单面和双面单晶硅光伏组件的发电性能实证

相海涛，高 兵，赵 洁，刘正新*

(1.苏州中来民生能源有限公司，上海 201103；2.中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海 201800)

0 引言

目前，光伏技术已经从最初的理念研究迈入了蓬勃发展的产业化阶段，光伏产业已成为我国可参与国际竞争并取得领先优势的产业之一，并且金融市场对光伏电站的投资热度也在日益增加[1-3]。然而，作为光伏电站的重要组成部分，光伏组件在户外的发电性能往往不如室内标定的结果，这主要是受到组件本身材料的老化、组件工作温度、太阳辐射强度、组件表面反射率，以及项目所在地的气候条件变化等因素的影响[4-6]。为了能尽快发现光伏组件性能的衰减情况，提高光伏发电系统的发电效率，有必要通过户外测试系统对光伏组件进行长期监测。国外在光伏组件户外测试系统方面的研究开展得较早，也较为深入[7-10]。随着光伏组件的户外发电性能评价和可靠性评估受到电站投资者的强烈关注，我国作为光伏产业大国，对于光伏组件的户外测试系统的研究也势在必行。

荷兰国家能源中心 (ECN)开发了硼前发射极n 型双面晶硅太阳电池的产业化技术，采用硼磷共扩散工序制备了双面晶硅太阳电池。近年来，高效电池的研究层出不穷，并且基本上都利用了双面制备工艺[11-15]。全球生产n 型双面晶硅太阳电池的企业主要有日本的日立、韩国的LG 及中国的英利集团；近年来，苏州中来光伏新材股份有限公司(下文简称“中来股份”)、上海航天汽车机电股份有限公司、天合光能股份有限公司等众多光伏企业都相继展开了n 型双面晶硅太阳电池的研发与产业化。日本学者曾对HIT 太阳电池的双面发电能力进行过系统的研究，但目前光伏市场上主推的n 型双面晶硅光伏组件，尚缺乏不同场景下n 型双面单晶硅光伏组件的户外实证发电性能和衰减研究，以及其较单面单晶硅光伏组件发电量增益的数据证明。

本文针对p型PERC单面单晶硅光伏组件(下文简称“单面组件”)和n 型双面单晶硅光伏组件(下文简称“双面组件”)，利用中国科学院上海微系统与信息技术研究所新能源技术中心(下文简称“新能源技术中心”)搭建的光伏组件的户外实证测试系统，测试了从2016 年12 月15日～2018 年7 月20 日期间，放置于上海市嘉定区某屋顶上的单面组件和双面组件的等效发电时长，以及不同地面背景时双面组件较单面组件的发电量增益情况；计算了光伏发电系统的PR值；分析了阴天和晴天时影响光伏组件最大输出功率的因素；并对单面组件和双面组件运行13 个月后的衰减情况进行了对比。

1 测试条件

1.1 单面和双面组件的信息

本次研究所用的组件主要是由中来股份生产的双面组件(透明背板)和单面组件。测试组件共3 组，其中，双面组件2 组，单面组件1组；每组为3 块组件，将3 块组件串联成1 个组串，形成3 个组串用于测试。2 种组件均安装在上海市嘉定区某屋顶(121.27°E，31.38°N)上，安装时的最下沿离地高度均为30 cm、倾角均为28°、朝向均为朝南。利用新能源技术中心搭建的光伏组件户外实证测试系统对2 种组件进行发电量测试。

1.2 新能源技术中心搭建的光伏组件户外实证测试系统介绍

本光伏组件户外实证测试系统是根据IEC 61215[16]等标准建立的，主要用于测试光伏组件长期在户外的工作情况，可以通过不同环境下组件相应的电学参数来判断组件真实的发电能力与衰减状况。该测试系统的结构图和实物图如图1所示。

本测试系统可用于光伏阵列的测试，共有24 个通道，每个通道容许的电压范围为100 ～400 V；通道内的组件采用串联的方式连接成组串，每个组串连接1 个转换接线盒；每6 个转换接线盒连接1 个集线器，用于收集直流端电流；每个集线器连接1 台组串式逆变器，将直流电转换为交流电，共有4 台逆变器；I-V数据采集器用于收集直流端数据，除此之外，其一端还连接气象站(包括倾斜辐照计、水平辐照计、风速监控仪、温湿度监控仪、雨量监测仪、气压计)。

