组件封装功率衰减的研究

组件封装功率衰减的研究摘要： 本文研究了导致光伏组件封装功率衰减的原因，分别从光学和电学两个方面进行了分析，找出了组件封装功率衰减的原因，并提出降低组件封装功率衰减的优化措施。关键词：光伏 组件 功率 封装引言受到煤炭、石油、天然气等化石能源资源的有限性和开发利用带来的环境问题的影响，严重制约着世界经济和社会的可持续发展。太阳能是资源最丰富的可再生能源，具有独特的优势和巨大的开发利用潜力。充分利用太阳能有利于保持人与自然的和谐相处及能源与环境的协调发展。太阳能是一种非常清洁的能源，它的获得方式不会产生废料、废气、噪声、烟尘，也不会对水、空气和地面产生任何污染。光伏系统通过光伏组件将来自太阳的光能转换成电能，从而为人类提供取之不尽、用之不竭的能源。光伏组件可以分为晶体硅光伏组件和薄膜光伏组件，而目前晶体硅光伏组件在光伏行业占有绝大部分的份额。晶体硅光伏组件的封装流程如图 1 所示：图 1 晶体硅光伏组件封装流程从图可以看出， 光伏组件是由晶体硅电池片串联后， 安装玻璃 -EVA-电池片 -EVA-背膜的顺序进行封装，并用铝合金框加固组件，在电池片串联引出线上安装上接线盒，最终组成能够将光能转化为电能的晶体硅光伏组件。光伏组件之所以能够发电，正是依靠组件中一片片的晶体硅电池片，其依靠半导体 PN结对光生伏打效应，将光能转化为电能。目前 156mm× 156mm的多晶硅电池片的平均转化效率为 16.6%左右， 即一片电池片的最大输出功率为 4.04Wp。 将 60 片156 多晶电池片封装成光伏组件，安装常理计算，光伏组件的最大输出功率应该是4.04× 60=242.4Wp，然而事实上却达不到这个数值，因为将电池片封装成组件后，功率产生了衰减。那么是什么原因导致组件封装功率衰减呢？本文对此从光学和电学两个方面进行了一系列的研究。1 组件封装功率衰减分析在组件封装过程中，有许多因素会影响到组件功率的投入产出比，以目前的封装技术为基础，用 4.04Wp的电池片封装成组件，组件的最大输出功率只能达到232.7Wp，即功率投入产出比为 96%左右。经过分析，造成组件功率投入产出偏差的原因可能包括以下几点：1） 用于串联电池片和汇集电流的涂锡铜带自身的电阻导致的功率衰减；2） 用于引出组件正负电极的接线盒导线和旁路二极管导致的功率衰减；3） 玻璃、 EVA的透光性能和背膜的反光性能不佳导致的功率衰减；4） 电池片的陷光技术与玻璃、 EVA 不匹配导致的功率衰减；5） 电池片与电池片电流不匹配，串联后导致的功率衰减。将以上原因归类，可以将 1） 2） 5）归为电学匹配问题，将 3） 4）归为光学匹配问题。针对以上原因，本文进行了相应的对比试验，并一一作了分析。2 光学匹配首先我们从光学匹配方面进行研究。2.1 材料透光性能和反光性能对比在电池片受光面上面，还有一层 EVA和一层玻璃，由于电池片发电原理是光生伏打效应，电池片吸收的光越多，发的电也就越多。因此 EVA和玻璃的透光性能直接影响到组件封装的功率衰减。而组件背面的背膜反射光的多少同样影响到组件封装的功率衰减。为了证实这一观点，本文对玻璃材料进行了对比试验。试验方法：使用同样电池片、 EVA、背膜、涂锡铜带等原材料，只改变玻璃，使用普通光伏用超白钢化玻璃和光伏用镀膜增透性钢化玻璃分别封装组件，对比组件的功率输出情况。镀膜玻璃与普通玻璃的差异为：在普通玻璃的受光面通过涂布的工艺增加了一层增透膜，可以有效增加玻璃的透光性能。试验结果：Voc Isc Pm Vmp Imp镀膜玻璃avg 36.1096 8.886622 238.9757 30.45213 7.847681max 36.2886 8.942648 240.3255 30.66562 7.907298min 35.99104 8.852781 237.8689 30.17662 7.804663普通玻璃avg 36.00241 8.684804 232.5107 30.31422 7.670057max 36.16844 8.722088 234.1807 30.55049 7.697627min 35.91391 8.651789 231.0437 30.01782 7.625287结果分析：使用同样档位的电池片，其他材料也一样，唯一的差别是玻璃。从结果可以看出使用镀膜玻璃的组件最大输出功率 Pm比使用普通玻璃的高 6.4Wp， 达到 2.8%的增益。由此可见，使用透光率更高的镀膜玻璃，可以有效降低组件的封装功率衰减，提供投入产出比。而从数据看，功率的提高主要是依靠电流的提高，这也间接证明了是增透膜的功劳，因为增透膜使电池片能吸收更多的光，从而产生更大的电流。同样， 背膜的反射率也会明显影响到组件的投入产出比。 在光伏组件发展初期，有一种黑背膜在市场中占有一席之地，但是随着行业的不断发展，白背膜组件成为了绝对主流，而黑背膜组件则逐渐退出了主流市场，其原因就在于黑背膜的反射率远低于白背膜，严重影响组件的投入产出比。