双面光伏组件失配原因及解决方案

王凤皋

摘  要：光伏组件将光能转换成电能，是光伏发电系统的核心部件，发电性能直接影响到系统发电量。但客观存在的组件失配，降低了系统发电输出，影响了项目整体收益。“组件失配”一般伴随项目的全周期，其原因是多方面、多层次的。文章从研究光伏组件失配产生的原因出发，深入剖析了“内部电性能”与“外部环境”两方面的影响，给出降低组件失配的方案。

关键词：双面组件;失配;电性能;外部环境

中图分类号：TM914        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）19-0139-02

Abstract： Photovoltaic modules convert solar energy into electrical energy， which is the core component of photovoltaic power generation system， and the power generation performance directly affects the power generation of the system. However， the objective mismatch of components reduces the power generation output of the system and affects the overall income of the project. "Component mismatch" is generally accompanied by the full cycle of the project， and the reasons are multifaceted and multi-level. Based on the study of the causes of photovoltaic module mismatch， this paper deeply analyzes the influence of "internal electrical performance" and "external environment"， and gives a scheme to reduce the module mismatch.

Keywords： double-sided components; mismatch; electrical performance; external environment

在光伏系统中，一个阵列、同一时间不同组件发电性能（电流、电压、输出功率）的不一致，就是组件的失配。组件的失配，短期内会影响系统发电量。业内研究证明，一般的组件失配，会降低3%-6%的系统效率;长期的失配会加剧组件热斑现象，造成封装脱层、玻璃破裂，降低使用寿命，甚至造成系统丧失发电性能、火灾等严重事件。

与传统单面组件相比，双面电池组件增加了“背面”发电，项目系统发电量更高，越发受到用户青睐，其市场占有率逐年提高。随着技术的发展，双面组件背面效率得到了极大的提升，组件整体发电量提升的同时，背面因素造成的组件失配也逐渐引起行业重视。双面组件正反两面既有共用“线路”、“封装”材料的一致性，又有温度、采光条件等客观条件的相互影响，失配现象也更为复杂。

1 失配原因分析

双面组件的失配[1]有两方面原因，一是组件自身内部电性能存在的差异，包括发电单元（电池）的性能、串并联线路损失、封装材料影响等;二是组件安装环境的区别，包括阴影遮挡、气候、安装高度、地面反射等。研究其失配现象，既要参照安装的初始状态，又要关注产品生命周期内的动态变化。

1.1 内部性能失配

内部性能失配损失的根本原因是发电单元的“性能差异性”。可以具体到一个组串、一块组件、一片电池甚至电池的某一个微型区域。具体分析如下：

1.1.1 材料和工艺造成的性能差异

双面电池的生产和组件的封装，均要经过复杂的工艺过程。从原材料到电池的生产成型，其材料均匀度、制造工艺不可避免的造成电池电性能的差异。双面组件的生产是结合多种材料组合、经历多环节产业链的一个过程。多材料、多环节的差异性累加，不可避免的造成最终产品的性能差异。

1.1.2 背面差异性

双面电池的正面沿袭了传统单面电池的工艺，性能差异性逐渐缩小，离散率趋于集中。而背面技术处于起步阶段，成熟度远不及正面，性能离散率相对发散，目前解决背面差异，改进技术需要一个过程。

1.2 外部环境失配

光照条件、气候等外在环境，对组件施加外在因素的影响，造成因外部环境产生的组件失配。

1.2.1 光照条件

光照条件是影响组件发电最直接的外部因素。受传统设计观念的影响，双面组件在设计时，着重考虑了组件正面光线的接收程度，而背面采光的研究利用，往往被忽视。包括支架、设备等障碍物的直接阴影遮挡，还包括地面反射、组件安装高度、组件对地表覆盖度的间接光线反射程度。由此造成组件电池背面采光程度不一致，發电性能不一致，由此造成光电转换能力失配。

1.2.2 气候的累积影响

温度、湿度、酸碱度、风力等气候条件会对组件施加持续性的外在影响，这种间接影响往往是不均衡的、持久的。比如温度差异影响组串线路电阻率线损，湿度会破坏封装材料的稳定性，酸碱度会增加玻璃的腐蚀，风力对组件支架施加外力等等，这种不均衡、持续的累积造成组件电性能积累失配。

明显的环境效能失配有可能是初始环境差距太大造成的，也有可能是初始微小失配经历长时间积累后的外在表现。一般来说，随着时间的积累，效能失配会一直存在且持续加剧。

2 措施方案

双面组件失配的原因主要是组件内在的性能差异和外在的环境影响差异。提高产品性能一致性和减少环境差异性，是解决组件失配最有效的途径。

2.1 提高产品性能一致性

2.1.1 加强质量控制

提高产品整体性能稳定性，将追求成品“一致性”作为总质量目标，加强质量控制管理，解决组件内在的性能差异。

加强电池材料及加工工艺。电池是组件发电的核心，材料和加工制造的质量控制至关重要。选用纯度、致密性、均匀度、一致度更高的硅料，减少硅锭（棒）材料体积、平面差异，为一致性做好材料基础;电池制成的环节，需经历双面制绒、扩散、激光参杂、退火、PERC、正面镀膜、背面钝化、背面激光开槽、丝网印刷、烧结等复杂工艺，加强这些工艺环节的质量管控，为避免各种参杂技术及工艺流程造成电池的差异性，采用标准化、高精度、程序化的技术和生产工艺，更能确保电池的性能一致性。

