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太阳能晶硅组件功率损耗分析及材料改善

摘要 对于太阳能企业来说,降低功率损耗是降低运营成本、提高单位面积组件功率转换效率、提升客户满意度的重要筹码。本文主要研究太阳能晶硅组件的功率损耗因子及材料改善,从汇流条、互联条等连接材料和玻璃、EVA等封装材料进行分析。

一、引言:

晶体硅太阳电池经封装后,通常组件的功率会小于所有电池片的标称功率之和。这个差值,就称为组件封装功率损失,计算方法为:封装损失=(理论功率-实际功率)/理论功率。如何降低功率损失,是优化组件制造工艺的重要内容。导致组件封装损失的因素有电学损失、光学损失等,具体如下:

(1)串联电阻损耗:汇流条或互联条电阻、焊接不良电阻(虚焊)、焊带与电极之间的接触电阻、浆料等损耗;

(2)光学损耗:焊带遮光、玻璃和EVA等封装材料引起的光反射和吸收损失;

(3)组件内电流混档损耗:电池片电流档不一致引起的电流失配损耗等;

(4)热损耗:组件工作时温度升高引起的输出功率下降;

(5)电池片和组件测试标准差异;

二、连接材料的功率损耗分析及改善:

通常太阳能电池串通过汇流条及互联条(一般为镀锡铜带)串联连接,电池片产生的电流经连接材料,部分电能将转换为热能损耗。根据公式P=I?R可知,降低电池片输出电流Ipm(提高电池片工作电压Vpm),或降低连接材料电阻将可减少这方面的热损耗。

(1)连接材料–汇流条

汇流条功率损耗的改善可通过增加材料截面积、降低整体电阻来实现。我们选取了同一汇流条厂家9种不同宽度和厚度的汇流条进行比较分析,如表一所示。每种规格汇流条截取1米测量电阻(用同惠TH2512B低电阻测试仪测量)。从表一可以看出,当汇流条宽度不变、厚度增加,如规格5mm*0.22mm和规格5mm*0.35mm,其电阻分别为18.55 mΩ/m和11.30 mΩ/m,电阻减少约38%。当汇流条厚度不变、宽度增加,如规格5mm*0.3mm和规格7mm*0.3mm,其电阻分别为13.79 mΩ/m和9.85 mΩ/m,电阻减少约29%。因此,增加厚度或宽度可明显降低电阻。

电阻减少,可降低功率损耗。从理论上分析,若汇流条规格从5mm*0.22mm调整为8mm*0.35mm,如表一,线电阻减少11.16 mΩ/m。根据P=I?R折算,功率可提升约1.04W(如表一,电流取8.18A,组件内折合汇流条长度取1.394m)。实验方面,用这两种规格汇流条同时生产200块组件,相同电池效率档、相同测试机台(单因子对比),其中选用8mm*0.35mm规格汇流条的组件功率比选用5mm*0.22mm规格汇流条的组件功率平均高约1W。

表一 不同规格汇流条电阻和功率差异情况

(2)连接材料-互联条

互联条作为组件内电路连接的一部分,降低互联条电阻也可降低热损耗。我们对同一互联条厂家两种规格(0.23(厚度)mm *1.5(宽度)mm和0.2 mm *1.6mm)互联条的线电阻进行对比,如表二,0.23*1.5mm规格比0.20*1.6mm规格电阻低约8%,同时0.23 mm *1.5mm互联条相对较窄,可以减少焊带遮光面积提升电池片转换效率。实验方面,用这两种规格互联条同时生产各1000块光伏组件,并用相同3A级功率测试机台(单因子对比)测试对比,采用0.23 mm *1.5mm规格互联条的组件平均功率高约1.5W。由于互联条截面积变化有可能造成如碎片率等其它成本值变化,因此在导入时需综合考虑各方面因素。

表二 不同规格互联条电阻差异情况

三、封装材料的功率损耗分析及改善:

引起光损失的封装材料有玻璃、EVA、背板等。

(1)玻璃

光照射到光伏组件上时,由于一部分光被玻璃反射而不能全部被电池片吸收,导致光损失。在玻璃表面镀制低折射率薄膜(通常为SiO2),可减少光反射、提高透光率,从而提升电池效率。

使用北京奥博泰GST3测试仪,对玻璃镀膜前后透光率进行测量。根据图一可看出,玻璃在镀膜前透光率约为91%,在玻璃表面增加减反增透膜后透光可提升约2%-4%。试生产1000块组件,除玻璃外其它材料一致(单因子对比),运用相同测试机台测试,可发现增加增透膜后CTM(投入产出比)提升1.5%以上。

图一 玻璃蒸镀增透膜前后透光率对比

其次,为了更好地提高光透过率,也可以在玻璃正反面镀制两层或多层薄膜。

(2)EVA

由于紫外光长期照射容易造成背板或EVA老化、龟裂、变黄,因此EVA厂家一般会在EVA中添加抗紫外剂。我们对某EVA膜添加抗紫外剂前后光谱透光率进行比较分析,如图2,可知在添加抗紫外剂后400nm以下的短波段光谱被截止掉了,而截止掉的紫外光会影响电池片封装转换效率。因此,在电池片受光面使用未加抗紫外添加剂的EVA,电池片非受光面使用添加抗紫外剂的EVA,这样既防止背板黄变又提高了电池受光。经过试验,用电池正面加添加剂的EVA与不加添加剂EVA各生产10块组件,组件其他材料均一致(单因子对比),使用全光谱测试仪测试发现不加添加剂EVA CTM高 1%以上。

图2添加抗紫外剂前后EVA透光率比较

(3)背板

背板的光反射率也是组件转换效率的重要影响因素。根据实验,如黑色背板及透明背板明显比白色背板效率低(一般会低1%-2%)。因此,背板反射率也是评估导入的一项重要指标。

四、小结

从上文分析可知,改善组件功率损耗可以通过改变材料截面积(如增加材料宽度、厚度)、在玻璃表面蒸镀减反膜、使用未添加抗紫外剂的EVA等方面进行。但材料的优化往往会伴随成本上升,因此是否导入通常会根据整体效益确定。

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