本测试系统的技术特点为：光伏阵列可通过阵列选择器在组串式逆变器与I-V数据采集器间切换测试，既能模拟真实的并网环境，又能准确测试组件的实际发电性能；组串式逆变器的使用可以解决不同阵列共同并网的问题，并提高组件在切换过程中恢复到正常工作状态时的时间；I-V数据采集器为阻性，可测试大功率光伏阵列，1 台I-V数据采集器可拓展测试48 个通道的I-V数据。

图1 光伏组件户外实证测试系统的结构图与实物图Fig. 1 The structure and photo of PV module outdoor measurement system

2 测试过程

2.1 组件安装方式

2016 年12 月15 日～2018 年7 月20 日的测试周期可分为3 个测试阶段。其中，第1 个测试阶段为2016 年12 月15 日～2017 年4 月11 日，第2 个测试阶段为2017 年4 月13 日～2017 年8月8 日，第3 个测试阶段为2017 年8 月10 日～2018 年7 月20 日。在每个测试阶段内，通道U01C03、U01C04 和U01C05 中的组件类型分别为双面组件、单面组件和双面组件，但地面背景、组件安装方式和支架类型有所不同。

3 个测试阶段内的地面背景、组件安装方式及支架类型的具体情况如表1 和图2 所示。

表1 3 个测试阶段的地面背景、组件安装方式及支架类型情况Table 1 Ground backgrounds，PV module installation methods and bracket types in the three test stages

图2 每个测试阶段的现场情况Fig. 2 Situation of each test stages

2.2 组串等效发电时长和发电量增益的计算

组件的等效发电时长可以反映其发电量情况。等效发电时长的计算式为：

式中，∫Pmax为光伏组串1 天的总发电量，Pnominal为对应组串的额定功率。

由于不同地面背景的地面反射率不同，双面组件的发电量也会不同。本次测试中涉及到的地面背景主要为水泥背景和白板背景，其中，水泥背景的反射率为2%，白板背景的反射率为53%。

下文对3 个测试阶段中，通道U01C03、U01C04和U01C05内组串的平均等效发电时长，以及双面组件较单面组件的发电量增益情况进行分析。

由于通道U01C03 和U01C05 均采用双面组件，通道U01C04 采用单面组件，因此双面组件较单面组件的发电量增益情况可分别通过通道内组串的等效发电时长来计算，即：

2.2.1 第1 个测试阶段

2016 年12 月15 日～2017 年4 月11 日期间，3 个通道内组串的等效发电时长情况如图3 所示。图3 中，通 道U01C04、U01C03 和U01C05 的平均等效发电时长分别为3.07、3.18 和3.47 h。由此可知，在支架均为2 根C 型钢上下安装时，水泥背景和白板背景下双面组件的发电量均高于水泥背景下单面组件的；而且由于白板背景的反射率大于水泥背景，双面组件接收到的反射光更强，因此白板背景下双面组件的平均等效发电时长较水泥背景下双面组件的高。

图3 第1 个测试阶段中，3 个通道内组串的等效发电时长Fig. 3 In the first test stage, the equivalent power generation time of the PV modules string of the three channels

图4 为第1 个测试阶段中，双面组件较单面组件的发电量增益情况。由图可知，通道U01C03中双面组件较通道U01C04 中单面组件的发电量增益为1.35%～10.43%，增益的平均值为5.26%；通道U01C05 中双面组件较通道U01C04 中单面组件的发电量增益为12.13%～21.55%，增益的平均值为15.33%。通道U01C05 中的双面组件发电量增益大于通道U01C03中的双面组件。由此可见，在支架均为2 根C 型钢上下安装时，双面组件在白板背景时的发电量增益比在水泥背景时大。

图4 第1 个测试阶段时，双面组件较单面组件的发电量增益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 个测试阶段

2017 年4 月13 日～2017 年8 月8 日期间，3 个通道内组串的等效发电时长情况如图5 所示。从图5 可以看出，通道U01C04、U01C03 和U01C05 的平均等效发电时长分别为4.30、4.47 和4.80 h。由此可看出，在支架均为2 根C 型钢中间安装时，水泥背景下和白板背景下双面组件的发电量均高于水泥背景下单面组件的，白板背景下双面组件的发电量较水泥背景下双面组件的高。

