【2017PVCEC】涨知识！光伏组件光学损失降低的量化分析方法

2017年10月17日-19日，2017中国光伏大会暨展览会(PVCEC2017)在北京隆重召开。在18日下午的创新剧场【光伏产品质量及可靠性】论坛上英利组件技术主管郑炯出席并做主题报告。郑炯报告的内容主要有三点，焊带修饰技术实际效果可以通过建模方式进行量化评估的，第二点光学追迹通量可以实现功率变化的组件分析，这个相当于结合模拟器的调节辐照度，最后利用模拟器的调节可以实现组件光学损失。

以下为发言实录：

郑炯：各位下午好，我是来自英利的郑炯，今天我所讲的题目是组件光学损失降低的量化分析方法，当时拿到这个邀请的时候，因为是创新剧场，所以准备题目的时候，我们想从一个很小的切入点来解释一些问题，然后通过一些模拟分析，解决我们现在产线中或者研究中组件的问题和方法，所以说从整个PPT的角度来说，应用基本上是一些现有的测试手段，结合一些3D的模拟，包括辅助的光学照明行业所应用的分析手段，结合起来，从而量化的分析组件光学损失降低的数据。我的报告主要分四部分，第一部分组件的光学损失，简要介绍一下光学损失产生的各个方面，第二三部分主要讲分析模型的建立和光线追迹，最后是一个小节。

组件的光学损失，就是光学组件所说的封装损失，有两部分，一部分电学损失，一部分光学损失，我这部分主要从光学损失的点来切入，光学损失主要分三部分，焊带的遮光，因为电器通过主栅，所以焊带的遮光在目前来说除了新的电池技术目前是无可避免的，还有玻璃和EVA，在2010年的时候对于组件光学的优化上大家做的比较多，像一些镀膜玻璃，高透EVA的技术，在2011年的时候大家工作已经做的比较充分了，近些年也在不断的优化，但是很难有质的提升。第三部分光学失配，严格来说应该不属于组件的技术，主要说太阳光谱和电池吸收光谱，这部分主要还是在于电池的吸收光谱，增加它产生载流子的能力。

焊带的遮光，不管是四主栅还是五主栅，占总面积3%左右吧，这一部分光是非常可喜的，焊带一般来说是近似于一个平面，虽然说实际的形状是一个轻微的弧型，但是太阳光照到电池片，照到焊带上，通过EVA又重新返回，从光学角度上来说基本没有被利用，所以引入一个问题，如何降低焊带的光学损失，我总结主要有四个手段，第一减少焊带的宽度，在组件这个技术上一直在应用，从最初二主栅、三主栅、四主栅，到现在五栅，甚至到现在的12主栅，这三个如果计算光学损失可以计算出来，焊带宽度的减小，还有多主栅技术分两部分，其实是一个光学损失降低和电学损失降低综合的效果。最后一部分说焊带修饰技术，所谓的焊带修饰技术叫法不一样，大家有的叫反光焊带，还有在焊带表面加入一些高反，或者一些散射的涂层，我都总结为焊带修饰技术。这部分主要涉及到了，大家有的说聚光焊带，核心原理还是用的光学上比较通用的原理，在光线通过玻璃、EVA照射到焊带表面，焊带表面的反射光线，再通过EVA到达玻璃和空气的界面，在这个界面上发生全反射，只有发生全反射的光才能折回组件内部，对功率产生增益，单纯从公式的计算或者说简单的计算很难反应的，因为它有的时候不是一次的反射，可能是两次或者三次，每一次反射光是减少的。如果严格来说，每一次的反射能量的减少至少在30%左右，后续的模拟图上也会显示出来。

左边是常规焊带的模型，右边像反光焊带、压花焊带基本模型的东西。这种技术一旦应用于组件，就会出现一个问题，也是现在组件厂已经应用了这种技术，我们经常在一些会议中，有一些光伏的厂，有些厂已经在用包括英利已经采用这种技术，这种技术现在面临一个问题，相当于组件技术和焊带厂家有一个技术之间的脱节，两年前能做成熟批量示意推广焊带整个市面不超过5家，今年应该会多一些，将近10家有储备的技术，能够批量生产，也会在五六家左右的水平上，就是能适合批量推广的。但是又面临了一个问题，大家做的五花八门，有四个突起的，有五个突起，还有六个，当然还有更多或者更少，但是哪种结构更有利于光学损失的降低呢?从这一点来说，因为这种技术目前掌握在少数的几个焊带厂，对这些光伏厂的交流还是比较欠缺，出于一种保密的状态，所以各研究各的，中间其实是有一些脱节的。在这种情况下，组件厂如何区分这些焊带，现在的实际情况我们了解的，每一批焊带或者说应用技术的焊带，应用到实际生产中，其实很难从进厂检验的这道，从进厂的时候，还没有应用到批量生产的时候能区分出哪种是更利于我，所以现在面临的问题是一旦应用这种技术，组件常规的监测手段，封装损失一直是在波动的，而且这个波动的比例会随着不同焊带厂家的介入，会逐渐的加大，所以我们现在必须研究一种很好的手段，去避免，在焊带应用于组件之前，就把风险降低和屏蔽。

