相海濤，高 兵，趙 潔，劉正新*

(1.蘇州中來民生能源有限公司，上海 201103；2.中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 201800)

0 引言

目前，光伏技術(shù)已經(jīng)從最初的理念研究邁入了蓬勃發(fā)展的產(chǎn)業(yè)化階段，光伏產(chǎn)業(yè)已成為我國可參與國際競爭并取得領(lǐng)先優(yōu)勢的產(chǎn)業(yè)之一，并且金融市場對光伏電站的投資熱度也在日益增加[1-3]。然而，作為光伏電站的重要組成部分，光伏組件在戶外的發(fā)電性能往往不如室內(nèi)標(biāo)定的結(jié)果，這主要是受到組件本身材料的老化、組件工作溫度、太陽輻射強(qiáng)度、組件表面反射率，以及項目所在地的氣候條件變化等因素的影響[4-6]。為了能盡快發(fā)現(xiàn)光伏組件性能的衰減情況，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率，有必要通過戶外測試系統(tǒng)對光伏組件進(jìn)行長期監(jiān)測。國外在光伏組件戶外測試系統(tǒng)方面的研究開展得較早，也較為深入[7-10]。隨著光伏組件的戶外發(fā)電性能評價和可靠性評估受到電站投資者的強(qiáng)烈關(guān)注，我國作為光伏產(chǎn)業(yè)大國，對于光伏組件的戶外測試系統(tǒng)的研究也勢在必行。

荷蘭國家能源中心 (ECN)開發(fā)了硼前發(fā)射極n 型雙面晶硅太陽電池的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，采用硼磷共擴(kuò)散工序制備了雙面晶硅太陽電池。近年來，高效電池的研究層出不窮，并且基本上都利用了雙面制備工藝[11-15]。全球生產(chǎn)n 型雙面晶硅太陽電池的企業(yè)主要有日本的日立、韓國的LG 及中國的英利集團(tuán)；近年來，蘇州中來光伏新材股份有限公司(下文簡稱“中來股份”)、上海航天汽車機(jī)電股份有限公司、天合光能股份有限公司等眾多光伏企業(yè)都相繼展開了n 型雙面晶硅太陽電池的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化。日本學(xué)者曾對HIT 太陽電池的雙面發(fā)電能力進(jìn)行過系統(tǒng)的研究，但目前光伏市場上主推的n 型雙面晶硅光伏組件，尚缺乏不同場景下n 型雙面單晶硅光伏組件的戶外實證發(fā)電性能和衰減研究，以及其較單面單晶硅光伏組件發(fā)電量增益的數(shù)據(jù)證明。

本文針對p型PERC單面單晶硅光伏組件(下文簡稱“單面組件”)和n 型雙面單晶硅光伏組件(下文簡稱“雙面組件”)，利用中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所新能源技術(shù)中心(下文簡稱“新能源技術(shù)中心”)搭建的光伏組件的戶外實證測試系統(tǒng)，測試了從2016 年12 月15日～2018 年7 月20 日期間，放置于上海市嘉定區(qū)某屋頂上的單面組件和雙面組件的等效發(fā)電時長，以及不同地面背景時雙面組件較單面組件的發(fā)電量增益情況；計算了光伏發(fā)電系統(tǒng)的PR值；分析了陰天和晴天時影響光伏組件最大輸出功率的因素；并對單面組件和雙面組件運行13 個月后的衰減情況進(jìn)行了對比。

1 測試條件

1.1 單面和雙面組件的信息

本次研究所用的組件主要是由中來股份生產(chǎn)的雙面組件(透明背板)和單面組件。測試組件共3 組，其中，雙面組件2 組，單面組件1組；每組為3 塊組件，將3 塊組件串聯(lián)成1 個組串，形成3 個組串用于測試。2 種組件均安裝在上海市嘉定區(qū)某屋頂(121.27°E，31.38°N)上，安裝時的最下沿離地高度均為30 cm、傾角均為28°、朝向均為朝南。利用新能源技術(shù)中心搭建的光伏組件戶外實證測試系統(tǒng)對2 種組件進(jìn)行發(fā)電量測試。