图6 为第2 个测试阶段中，双面组件较单面组件的发电量增益情况。由图可知，通道U01C03中双面组件较通道U01C04 中单面组件的发电量增益为1.76%～6.68%，增益的平均值为4.44%；通道U01C05 中双面组件较通道U01C04 中单面组件的发电量增益为9.29%～14.88%，增益的平均值为12.65%。通道U01C03 中的双面组件的发电量增益小于通道U01C05 中双面组件的。由此可见，在支架均为2 根C 型钢中间安装时，双面组件在白板背景下的发电量增益比在水泥背景下的大，这与第1 个测试阶段的结果类似。但是由于2 个测试阶段中支架类型不同，对2 个测试阶段中不同组件的发电量进行对比后可以发现，无论是水泥背景还是白板背景，第2 个测试阶段中双面组件较单面组件的发电量增益均比第1 个测试阶段中的发电量增益小。这可能是由于2 根C 型钢中间安装时较上下安装时对双面组件背面产生的遮挡影响大，背面发电量降低的程度大，从而导致支架采用2 根C 型钢中间安装时的双面组件较单面组件的发电量增益比支架采用2 根C型钢上下安装时的有所下降。由此可知，支架采用2 根C 型钢上下安装时更利于发挥双面组件双面发电的优势。

2.2.3 第3 个测试阶段

2017 年8 月10 日～2018 年7 月20 日期间，3 个通道内组串的等效发电时长情况如图7 所示。图7 中通道U01C04、U01C05 和U01C03 的平均等效发电时长分别为3.33、3.72 和3.81 h。由此可知，双面组件的发电量明显高于单面组件；而且由于双玻支架对组件背面无遮挡，所以通道U01C03 中双面组件的发电量较通道U01C05中支架采用2 根C 型钢上下安装的双面组件的发电量高。

图5 第2 个测试阶段中，3 个通道内组串的等效发电时长Fig. 5 In the second test stage, the equivalent power generation time of the PV modules string of the three channels

图6 第2 个测试阶段时，双面组件较单面组件的发电量增益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

图7 第3 个测试阶段中，3 个通道内组串的等效发电时长Fig. 7 In the third test stage, the equivalent power generation time of the PV modules string of the three channels

图8 为第3 个测试阶段中，双面组件较单面组件的发电量增益情况。由图可知，通道U01C03 中双面组件较通道U01C04 中单面组件的发电量增益为2.97%～29.19%，增益的平均值为16.02%；通道U01C05 中双面组件较通道U01C04中单面组件的发电量增益为8.54%～16.67%，增益的平均值为11.88%。由此可见，双面组件采用双玻支架时的发电量增益比采用两根C 型钢上下安装的支架时的大。这主要是因为双玻支架对双面组件背面不形成遮挡，从而使双面组件可以获得更高的发电量。由此可知，双玻支架更利于发挥双面组件双面发电的优势。

图8 第3 个测试阶段中，双面组件较单面组件的发电量增益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 值的计算

光伏发电系统的发电效率(PR)可以直接体现出系统的性能。PR的计算式为：

式中，∫G 为某地点或位置1 天的总太阳辐照量，Gnominal为标准太阳辐射强度，取1000 W/m2；Pm为组件的输出功率。

在2017 年8 月10 日～2018 年7 月20 日期间，通道U01C03 改用双玻支架后，通道U01C03、U01C04 和U01C05 中组串的PR值如图9 所示。由于目前国际和国内暂无计算双面组件PR值的标准，因此在计算双面组件PR值时，额定功率只代入组件正面的额定功率，但输出功率代入的却是双面的，所以双面组件的PR值会出现大于1 的情况。通道U01C03、U01C04 和U01C05内组串的平均PR值分别为1.06、0.93 和1.04，与前文该阶段中组串等效发电时长、发电量增益的计算结果的趋势一致，从而佐证了双玻支架的优势。

图9 第3 个测试阶段中，3 个通道内组串的PR 值Fig. 9 In the thinrd test stage，the performance ratio of thePV modules string of the three channels

2.4 不同天气状况时单面组件最大输出功率与背板温度、太阳辐照度和环境温度的关系曲线

以2016 年2 月22 日这一天作为阴天的代表。图10 为阴天时组件最大输出功率与背板温度、太阳辐照度和环境温度的关系曲线。由图10a 可知，背板温度的变化范围在5～12 ℃，组件在中午前后最大输出功率相对较高，背板温度随时间的推移逐渐下降，与组件最大输出功率之间并无规律性的关系。这可能是由于阴天时太阳辐照度较小，背板温度上升不明显，5～12 ℃的变化范围不至于造成p-n结升温对组件发电特性的影响，所以观测不到发电量随背板温度的变化规律。由图10b 可知，阴天时太阳辐照度很弱，在正午左右太阳辐照度相对较高，对应的组件最大输出功率值最大，最大输出功率值的变化情况与太阳辐照度的变化情况相似。由图10c 可知，阴天时环境温度的变化范围在5～13 ℃，组件在中午前后的最大输出功率值最大，环境温度随时间的推移逐渐下降，与组件最大输出功率之间并无规律性的关系。这可能是由于阴天时太阳辐照度较低，环境温度上升不明显，所以观测不到最大输出功率随环境温度的变化情况。