下一部分主要讲分析模型的建立，我们还是要建立在真实的焊带表面基础上，从设计之初的时候，每家焊带或者说这种技术，无论是反光膜或者是圆形焊带，像圆形焊带实际焊出来表面还不是同心圆，真正完成焊接的时候，由于焊锡化锡回流角度会发生很大变化，实际模拟中角度一旦发生变化，在组件上影响一瓦到两瓦都很正常，所以损失的收益还是比较可观的，在截面之中我们一般不采用厂家的图，一般采用实际分析出的图。因为焊带主体是加锡，如果像裁切，或者常规的切割手段很难获取真实的，所以大家是用一种双组件的胶，透明的胶把它封装在里面，经过打磨、研磨，这个就是焊带真实的截面，有这个图我们才获得。下一步通过一些3D软件，相当于把它焊带表面的真实形貌完整描述出来，还是同样通过3D软件、拉伸手段得到反光焊带或者是其他球形焊带都可以用这种原理分析，得出它的表面完整真实形貌。最后一幅图集成了上面的玻璃，因为这个原理最终应用的是玻璃和空气的全反射，所以把玻璃加进来。

在模型建立以后，如何去分析这个模型，从这个里面我是应用了一个在照明系统常用的永远的分析手段，照明系统一般用软件，这个也是常规的软件，这是一个光线追迹，我们应用他们的设计思路加入到分析里边。从左边这个图可以看到，玻璃和焊带中间有一个红色的小方框，这是我插入的光源，因为从真实的现在已有的软件之中，很难说能做到直接从玻璃的正上方的，设计起来理论计算比较多。当然这个光插入设置有很多的，比方可以设置混合光源，也可以设置单波长600纳米或者800纳米，都可以随意设置的。右边这幅图虽然设计的模型，就要对各个模型做一个参数的设定，比方说焊带表面的反射，如果采用的是涂层的方法，设入的参数值是慢反射，有漫反射的值，从右边列表图可以反射出来，如果采用类似镜面的反射，反射率是多少，也可以从这里边去设置，包括这个界面，电池一般设置为吸收面，通过折射以后到达电池吸收的光通量来分析。

这一部分是介绍最主要的内容，从模型建立之后就开始分析，光线是怎么打到焊带的表面，然后通过全反射，又怎么回到电池片的时候，从上边最左上角这个图可以看到，有的光线是红色的，红色代表是一次反射的，绿色是二次反射，这个模型如果大家硬件条件具备，可以设置上万条或者几十万条的光线，如果焊带设置有稍微瑕疵，有可能出现三次反射，一般会用蓝色表示，每一次反射的能量损失多少，我们也可以设置，比如通过实际测量，单次反射能量的减损是30%或者20%，同样可以通过软件设置出来，这样在左下角的图中就可可以模拟出光通亮，模拟光包括光的照射面积只能打到焊带，模拟的的焊带增益的光通亮。如何量化分析组件光学损失，处理数据来说，我们现在有两种方式，一种比较简单但是比较繁琐，有一种更量化一些，但是这个需要在应用前一两个月，收集数据的时候会相当的麻烦一些，或者更细心一些。数据处理，我们可以建立一个表格，通过光通亮的表现，到这一步，我可以判断拿到这一款的焊带或者反光膜，或者球性焊带，到底是优是劣，但是我们无法分析，这个对应关系需要大量的试验去验证，结构我可以不用管，不管是两个凹起或者三个凹起四个凹起，不管怎样结构变化，只要确定光通亮，对应的组件功率提升，就是很对应的广大，当然一旦形成这个表，到时候我们拿到一种焊带，通过光线追迹的方式，就可以在没有投入批量生产之前得出这种结论，这种相对比较繁琐，变化起来比较小，换一种方式，就要重新建立一种模型，重新做一次试验，所以说我们现在还有另一种分析方式。下边介绍第二种分析方式，可以将光通亮的值，得出对常规组件做一个测试，模拟出预测值，应用到组件之中，对功率的提升到底是多少，这个就涉及到一个公式的计算，如何调整太阳模拟辐照度，其实模拟器参数设置一般从200到1200，每平米都可以设置的，在1000到正负100平米，可以不用采用滤光片，可以实现这个功能的。

所以说我们设定的方式就是调整太阳能模拟器，设置的时候，基本上会设置在一千零多少，设置多少就靠计算，通过前面所得出的光通亮，再通过玻璃EVA所叠加起来的透光量，这个计算相对来说比较简单，等效模拟来说模拟器增加多少瓦，每平米辐照度打到常规焊带的组件上，功率能测出来是多少，如果以这个数据来模拟各种焊带技术或者说焊带表面修饰技术的一些值。因为中间有很多是模拟过程，所以说就跟测试一样，中间有个校正因子，这个校正因子根据不同电池的吸收不一样，校正因子会在一定范围的变化，应该在0.8到1.2期间，这个校正因子做的越准确，说明模型偏差越小，我们预期把它设置到校正因子能到0.9或是1.1左右的时候，这是相对来说比较可信的值，在实际应用中也是比较准确的。

我是以一个焊带模型为例子介绍的，焊带组件的建设，像白色EVA，或者其他一些反射技术，如果能通过直射，能通过只要是采用玻璃和空气界面全反射，我觉得从理论模型能建立起来，包括一些数据收集和对应表建立起来，都可以采用同样的模型和同样原理手段去达到预测值，这种预测值在研究和易生产，在实际中还是比较大的，如果我们有这个值，同样也可以指导材料厂家，让它往那个方向去改进，大家共同努力，从而使组件的功率越来越高，或者说达到可以预测的理论值，从现在来说比方采用球形焊带或者反光焊带，大家都有一个理论值，如果采用这种模型去分析，我们可以很容易的算出来。

最后我总结一下我报告的内容，主要有三点，焊带修饰技术实际效果可以通过建模方式进行量化评估的，第二点光学追迹通量可以实现功率变化的组件分析，这个相当于结合模拟器的调节辐照度，最后利用模拟器的调节可以实现组件光学损失。谢谢大家。