光伏組件減反射薄膜在山地光伏電站中的應(yīng)用研究

上官炫爍，唐梓彭，魏 超，李 昂，何梓瑜，潘巧波

(華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030)

0 引言

隨著中國(guó)對(duì)清潔能源需求的不斷增加，全國(guó)各地的光伏發(fā)電裝機(jī)也迎來(lái)井噴式發(fā)展，截至2021 年底，中國(guó)新增光伏發(fā)電并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)53 GW，累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)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(duì)光伏電站提質(zhì)增效的技術(shù)改造已成為光伏電站運(yùn)行中后期面臨的重要問(wèn)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(guò)率高、耐候性強(qiáng)和機(jī)械強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)。盡管光伏玻璃擁有較高的透過(guò)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(huì)導(dǎo)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(dāng)光線的入射角增大時(shí)，光伏玻璃表面的反射率也將隨之增高；當(dāng)光線的入射角達(dá)到70°時(shí)，光伏玻璃表面的反射率將增至27%，導(dǎo)致光伏組件實(shí)際接收到的太陽(yáng)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(shí)，涂覆了減反射薄膜的光伏玻璃除了能夠增加玻璃的透過(guò)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(yù)防光伏組件熱斑效應(yīng)。

光伏組件在戶外使用面臨嚴(yán)苛的使用環(huán)境，因此需要減反射薄膜的性質(zhì)在復(fù)雜環(huán)境下保持穩(wěn)定；同時(shí)，考慮到光伏組件成本問(wèn)題，需要進(jìn)一步驗(yàn)證在不同場(chǎng)景下減反射薄膜是否具有經(jīng)濟(jì)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(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和戶外驗(yàn)證，對(duì)光伏組件減反射薄膜在山地光伏電站中應(yīng)用的實(shí)際效益進(jìn)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(dāng)光線從兩種非同類介質(zhì)穿過(guò)時(shí)，部分光線會(huì)在二者的界面發(fā)生反射。在界面處于平整的狀態(tài)下，當(dāng)光線垂直射入且介質(zhì)對(duì)光線無(wú)吸收時(shí)，反射率R應(yīng)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(jìn)入的介質(zhì)的折射率。

通過(guò)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(yīng)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(yīng)必須滿足以下兩個(gè)條件：

式中：λ為光線在真空中的波長(zhǎng)。

光線在減反射薄膜的上、下表面產(chǎn)生相消干涉效應(yīng)，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(huì)進(jìn)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(jì)算得到減反射薄膜的理想折射率應(yīng)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(jì)算得到這些材料要達(dá)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(dá)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(duì)接近1.23，因此，采用這幾類材料制備減反射薄膜時(shí)需要引入的孔隙較少，相對(duì)于其他材料更容易實(shí)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(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，且材料來(lái)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(shí)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(shí)際應(yīng)用分析

為檢驗(yàn)涂覆減反射薄膜的光伏組件在山地光伏電站中的實(shí)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(shí)驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行驗(yàn)證。由于該光伏電站已經(jīng)投入使用多年，本實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(duì)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(shí)驗(yàn)室測(cè)試

在該山地光伏電站的某光伏方陣中隨機(jī)抽取4 塊光伏組件，對(duì)其電性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，然后涂覆減反射薄膜后，再次對(duì)光伏組件的電性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。本次實(shí)驗(yàn)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(guò)率為91.5%；鍍膜后，光伏組件玻璃表面的透過(guò)率為93.8%。在實(shí)驗(yàn)室中，分別對(duì)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(jìn)行測(cè)試，得到的電性能參數(shù)測(cè)試結(jié)果如表2 所示。

表2 實(shí)驗(yàn)室測(cè)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(duì)表2 的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)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(duì)鍍制減反射薄膜后光伏組件的電性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)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(cè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)鍍膜后的光伏組件進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)試，包括：耐濕熱測(cè)試、耐濕凍測(cè)試、高溫蒸煮測(cè)試，以及耐摩擦測(cè)試，并對(duì)測(cè)試后光伏組件的輸出功率衰減率進(jìn)行分析，以驗(yàn)證減反射薄膜的穩(wěn)定性。詳細(xì)測(cè)試方法與測(cè)試結(jié)果如表3 所示。

3.2 戶外驗(yàn)證

在云南省永仁縣某山地光伏電站對(duì)光伏組件鍍制減反射薄膜后的發(fā)電量提升情況進(jìn)行驗(yàn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)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(duì)照組)。

采集這3 條集電線路相同時(shí)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(jìn)行對(duì)比分析，然后計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(yàn)證光伏組件減反射薄膜在山地光伏電站中應(yīng)用對(duì)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(jìn)行發(fā)電量提升的對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)選擇該電站中3 個(gè)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(duì)照組)。采集這3 個(gè)光伏方陣相同時(shí)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(duì)比后計(jì)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(shuō)明的是，表中的測(cè)試結(jié)果是根據(jù)有效數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)原則，剔除少量壞點(diǎn)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(duì)比分析小結(jié)

實(shí)驗(yàn)室測(cè)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(yàn)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(yàn)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(shí)驗(yàn)室測(cè)試和地面集中式光伏電站的運(yùn)行過(guò)程中，太陽(yáng)光基本處于直射狀態(tài)，而在山地光伏電站的運(yùn)行過(guò)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(dǎo)致接收的太陽(yáng)直射量較少。因此對(duì)于山地光伏電站而言，光伏組件減反射薄膜的應(yīng)用更有助于提升其發(fā)電量。

4 結(jié)論

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試與不同場(chǎng)景的戶外驗(yàn)證，對(duì)光伏組件減反射薄膜在光伏電站中應(yīng)用帶來(lái)的實(shí)際發(fā)電量提升情況進(jìn)行了分析研究，得到以下結(jié)論：光伏組件減反射薄膜對(duì)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(shí)驗(yàn)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(shuō)明光伏組件減反射薄膜的應(yīng)用對(duì)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。