由于市场采购的原因，本文并没有做实验对比两者之间的详细差异。但是根据以往两种组件的生产经验，黑背膜的投入产出比在 94%左右，而白背膜的则在 96%。2.2 电池片光学匹配对比在电池片的生产工艺中，有两道工序是为了提升电池片的陷光性能，使电池片能更多的吸收光，从而更多的发电。这两道工序分别为制绒和 PECVD镀膜。以多晶电池为例，通过制绒，电池片表面会产生无数个微小的蠕虫状凹坑，这些凹坑可以使射入电池片的阳光经过反射后二次射入电池片。通过 PECVD镀膜，电池片表面能够产生一层深蓝色的增透膜，同样增加阳光的吸收。经过制绒和镀膜的处理，电池片的性能可以得到很大的提高。然而不同厂家，制绒和镀膜的工艺不同，其与玻璃的光学匹配也不同，同样档位的电池片，做出的组件的投入产出比会有明显区别。针对此现象，本文进行了相应的试验。试验方法：使用同样玻璃、 EVA、背膜、涂锡铜带等原材料，只改变电池片，使用同一档位的 A供应商电池片和 B供应商电池片分别封装组件，对比组件的功率输出情况。试验结果：电池片 对应组件电性能数据 投入产出比厂家 效率档 Voc(V) Isc(A) Pmax(W) Vpm(V) Ipm(A)A 16.60% 36.61389 8.535158 230.2063 29.37205 7.837597 94.56%B 16.60% 36.48376 8.856421 234.6716 29.94433 7.836966 95.53%结果分析：两家供应商的电池片，与玻璃、 EVA 的光学匹配不同，导致投入产出比不同。从数据可以看出，B 厂家电池做的组件电流远高于 A 厂家的，说明 B 厂家的光学匹配更好，吸收的太阳光更多，使得电流更大。3 电学匹配3.1 不同涂锡铜带的对比将电池片视为电池，涂锡铜带则是导线，其电阻的大小直接影响组件的投入产出比。试验方法：准备两家供应商的涂锡铜带，测试其电阻率，之后分别做出组件（其他材料一样），对比组件的投入产出比。试验结果：涂锡铜带 制成组件供应商 电阻率Ω .mm2/m Voc(V) Isc(A) Pmax(W) Vpm(V) Ipm(A)A 0.0252 44.846 5.5167 190.074 37.865 5.02B 0.0226 45.088 5.504 190.852 38.094 5.0104结果分析：供应商 A的涂锡铜带的电阻率大于 B的，其制成的组件最大输出功率相应的小于 B的输出功率。由此可见，涂锡铜带的电阻也是影响组件封装功率衰减的一个因素。3.2 接线盒的影响一块完整的组件， 必须有带有两根导线的接线盒， 用于引出光伏组件的正负极。一般导线长度为 1M左右， 导线的电阻是否和涂锡铜带一样， 也会影响组件的投入产出比呢？测量一个接线盒的导线电阻，将正负极对接，长 2M的导线电阻在 10mΩ左右，一块 156 多晶组件的工作电流在 7.8A 左右，则接线盒导线导致的功率衰减为：P=I2R=7.8× 7.8× 0.01=0.6084W由此可见，一块组件安装好接线盒后，无可避免的会有 0.6W左右的衰减。3.3 电池片电流匹配对比以 156 多晶电池片为例，目前常规的有两根主栅线的和三根主栅线的电池片，如图 2、 3。图 2 两根主栅线 156 多晶电池片图 3 三根主栅线 156 多晶电池片不同结构的电池片制成组件的投入产出比也是不一样的。试验方法：其他材料一样，使用同一效率档的两根主栅线的和三根主栅线的电池片分别制成组件，对比组件的投入产出比。试验结果：厂家 标称效 率进货检验电性能数据 对应组件电性能数据 标称偏 差Isc Impp Voc(V) Isc(A) Pmax(W) Vpm(V) Ipm(A)三栅 16.40% 8.084 7.541 36.54474 8.044209 233.5515 31.79055 7.346571 97.53%两栅 16.40% 8.392 8.015 36.55752 8.405977 229.5194 30.35554 7.561101 95.85%结果分析：从结果可以看出，三栅与两栅的电池片差别在于三栅电池的电流较小，而正因为此，三栅电池制成组件的投入产出比更高。由于涂锡铜带和接线盒是一样的，即组件串联电阻相差不大，而根据功率 P=I2R，R 一样，I 越小，衰减功率 P则越小。4 结论影响组件封装功率衰减的原因主要包括光学匹配和电学匹配两方面，有一些封装功率损失是无可避免的，比如涂锡铜带、接线盒导线自带电阻导致的衰减。而有些封装功率损失可以通过对原材料优化从而得到有效降低。目前最为显著的方法就是使用镀膜玻璃和三栅电池片。另一方面，我们还应该将组件封装工艺和电池片制作工艺相结合，优化电池片陷光工艺，使电池片与玻璃、 EVA 等材料的光学匹配有所提高，从而降低组件封装功率衰减。