组件设计优化环节[2]，可以从降低失配概率和减小衰减速度两方面考虑。

与正面相比较，背面性能离散率存在的差距，是造成整体电池性能差异的重要原因。随着技术的进步，单片电池尺寸不断做大，由于材料及工艺造成的电气差异性更趋于明显。可通过如下方式进行解决：

首先，在保证组件产品工艺质量的前提下，将大片进行切片，一方面可以降低大尺寸电池易隐裂的概率;另外一方面，因切片后电池数量会成倍的增加，组件可以有更多的组串，每一组串的电流会成比例的减少，降低了线路 “热斑”形成的概率，累积失配衰减率更小。

其次，由于主栅是电池发电电流汇集、运输的通道，随着电池生产工艺的成熟，可以考虑增加电池主栅的数量，多主栅可以加快带电离子的速度，降低线损，减少热量损失，降低失配概率和失配衰减速度。

最后，组件的封装设计，需考虑各组串间的配置、路径保持均衡一致，由此来减小线路损失的差异;组串的优化设计是很有必要的，防反二极管、旁路二极管的优化设计，可以保证组件整体的性能稳定性，大幅降低失配的概率。

2.1.2 双面双分档质量控制方法[3]

针对双面组件的特点，建议将“双面双分档”纳入整个系统的质量控制体系，进行精细化管理，阶段性缩小参数差异。具体实施原则为：以“电流、电压、功率”作为衡量参数，电池正反面分别建立归档标准，设立分档控制点，进行阶段性控制管理，不同分档间不允许混淆使用。分档控制点可以考虑在生产的某个重要节点，特别是具有里程碑意义的关键点。参照双面组件的工艺特点，建议将电池生产成型、电池封装前的切片和组件成品三个节点作为重要控制点。

2.2 减少环境差异

减少双面组件光照环境的差异，需要对正反面光照条件进行分别研究，由于背面环境的复杂性，其难点是组件背面环境。

首先，与传统单面组件比较，双面组件的支架应尽可能安装在组件的边缘，以减少地面反射的遮挡;支架檩条与组件还应保持适当的距离，有利于组件的热量散失，减少时间失配加剧积累。

其次，综合分析安装高度、地面反射率、组件间距[4]等环境因素的影响程度，进行针对性的优化设计，环境差异性较小的外部环境进行整体性设计，以减小数据筛选和分析的复杂性;对于差异性较大的外部环境，需结合已分档组件、逆变器参数的客观条件，进行分区域针对设计。实际操作过程中，将组件分档与环境分档相结合，不允许不同分档的组件和不同分档的外部环境混淆搭配，加强产品与外部环境的双重管控，降低环境影响到的失配。

再次，电气设计方面，优化逆变器单元适当的超配比，结合逆变器的参数性能，最大化发挥逆变器性能，减小因超配比的失配;特别注意施工过程逆变器的接线，要求接入逆变器的同一MPPT单元，保证组串相互间组件电压、电流等电气性能的一致性，禁止不同组件数量、不同档位、不同环境的组串接入同一单元。这些方面总的原则是区域组件和环境匹配度要更高，以降低组件的失配。

最后，项目周期内，组件的失配是一个连续动态的过程，失配的积累是不可忽视且客观存在的问题。这就要求对组件进行阶段性的性能检测和数据分析。组件要及时进行热斑、EL检测，加强组件清洗频率，发现问题时要及时修正，必要时及时更换组件。发现外在环境变化时，运维方案要及时调整，尽可能减少其失配的加剧因素。

3 结束语

解决组件的失配，一方面要加强质量管理，坚持包括“双面双分档”在内的科学质量管理体系，提升产品性能参数一致性;另一方面对现场环境进行针对性、区域性的规划设计，减少外部环境差异对组件的影响。减少组件“内因”与外部环境“外因”的差异性，产品与环境更趋友好，最终达到系统的安全、稳定、高效、持久的运行。

参考文献：

[1]張俊鹏，王静，何银涛.双面组件介绍及其应用前景分析[J].太阳能，2018（7）：16-18，72.

[2]许崇伟.分布式光伏发电集成系统设计及优化建议[J].工程建筑与设计，2018（24）：183-184.

[3]马少华，吕欣，崇锋，等.双玻双面组件发电量测试分析[J].太阳能，2016（12）：67-68.

[4]谢磊，武浩，万宏，等.平单轴跟踪光伏发电系统容量配比研究[J].太阳能，2017（12）：30-36.