1.2 新能源技術(shù)中心搭建的光伏組件戶外實證測試系統(tǒng)介紹

本光伏組件戶外實證測試系統(tǒng)是根據(jù)IEC 61215[16]等標(biāo)準(zhǔn)建立的，主要用于測試光伏組件長期在戶外的工作情況，可以通過不同環(huán)境下組件相應(yīng)的電學(xué)參數(shù)來判斷組件真實的發(fā)電能力與衰減狀況。該測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖和實物圖如圖1所示。

本測試系統(tǒng)可用于光伏陣列的測試，共有24 個通道，每個通道容許的電壓范圍為100 ～400 V；通道內(nèi)的組件采用串聯(lián)的方式連接成組串，每個組串連接1 個轉(zhuǎn)換接線盒；每6 個轉(zhuǎn)換接線盒連接1 個集線器，用于收集直流端電流；每個集線器連接1 臺組串式逆變器，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，共有4 臺逆變器；I-V數(shù)據(jù)采集器用于收集直流端數(shù)據(jù)，除此之外，其一端還連接氣象站(包括傾斜輻照計、水平輻照計、風(fēng)速監(jiān)控儀、溫濕度監(jiān)控儀、雨量監(jiān)測儀、氣壓計)。

本測試系統(tǒng)的技術(shù)特點為：光伏陣列可通過陣列選擇器在組串式逆變器與I-V數(shù)據(jù)采集器間切換測試，既能模擬真實的并網(wǎng)環(huán)境，又能準(zhǔn)確測試組件的實際發(fā)電性能；組串式逆變器的使用可以解決不同陣列共同并網(wǎng)的問題，并提高組件在切換過程中恢復(fù)到正常工作狀態(tài)時的時間；I-V數(shù)據(jù)采集器為阻性，可測試大功率光伏陣列，1 臺I-V數(shù)據(jù)采集器可拓展測試48 個通道的I-V數(shù)據(jù)。

圖1 光伏組件戶外實證測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖與實物圖Fig. 1 The structure and photo of PV module outdoor measurement system

2 測試過程

2.1 組件安裝方式

2016 年12 月15 日～2018 年7 月20 日的測試周期可分為3 個測試階段。其中，第1 個測試階段為2016 年12 月15 日～2017 年4 月11 日，第2 個測試階段為2017 年4 月13 日～2017 年8月8 日，第3 個測試階段為2017 年8 月10 日～2018 年7 月20 日。在每個測試階段內(nèi)，通道U01C03、U01C04 和U01C05 中的組件類型分別為雙面組件、單面組件和雙面組件，但地面背景、組件安裝方式和支架類型有所不同。

3 個測試階段內(nèi)的地面背景、組件安裝方式及支架類型的具體情況如表1 和圖2 所示。

表1 3 個測試階段的地面背景、組件安裝方式及支架類型情況Table 1 Ground backgrounds，PV module installation methods and bracket types in the three test stages

圖2 每個測試階段的現(xiàn)場情況Fig. 2 Situation of each test stages

2.2 組串等效發(fā)電時長和發(fā)電量增益的計算

組件的等效發(fā)電時長可以反映其發(fā)電量情況。等效發(fā)電時長的計算式為：

式中，∫Pmax為光伏組串1 天的總發(fā)電量，Pnominal為對應(yīng)組串的額定功率。

由于不同地面背景的地面反射率不同，雙面組件的發(fā)電量也會不同。本次測試中涉及到的地面背景主要為水泥背景和白板背景，其中，水泥背景的反射率為2%，白板背景的反射率為53%。

下文對3 個測試階段中，通道U01C03、U01C04和U01C05內(nèi)組串的平均等效發(fā)電時長，以及雙面組件較單面組件的發(fā)電量增益情況進(jìn)行分析。

