探析雙玻組件在光伏電站中的應用情況

0 引言

目前我國擁有全球最大的光伏市場，國內光伏組件技術路線的革新受到了全球范圍相關產業及媒體的廣泛關注。伴隨國內光伏市場每年裝機量的不停增長，對于建設光伏電站采用的各類光伏組件的技術要求也越來越嚴苛，大型光伏制造商們不斷通過開發低成本、高品質的光伏組件來淘汰技術落后的光伏企業。

在目前國內許多已并網發電的光伏電站中，大量光伏組件出現了PID現象、蝸牛紋等質量問題。這些問題產生的根源是由于光伏組件的有機材料本身容易發生老化這一特性，導致水汽進入光伏組件內部，破壞了組件的穩定性，從而最終造成光伏組件發電量的大幅下降。

對光伏組件銷售端數據進行分析可以發現，雙玻組件的優勢越來越被凸顯。由于雙玻組件本身封裝材料及設計結構的特性，使其具備良好的耐候性能、更長的使用壽命及優異的抗PID特性，在光伏電站應用中避免了許多由于組件封裝材料中有機材料老化引發的質量問題。這些優點使雙玻組件成為被推廣用于光伏電站，尤其是分布式光伏電站的對象之一。

1 雙玻組件較常規單玻組件的優勢

1.1 耐候性

相較于常規單玻組件，雙玻組件具有許多明顯的優勢。在光伏組件耐候性上，常規單玻組件采用的高分子結構背板在太陽強烈的UV照射下容易產生黃變，導致背板材料穩定性下降甚至脆化。若光伏電站建在沿海地區或鹽湖等地域，酸、堿、鹽霧等會破壞背板，使EVA和太陽電池片暴露在水汽及酸堿環境下，破壞組件穩定性，導致組件發電量大幅衰減。但雙玻組件的背面材料卻為超白低鐵鋼化玻璃，無論是UV、水汽或酸、堿、鹽霧等，都無法腐蝕或破壞到雙玻組件內部，大幅降低了光伏組件蝸牛紋、黑線產生的概率。

1.2 散熱性

光伏組件的發電量會受溫度影響，光伏組件溫度越高，發電量越低。在常規單玻組件和雙玻組件散熱性方面，玻璃比背板的導熱系數更高，玻璃的導熱系數為1.04 W/(m?K)，而背板的導熱系數為0.14 W/(m?K)。常規單玻組件的鋼化玻璃厚度通常為3.2 mm以上，背板厚度為0.3 mm，而雙玻組件正面及背面鋼化玻璃厚度均為2.5 mm。如此換算，常規單玻組件鋼化玻璃的熱阻為 0.0031 m2?K/W，背板的熱阻為0.0021 m2?K/W，而雙玻組件鋼化玻璃的熱阻為0.0024 m2?K/W，如圖1所示，兩者的總熱阻相差無幾。

圖1 常規單玻組件和雙玻組件熱阻分析

但是雙玻組件不存在邊框的設計，其溫度較常規單玻組件通常會低2 ℃左右，而發電量會高出1%左右。這是由于常規單玻組件鋁合金邊框的內部不利于空氣對流，而雙玻組件取消邊框后，背面空氣對流明顯加強，使組件的溫度略微下降。尤其當光伏組件和廠房屋頂的安裝距離很近時，空氣對流效果更不明顯，此時雙玻組件較低的工作溫度且可產生較高發電量的優勢會體現的更加明顯。

1.3 PID解決方案

光伏電站并網發電后，若逆變器未做負極接地，會導致光伏組件邊框與內部帶電體產生負偏壓，尤其在濕度較高的環境中，會形成漏電流通道，鋼化玻璃內的鈉離子遷移會形成組件內太陽電池片大面積衰減，這一現象叫做電位誘發衰減，也就是PID現象。

