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单晶组件SM55共有36片电池,区域1内电池片数量是26片,区域2内是10片,若隐裂或碎片在每片电池内出现的概率一致,则区域1和区域2内出现隐裂或碎片组件数量比应接近于26∶10但由表1可知,区域1和区域2内隐裂组件数量比为26∶12,碎片组件数量比为14∶7,都小于26∶10,这说明隐裂或碎片的位置容易发生在区域2内,也就是说组件中间部位的电池片在受到外力因素或环境温度影响下更容易出现隐裂或碎片.
进一步分析组件隐裂和碎片的情况,发现隐裂造成的失效面积不超过每片电池面积的1/8,碎片造成的失效面积不超过1/4,并且组件中隐裂和碎片的电池数量不超过2片,图3给出了几种造成失效面积较大的隐裂和碎片.
2.2 组件功率测试
对这批组件STC条件下的电性能进行测试,采用的是瑞士Pasan光伏组件功率测试仪 (3A+级太阳能模拟器) .由于缺少组件功率的实测原始数据,本文以组件铭牌参数作为参考.由于功率测试过程中标准组件的选取以及测试仪器本身的精度和测试环境的影响,相对于铭牌参数会给功率测试的结果带来一定的系统误差和人为误差,因此本文通过多次测量取平均值的方法来保证测试结果的准确性.
2018年测试结果显示:组件功率Pm平均衰减为26.7%,最大衰减为35.9%,最小衰减为19.6%,组件电性能参数的平均值与标称值对比如表2.
由表2知,单晶组件SM55的电流Isc和Im、最大功率点电压Vm和填充因子FF衰减严重,而开路电压Voc基本保持不变.由于组件已户外运行20年,可以计算出各个电性能参数的年平均衰减率,Pm、Im、Vm、Isc、Voc和FF年平均衰减率分别为1.54%、0.68%、0.87%、0.58%、0.02%和0.89%.
2.3 功率衰减与电流及填充因子衰减
为进一步分析Pm衰减与Isc及FF衰减之间的关系,采用简单的线性拟合函数来分别拟合Isc衰减和FF衰减对Pm衰减的影响,获得的相关系数R2作为判断关系优劣的判据,如图4所示.
从图4可以看出,Pm衰减与FF衰减呈显著正相关,相关系数为0.63,说明Pm的减少主要是由于FF的减少造成,最可能的原因是串联电阻的增加[6].从图2也可以看到,组件EL成像有很多“亮斑”,并且都分布在焊带上,很可能是焊带脱层以及Ag电极腐蚀导致这些点的串联电阻增大,所以在EL测试中大电流通过时,串联电阻增大的点会瞬间过热而呈现“亮斑”.
2.4 隐裂及碎片对功率衰减的影响
针对隐裂和碎片是否对组件功率造成衰减,下文分析了有隐裂或碎片的组件、无隐裂和碎片的组件以及所有组件的功率衰减情况,如表3所示.
从表3可以看出,这三种组件功率衰减程度基本一致,表明:在功率测试过程中,隐裂和碎片并不是单晶组件SM55功率衰减的主要原因,可能是因为隐裂和碎片造成的失效面积还不足以引起组件功率的衰减.但从组件长期运行来看,电池片中的隐裂会在户外环境的影响下,不断循环热胀冷缩后,变成碎片,最终导致组件热斑,直接影响组件的输出性能,降低光伏电站的系统效率.
3 组件功率衰减原因分析
文献[6, 7]从组件封装的角度,来阐述引发组件光学损失和电学损失的因素以及如何优化工艺来降低这两种损失,其中光学损失种类很多,包括界面的反射、封装材料的吸收、栅线及焊带的遮挡和非电池片区域;电学损失包括电池片本身电阻、焊带电阻以及接线盒电阻所引起的功率损耗.对于户外长期运行的组件,文献[8]指出组件的光学损失主要来源于EVA封装材料的变色和玻璃表面污染,最终表现为组件电流Isc和Im的减少;电学损失主要来源于电池本身或电池连接部分内阻变化.由于组件功率测试结果中电学损失表现比较复杂,所以下面将对电学损失与光伏电池功率之间的关系进行阐述.
3.1 模型参数对光伏输出特性影响分析
光照条件下,光伏电池的输出可近似为二极管特性[9, 10],图5为光伏电池的单二极管输出模型.
由单二极管模型可知,光伏电池的输出电流表达式:
其中:Ip为光生电流,ID为二极管正向电流,ID0为二极管反向饱和电流,q为电子电荷,A为二极管常数因子,K为玻尔兹曼常数,T为电池结温,Rs为串联电阻,Rsh为并联电阻.
短路条件下,V=0, I=Isc,低电压下二极管未导通,所以ID近似为0,则有
二极管常数因子A是个常数,一般取值范围是[1, 1.5],所以图6只给出了模型参数Rs和Rsh对I-V曲线的影响.
串联电阻Rs对I-V曲线在最大功率点附近处的形状影响较大 (图7a) ,且光伏电池的效率随着串联电阻Rs的增大呈近似指数衰减,正常情况下,串联电阻较小,只影响填充因子FF,对开路电压和短路电流则无影响[11];并联电阻Rsh则是光伏电池的漏电程度和导电离子玷污而引入的线性电阻,影响I-V曲线在短路电流处的斜率 (图7b) ,并联电阻越大,曲线在短路点附近越平行于电压轴,正常情况下,并联电阻较大,只影响填充因子FF,对开路电压和短路电流则没有影响[12].
3.2 单晶组件SM55功率衰减原因
单晶组件SM55功率衰减严重,电流Isc和Im、最大功率点电压Vm和填充因子FF衰减严重,而开路电压Voc基本保持不变,这说明组件的功率衰减主要来源于电学损失,主要由组件的串联电阻Rs增加导致,同时电流的衰减也有一部分是来源于光学损失,因为测试过程中发现组件玻璃表面有一层擦洗不掉的污渍.由于单晶组件SM55的前18年是在深圳沿海地区 (距离海洋不到500 m) 户外运行,在信阳地区户外运行才2年 (截止到2018年) ,所以这批组件主要是受沿海地区盐雾侵蚀严重,导致串联电阻增加的.
4 结论
SM55组件的外观缺陷暂时不影响其安全使用;组件中间部位的电池片在受到外力因素或环境温度影响下更容易出现隐裂或碎片,但是隐裂和碎片暂时未对SM55组件功率造成影响.SM55组件的功率衰减主要来源于电学损失,也有一小部分来源于光学损失;由于SM55组件长期运行于深圳沿海地区,所以受沿海地区盐雾侵蚀严重,导致串联电阻增加.
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