由于通道U01C03 和U01C05 均采用雙面組件，通道U01C04 采用單面組件，因此雙面組件較單面組件的發(fā)電量增益情況可分別通過通道內(nèi)組串的等效發(fā)電時長來計算，即：

2.2.1 第1 個測試階段

2016 年12 月15 日～2017 年4 月11 日期間，3 個通道內(nèi)組串的等效發(fā)電時長情況如圖3 所示。圖3 中，通 道U01C04、U01C03 和U01C05 的平均等效發(fā)電時長分別為3.07、3.18 和3.47 h。由此可知，在支架均為2 根C 型鋼上下安裝時，水泥背景和白板背景下雙面組件的發(fā)電量均高于水泥背景下單面組件的；而且由于白板背景的反射率大于水泥背景，雙面組件接收到的反射光更強(qiáng)，因此白板背景下雙面組件的平均等效發(fā)電時長較水泥背景下雙面組件的高。

圖3 第1 個測試階段中，3 個通道內(nèi)組串的等效發(fā)電時長Fig. 3 In the first test stage, the equivalent power generation time of the PV modules string of the three channels

圖4 為第1 個測試階段中，雙面組件較單面組件的發(fā)電量增益情況。由圖可知，通道U01C03中雙面組件較通道U01C04 中單面組件的發(fā)電量增益為1.35%～10.43%，增益的平均值為5.26%；通道U01C05 中雙面組件較通道U01C04 中單面組件的發(fā)電量增益為12.13%～21.55%，增益的平均值為15.33%。通道U01C05 中的雙面組件發(fā)電量增益大于通道U01C03中的雙面組件。由此可見，在支架均為2 根C 型鋼上下安裝時，雙面組件在白板背景時的發(fā)電量增益比在水泥背景時大。

圖4 第1 個測試階段時，雙面組件較單面組件的發(fā)電量增益Fig. 4 In the first test stage, the power generation gain of the bifacial PV module is higher than that of the single-sided PV module

2.2.2 第2 個測試階段

2017 年4 月13 日～2017 年8 月8 日期間，3 個通道內(nèi)組串的等效發(fā)電時長情況如圖5 所示。從圖5 可以看出，通道U01C04、U01C03 和U01C05 的平均等效發(fā)電時長分別為4.30、4.47 和4.80 h。由此可看出，在支架均為2 根C 型鋼中間安裝時，水泥背景下和白板背景下雙面組件的發(fā)電量均高于水泥背景下單面組件的，白板背景下雙面組件的發(fā)電量較水泥背景下雙面組件的高。

圖6 為第2 個測試階段中，雙面組件較單面組件的發(fā)電量增益情況。由圖可知，通道U01C03中雙面組件較通道U01C04 中單面組件的發(fā)電量增益為1.76%～6.68%，增益的平均值為4.44%；通道U01C05 中雙面組件較通道U01C04 中單面組件的發(fā)電量增益為9.29%～14.88%，增益的平均值為12.65%。通道U01C03 中的雙面組件的發(fā)電量增益小于通道U01C05 中雙面組件的。由此可見，在支架均為2 根C 型鋼中間安裝時，雙面組件在白板背景下的發(fā)電量增益比在水泥背景下的大，這與第1 個測試階段的結(jié)果類似。但是由于2 個測試階段中支架類型不同，對2 個測試階段中不同組件的發(fā)電量進(jìn)行對比后可以發(fā)現(xiàn)，無論是水泥背景還是白板背景，第2 個測試階段中雙面組件較單面組件的發(fā)電量增益均比第1 個測試階段中的發(fā)電量增益小。這可能是由于2 根C 型鋼中間安裝時較上下安裝時對雙面組件背面產(chǎn)生的遮擋影響大，背面發(fā)電量降低的程度大，從而導(dǎo)致支架采用2 根C 型鋼中間安裝時的雙面組件較單面組件的發(fā)電量增益比支架采用2 根C型鋼上下安裝時的有所下降。由此可知，支架采用2 根C 型鋼上下安裝時更利于發(fā)揮雙面組件雙面發(fā)電的優(yōu)勢。