常規單玻組件的PID現象解決方案通常是采用可靠的低透水率材料，尤其是改良EVA膠膜的化學成分，使鋼化玻璃中的鈉離子無法進行遷移，以此來降低PID現象的發生。雙玻組件由于自身無邊框的設計，不會產生負偏壓，也無需接地，并且鋼化玻璃自身材質的透水率幾乎為零，所以可以說從根本上杜絕了PID現象的產生。

1.4 受力分析

由于常規單玻組件的鋼化玻璃厚度與背板厚度差距太大，導致其內部太陽電池片偏離中性層。這種情況下，在組件受到外力時，由于組件封裝材質的應力各不相同，會導致太陽電池片彎曲幅度過大，從而產生隱裂，影響光伏組件品質；嚴重時，甚至會產生太陽電池片裂片，直接導致光伏組件出現失效面積，影響組件發電量，如圖2所示。

圖2 常規單玻組件結構示意圖

而雙玻組件由于其正面及背面均采用厚度一致的鋼化玻璃，因此結構對稱，太陽電池片與中性層重疊，如圖3所示。這樣便會大幅降低雙玻組件內部太陽電池片受到的外力影響，也降低了太陽電池片產生隱裂或裂片的風險。

圖3 常規組件和雙玻組件受力分析示意圖

對常規單玻組件和雙玻組件同時進行靜態機械荷載試驗，正面施加壓力5400 Pa，背面施加壓力3600 Pa，相當于約2 m厚的雪產生的壓力；經過12 h試驗時間，然后分別對兩塊組件進行EL測試，結果如圖4所示。從圖4可以明顯看出，雙玻組件的機械荷載能力遠優于常規單玻組件。

圖4 靜態機械荷載試驗后組件的EL測試圖像

1.5 防火性

美國蘋果公司亞利桑那州工廠樓頂的光伏組件起火后引發嚴重火災的新聞被報道后，引起了業內廣泛的關注。光伏系統由于組件熱斑和直流拉弧等故障的原因會產生自燃現象，可能引發火災，因此各家光伏公司對于光伏組件的防火性能也越加看重。

根據UL790的燃燒塊測試和火焰蔓延測試，可將測試結果一共分為3個防火等級，防火能力從高到低分別為Class A、B、C。通常常規單玻組件的背板是高分子聚合物材料，因此容易在起火燃燒后形成燃燒滴落物，從而擴大火災形勢，所以防火測試等級僅為Class C。雙玻組件由于其自身的設計，鋼化玻璃可以達到阻燃的效果，因此雙玻組件可以達到最高防火能力標準的Class A，大幅降低了光伏電站發生火災的風險。

在光伏電站應用中，雙玻組件的優異性能可體現在提高光伏電站發電量、減少運行風險，以及延長光伏電站運行壽命等方面。

2 雙玻組件的發電量分析

2017年1 月，在西安某工廠的廠房房頂搭建了雙玻組件戶外實驗平臺，實驗平臺的組件均來源于同一家光伏組件生產企業同批次產品，以減少后期實驗數據采集的誤差。

實驗平臺為1500 V光伏系統，選用的雙玻組件從設計類型上分為兩種，一種為常規雙玻組件，另一種對常規雙玻組件的下層EVA進行了白化處理，設想可以利用白色的反光效果提高組件發電量。兩種雙玻組件的標稱功率均為265 W，每30塊雙玻組件為一串，接入組串式逆變器。實驗平臺2月1日～7月10日的發電量如圖5所示。

由圖5可以看出，白色EVA雙玻組件月發電量確實略高于常規雙玻組件。

提取5月份的每日發電量及日總輻照量進行詳細研究，如圖6所示。

圖5 兩種雙玻組件發電量情況

圖6 兩種雙玻組件5月發電量情況

由圖6可知，在日總輻照量為15 MJ/m2以內時，常規雙玻組件的發電量與白色EVA雙玻組件的發電量幾乎無差別，甚至略微高于后者；但是隨著日總輻照量上升至15 MJ/m2以上時，白色EVA雙玻組件的發電量開始超越常規雙玻組件。

