí)固定PERC組件的發(fā)電性能明顯優(yōu)于單軸PERC組件。而在陰雨天氣情況下輻射主要為漫反射，跟蹤價(jià)值小，2種支架形式下PERC組件發(fā)電量相近。

4）光伏發(fā)電站建設(shè)初期組件選型和支架選型時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考察當(dāng)?shù)氐奶栞椪召Y源和氣候特點(diǎn)，如果太陽輻照資源豐富且多晴天，在投資成本等其他條件允許的條件下，可優(yōu)先使用單軸PERC組件。

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Power generation performance of efficient PERC components with different bracket forms

Zou Han1, Shao Ligang1, Qin Honggang1, Qian Kangwen1, Cheng Yuanzhe1, Li Xiuxiu2

(1.,311122,; 2.,,210096,)

At present, research on power generation performance of PERC (passivated emitter and rear cell) components mostly depends on theoretical calculation or short-term data measurement, and there is a lack of long-term reliable test data. Based on the Tianchang 100 MW photovoltaic power station of Huadong Engineering Corporation Limited Power China, this paper collected the power generation data of fixed-tilt (the positive-south fixed tilt, the inclination angle is 25°) PERC array B1, single axis (the north-south single-axis tracking, the inclination angle is 5°) PERC array B2, fixed-tilt polysilicon array B3 and single-axis polysilicon array B4 in 2018. The data of DC power generation of the test array inverters in 2018 were screened and processed. By analyzing the average daily power generation per watt of four arrays in 2018 and output power per watt of array B2 and array B4 on September 30 in 2018, the superior power generation performance of PERC module was verified. Then, for the further research on PERC modules (array B1 and B2), the average daily power generation per watt with the corresponding power generation gain and the daily power generation per watt in July with the highest irradiance and in December with the lowest irradiance were analyzed. The results showed that PERC component had better power generation performance than polysilicon component in the whole year whether it's single-axis tracking or fixed-tilt, with an average annual power generation gain of 5.7% and 3.7%, respectively, and PERC component maintained a high output power in case of a sudden decrease in irradiance. From March to September, the average daily power generation per watt of the single-axis PERC component was higher, with the average monthly generation gain of 13.4%, and the maximum generation gain reaching 24.9% in July. But in October to February, the fixed-tilt PERC component performed better, with an average monthly generation gain of 8.1%. In July with the highest irradiance and the largest power generation gain, the generation performance of single-axis PERC was significantly better than that of fixed-tilt PERC in sunny days. By contrast, with the lowest irradiance and the smallest power generation gain, the generation performance of fixed-tilt PERC in sunny days was significantly better in December. Because the irradiation in rainy days is mainly diffuse reflection with little tracking value, the power generation of PERC components under the two bracket forms was similar. The superior power generation performance of PERC module in the long-term operation and the power generation characteristics under different bracket forms will make it play an important role in the photovoltaic power plant. Therefore, the selection of modules and brackets in the initial stage of the photovoltaic power station construction should fully investigate the local irradiance resources and climate characteristics. If a place is rich in irradiation resources and sunny days, the single-axis PERC modules can be used preferentially under the same investment cost. The research results can provide technical support for module selection and bracket selection of the photovoltaic power station construction in future.

photovoltaic cells; solar energy; experiment; passivated emitter and rear cell (PERC); silicon solar cells; single-axis; fixed-tilt

2019-10-16

2020-01-19

華東院越南油汀光伏項(xiàng)目（20190919）

鄒 晗，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榧夹g(shù)經(jīng)濟(jì)。Email：zou_h3@ecidi.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.025

TM914.4

A

1002-6819(2020)-05-0220-06

鄒 晗，邵利剛，秦紅剛，錢康文，程遠(yuǎn)哲，李秀秀. 不同支架形式的高效PERC組件發(fā)電性能[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(5)：220－225. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.025 http://www.tcsae.org

Zou Han, Shao Ligang, Qin Honggang, Qian Kangwen, Cheng Yuanzhe, Li Xiuxiu. Power generation performance of efficient PERC components with different bracket forms[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(5): 220－225. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.025 http://www.tcsae.org