2.2.3 第3 個測試階段

2017 年8 月10 日～2018 年7 月20 日期間，3 個通道內(nèi)組串的等效發(fā)電時長情況如圖7 所示。圖7 中通道U01C04、U01C05 和U01C03 的平均等效發(fā)電時長分別為3.33、3.72 和3.81 h。由此可知，雙面組件的發(fā)電量明顯高于單面組件；而且由于雙玻支架對組件背面無遮擋，所以通道U01C03 中雙面組件的發(fā)電量較通道U01C05中支架采用2 根C 型鋼上下安裝的雙面組件的發(fā)電量高。

圖5 第2 個測試階段中，3 個通道內(nèi)組串的等效發(fā)電時長Fig. 5 In the second test stage, the equivalent power generation time of the PV modules string of the three channels

圖6 第2 個測試階段時，雙面組件較單面組件的發(fā)電量增益Fig. 6 In the second test stage, the power generation gain of the bifacial PV module is higher than that of the single-sided PV module

圖7 第3 個測試階段中，3 個通道內(nèi)組串的等效發(fā)電時長Fig. 7 In the third test stage, the equivalent power generation time of the PV modules string of the three channels

圖8 為第3 個測試階段中，雙面組件較單面組件的發(fā)電量增益情況。由圖可知，通道U01C03 中雙面組件較通道U01C04 中單面組件的發(fā)電量增益為2.97%～29.19%，增益的平均值為16.02%；通道U01C05 中雙面組件較通道U01C04中單面組件的發(fā)電量增益為8.54%～16.67%，增益的平均值為11.88%。由此可見，雙面組件采用雙玻支架時的發(fā)電量增益比采用兩根C 型鋼上下安裝的支架時的大。這主要是因為雙玻支架對雙面組件背面不形成遮擋，從而使雙面組件可以獲得更高的發(fā)電量。由此可知，雙玻支架更利于發(fā)揮雙面組件雙面發(fā)電的優(yōu)勢。

圖8 第3 個測試階段中，雙面組件較單面組件的發(fā)電量增益Fig. 8 In the third test stage, the power generation gain of the bifacial PV module is higher than that of the single-sided PV module

2.3 PR 值的計算

光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率(PR)可以直接體現(xiàn)出系統(tǒng)的性能。PR的計算式為：

式中，∫G 為某地點或位置1 天的總太陽輻照量，Gnominal為標(biāo)準(zhǔn)太陽輻射強(qiáng)度，取1000 W/m2；Pm為組件的輸出功率。

在2017 年8 月10 日～2018 年7 月20 日期間，通道U01C03 改用雙玻支架后，通道U01C03、U01C04 和U01C05 中組串的PR值如圖9 所示。由于目前國際和國內(nèi)暫無計算雙面組件PR值的標(biāo)準(zhǔn)，因此在計算雙面組件PR值時，額定功率只代入組件正面的額定功率，但輸出功率代入的卻是雙面的，所以雙面組件的PR值會出現(xiàn)大于1 的情況。通道U01C03、U01C04 和U01C05內(nèi)組串的平均PR值分別為1.06、0.93 和1.04，與前文該階段中組串等效發(fā)電時長、發(fā)電量增益的計算結(jié)果的趨勢一致，從而佐證了雙玻支架的優(yōu)勢。

圖9 第3 個測試階段中，3 個通道內(nèi)組串的PR 值Fig. 9 In the thinrd test stage，the performance ratio of thePV modules string of the three channels