提取5月8日這一天的數據進行更進一步的分析，如圖7所示。

根據氣象站采集的5月8日當天的數據，當天天氣晴朗，日總輻照量達到27.58 MJ/m2。當瞬時輻射強度達到200 W/m2以上時，白色EVA雙玻組件的發電量開始高于常規雙玻組件，并且瞬時輻射強度越高，其發電量增大的趨勢越明顯。這點印證了對雙玻組件EVA進行白化處理后達到反射太陽光這一效果的設想，瞬時輻射強度越高，白化后的EVA反射太陽光越明顯，從而讓雙玻組件多次吸收太陽光線，達到提升組件發電量的目的。

通過2月1日～7月10日的連續觀察可以發現，采用EVA白化處理后的雙玻組件在日總輻照量大于15 MJ/m2的情況下，日均發電量可以比常規雙玻組件提升約1.5%。

圖7 兩種雙玻組件5月8日發電量情況

3 雙玻組件與常規單玻組件發電能力對比研究

本研究項目的戶外實驗平臺同時安裝了一組265 W的常規單玻組件，組件的生產企業與雙玻組件相同，目的是為了與雙玻組件進行對比分析。兩種組件在2月1日～7月10日的發電量對比如圖8所示。

圖8 雙玻組件和常規單玻組件發電量情況

由圖8可知，雙玻組件的發電量每個月都略高于常規單玻組件。因為都是于2016年12月新裝的組件，所以不存在由于組件封裝材料老化而導致的功率衰減問題；而且無論是雙玻組件還是常規單玻組件，所用的單晶硅太陽電池都源于一條生產線上的工藝，因此也應該不存在電池片衰減率不一致的可能性。將兩種組件的發電量數據結合氣象數據及采集的組件溫度數據進行分析，得出導致組件發電量產生差異的主要原因是由于組件溫度差異產生的影響。

選取幾天典型天氣氣候的發電量數據進行分析，如圖9～圖10所示。

圖9 7月5日雨天3種組件的發電量情況

由圖9可知，雙玻組件和常規單玻組件在陰雨天氣的發電量差異并不明顯，這是由于陰雨天氣日總輻照量低，輻射強度不足，不能充分發揮兩種組件的功能。

圖10 5月23日晴天時3種組件的發電量情況

由圖10可以發現，在天氣晴朗、輻射強度充足的情況下，雙玻組件的發電能力明顯優于常規單玻組件。

在實驗平臺安裝的雙玻組件和常規單玻組件的組串中各隨機挑選1塊，每小時利用紅外熱溫槍對兩塊組件進行溫度測試，每塊組件每次測量5組溫度數據再求平均值，結果如圖11所示。

圖11 2種組件的組件溫度對比情況

由圖11可以發現，隨著環境溫度及輻照量的上升，組件的工作溫度也越來越高，但是10:00之后，常規單玻組件每次測試出的溫度均高于雙玻組件，這是因為雙玻組件的設計結構產生的換熱性能高于常規單玻組件。伴隨組件溫度升高，溫度系數對發電量的影響越來越明顯，據統計，實驗最終的結果是雙玻組件發電量比常規單玻組件約高1.6%。

4 小結

本文對雙玻組件的設計結構和其自身優勢進行了闡述，并通過實驗模擬了雙玻組件在光伏電站運行的情況，通過對兩種設計形式的雙玻組件進行橫向對比分析，評估了雙玻組件底層EVA白化處理后的發電能力情況；同時也進行了雙玻組件與常規單玻組件的縱向對比分析，評估了雙玻組件的發電能力。

近兩年的光伏產業技術可謂日新月異，多種新穎的組件技術路線不斷被提出，各類新型的組件封裝材料也層出不窮。幾年前，雙玻組件由于成本問題一直屬于概念性產品，并未進行量產化。隨著光伏產業的整合，絕大多數技術落后的企業被淘汰出局，各大型光伏制造商的技術成本和材料成本不斷突破性降低，目前雙玻組件在市場銷售份額上也具有一席之地，通過今后技術層面的不斷探索，雙玻組件大量應用于分布式光伏電站及水上光伏電站中指日可待。