2.4 不同天氣狀況時單面組件最大輸出功率與背板溫度、太陽輻照度和環(huán)境溫度的關(guān)系曲線

以2016 年2 月22 日這一天作為陰天的代表。圖10 為陰天時組件最大輸出功率與背板溫度、太陽輻照度和環(huán)境溫度的關(guān)系曲線。由圖10a 可知，背板溫度的變化范圍在5～12 ℃，組件在中午前后最大輸出功率相對較高，背板溫度隨時間的推移逐漸下降，與組件最大輸出功率之間并無規(guī)律性的關(guān)系。這可能是由于陰天時太陽輻照度較小，背板溫度上升不明顯，5～12 ℃的變化范圍不至于造成p-n結(jié)升溫對組件發(fā)電特性的影響，所以觀測不到發(fā)電量隨背板溫度的變化規(guī)律。由圖10b 可知，陰天時太陽輻照度很弱，在正午左右太陽輻照度相對較高，對應(yīng)的組件最大輸出功率值最大，最大輸出功率值的變化情況與太陽輻照度的變化情況相似。由圖10c 可知，陰天時環(huán)境溫度的變化范圍在5～13 ℃，組件在中午前后的最大輸出功率值最大，環(huán)境溫度隨時間的推移逐漸下降，與組件最大輸出功率之間并無規(guī)律性的關(guān)系。這可能是由于陰天時太陽輻照度較低，環(huán)境溫度上升不明顯，所以觀測不到最大輸出功率隨環(huán)境溫度的變化情況。

圖10 陰天時組件最大輸出功率與背板溫度、太陽輻照度和環(huán)境溫度的關(guān)系曲線Fig. 10 The influence curve of the tempareture of the backsheet,solar irradiance and the tempareture of the environment to maximum power of the PV module under the cloudy weather

圖11 晴天時組件最大輸出功率與背板溫度、太陽輻照度和環(huán)境溫度的關(guān)系曲線Fig. 11 The influence curve of the tempareture of the backsheet,solar irradiance and the tempareture of the environment to maximum power of the PV module under the clear weather

選取2017 年3 月6 日這一天作為晴天的代表。圖11 為晴天時組件最大輸出功率與背板溫度、太陽輻照度和環(huán)境溫度的關(guān)系曲線。如圖11a 所示，晴天時，背板溫度的變化范圍在5～50 ℃，由于太陽輻照量的增加會使組件最大輸出功率和背板溫度同時提高，所以組件最大輸出功率與背板溫度的變化均隨時間的變化而變化。如圖11b 所示，晴天時正午左右的太陽輻照度最高，對應(yīng)的組件最大輸出功率最大，最大輸出功率的變化情況和太陽輻照度的變化情況相似。由圖11c 可知，晴天時環(huán)境溫度的變化范圍在7～25 ℃，正午左右的太陽輻照度最高，對應(yīng)的組件最大輸出功率最大，組件最大輸出功率的變化情況和環(huán)境溫度的變化情況相似。

2.5 單面組件和雙面組件的衰減對比

本次測試中的光伏組件最早安裝于2016 年12 月15 日，分別選取通道U01C03、U01C04 和U01C05 中未曝曬前的組件各1 塊，在STC 條件下(即太陽光譜為AM1.5、太陽輻射強(qiáng)度為1000 W/m2、室內(nèi)溫度為25℃時)，利用WACOM 長脈沖模擬器，測試3 塊組件的初始性能。測試過程為：采用PVM-module 作為標(biāo)準(zhǔn)電池，利用AM1.5 的光譜、WACOM 模擬器的光譜、PVMmodule 的光譜響應(yīng)和多晶硅mini-module 的光譜響應(yīng)(近似代替中來股份的單晶硅組件的光譜響應(yīng))計算出標(biāo)準(zhǔn)電池與多晶硅mini-module 的失配因子，為0.99852；進(jìn)而計算出電流校準(zhǔn)值，利用該值校準(zhǔn)模擬光強(qiáng)，并進(jìn)行測試。測試時根據(jù)IEC 60904-1-2 的規(guī)定，用黑布擋住雙面組件背面，只測試組件正面。

所有組件于2018 年1 月11 日在室內(nèi)重新進(jìn)行了標(biāo)定，兩次室內(nèi)標(biāo)定方式不變，標(biāo)定結(jié)果的變化值如表2 所示。

表2 3 塊組件的電學(xué)參數(shù)衰減對比Table 2 The degradation comparison of three PV modules

從表2 可以看出，通道U01C03 (雙面組件)、U01C04 (單面組件)和U01C05 (雙面組件)的功率衰減率分別為0.75%，0.86%和0.29%，這與文獻(xiàn)報道的光伏組件首年衰減2.5%，以后每年衰減0.7%的結(jié)論相差較遠(yuǎn)，說明本批次組件的質(zhì)量較為優(yōu)異。此外，從表中還可以看出，雙面組件的功率衰減率低于單面組件，這是因為摻硼單晶硅 (p 型硅)在光照條件下生成硼氧復(fù)合體，引起少子壽命下降，最終導(dǎo)致太陽電池的功率下降，而n 型單晶硅少子壽命長，組件的衰減較慢造成的。

3 結(jié)論

本文利用新能源技術(shù)中心搭建的光伏組件戶外實證測試系統(tǒng)，在2016 年12 月15 日～2018年7 月20 日期間，對放置于上海市嘉定區(qū)某屋頂上的單面組件和雙面組件進(jìn)行了測試，得到以下結(jié)論：

1) 2016 年12 月15 日～2017 年4 月11 日期間，通道U01C04、U01C03 和U01C05 中組串的平均等效發(fā)電時長分別為3.07、3.18 和3.47 h。該測試階段中，在支架均采用2 根C 型鋼上下安裝時，水泥背景下雙面組件較水泥背景下單面組件的發(fā)電量增益為1.35%～10.43%，增益的平均值是5.26%；白板背景下雙面組件較水泥背景下單面組件的發(fā)電量增益為12.13%～21.55%，增益的平均值為15.33%。

2) 2017 年4 月13 日到2017 年8 月8 日期間，通道U01C04、U01C03 和U01C05 中組串的平均等效發(fā)電時長分別為4.30、4.47 和4.80 h。該測試階段中，在支架均采用2 根C 型鋼中間安裝時，地面背景均為水泥背景時，雙面組件較單面組件的發(fā)電量增益為1.76%～6.68%，增益的平均值為4.44%；白板背景時雙面組件較水泥背景時單面組件的發(fā)電量增益為9.29%～14.88%，增益的平均值為12.65%。

3) 2017年8月10日到2018年7月20日期間，通道U01C04、U01C05 和U01C03 中組串的平均等效發(fā)電時長分別為3.33、3.72 和3.81 h。該測試階段下，采用雙玻支架的雙面組件較支架采用2 根C 型鋼中間安裝的單面組件的發(fā)電量增益為2.97%～29.19%，增益的平均值為16.02%；采用2 根C 型鋼上下安裝支架的雙面組件較采用2 根C 型鋼中間安裝的支架的單面組件的發(fā)電量增益為8.54%～16.67%，增益的平均值為11.88%。雙面組件采用雙玻支架時發(fā)電量增益更大。

4) 2017 年8 月10 日～2018 年7 月20 日期間，通道U01C03、U01C04 和U01C05 中組串的平均PR值分別為1.06、0.93 和1.04。

5) 陰天時，組件最大輸出功率的變化與背板溫度的變化之間無規(guī)律性關(guān)系，與太陽輻照度的變化情況相似，而與環(huán)境溫度的變化之間也無規(guī)律性的關(guān)系。

6) 晴天時，組件最大輸出功率與背板溫度均隨時間的變化而變化，且變化規(guī)律相似；組件最大輸出功率的變化與太陽輻照度和環(huán)境溫度的變化情況相似。

7)運行13 個月后，U01C03(雙面組件)、U01C04 (單面組件)和U01C05 (雙面組件)中的組件功率衰減分別為0.75%、0.86%和0.29%。

致謝：測試所用n 型組件由蘇州中來民生能源有限公司提供，該項目的測試工作得到公司的大力支持和幫助，在此表示感謝。