图10 阴天时组件最大输出功率与背板温度、太阳辐照度和环境温度的关系曲线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

图11 晴天时组件最大输出功率与背板温度、太阳辐照度和环境温度的关系曲线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

选取2017 年3 月6 日这一天作为晴天的代表。图11 为晴天时组件最大输出功率与背板温度、太阳辐照度和环境温度的关系曲线。如图11a 所示，晴天时，背板温度的变化范围在5～50 ℃，由于太阳辐照量的增加会使组件最大输出功率和背板温度同时提高，所以组件最大输出功率与背板温度的变化均随时间的变化而变化。如图11b 所示，晴天时正午左右的太阳辐照度最高，对应的组件最大输出功率最大，最大输出功率的变化情况和太阳辐照度的变化情况相似。由图11c 可知，晴天时环境温度的变化范围在7～25 ℃，正午左右的太阳辐照度最高，对应的组件最大输出功率最大，组件最大输出功率的变化情况和环境温度的变化情况相似。

2.5 单面组件和双面组件的衰减对比

本次测试中的光伏组件最早安装于2016 年12 月15 日，分别选取通道U01C03、U01C04 和U01C05 中未曝晒前的组件各1 块，在STC 条件下(即太阳光谱为AM1.5、太阳辐射强度为1000 W/m2、室内温度为25℃时)，利用WACOM 长脉冲模拟器，测试3 块组件的初始性能。测试过程为：采用PVM-module 作为标准电池，利用AM1.5 的光谱、WACOM 模拟器的光谱、PVMmodule 的光谱响应和多晶硅mini-module 的光谱响应(近似代替中来股份的单晶硅组件的光谱响应)计算出标准电池与多晶硅mini-module 的失配因子，为0.99852；进而计算出电流校准值，利用该值校准模拟光强，并进行测试。测试时根据IEC 60904-1-2 的规定，用黑布挡住双面组件背面，只测试组件正面。

所有组件于2018 年1 月11 日在室内重新进行了标定，两次室内标定方式不变，标定结果的变化值如表2 所示。

表2 3 块组件的电学参数衰减对比Table 2 The degradation comparison of three PV modules

从表2 可以看出，通道U01C03 (双面组件)、U01C04 (单面组件)和U01C05 (双面组件)的功率衰减率分别为0.75%，0.86%和0.29%，这与文献报道的光伏组件首年衰减2.5%，以后每年衰减0.7%的结论相差较远，说明本批次组件的质量较为优异。此外，从表中还可以看出，双面组件的功率衰减率低于单面组件，这是因为掺硼单晶硅 (p 型硅)在光照条件下生成硼氧复合体，引起少子寿命下降，最终导致太阳电池的功率下降，而n 型单晶硅少子寿命长，组件的衰减较慢造成的。

3 结论

本文利用新能源技术中心搭建的光伏组件户外实证测试系统，在2016 年12 月15 日～2018年7 月20 日期间，对放置于上海市嘉定区某屋顶上的单面组件和双面组件进行了测试，得到以下结论：

1) 2016 年12 月15 日～2017 年4 月11 日期间，通道U01C04、U01C03 和U01C05 中组串的平均等效发电时长分别为3.07、3.18 和3.47 h。该测试阶段中，在支架均采用2 根C 型钢上下安装时，水泥背景下双面组件较水泥背景下单面组件的发电量增益为1.35%～10.43%，增益的平均值是5.26%；白板背景下双面组件较水泥背景下单面组件的发电量增益为12.13%～21.55%，增益的平均值为15.33%。

2) 2017 年4 月13 日到2017 年8 月8 日期间，通道U01C04、U01C03 和U01C05 中组串的平均等效发电时长分别为4.30、4.47 和4.80 h。该测试阶段中，在支架均采用2 根C 型钢中间安装时，地面背景均为水泥背景时，双面组件较单面组件的发电量增益为1.76%～6.68%，增益的平均值为4.44%；白板背景时双面组件较水泥背景时单面组件的发电量增益为9.29%～14.88%，增益的平均值为12.65%。

3) 2017年8月10日到2018年7月20日期间，通道U01C04、U01C05 和U01C03 中组串的平均等效发电时长分别为3.33、3.72 和3.81 h。该测试阶段下，采用双玻支架的双面组件较支架采用2 根C 型钢中间安装的单面组件的发电量增益为2.97%～29.19%，增益的平均值为16.02%；采用2 根C 型钢上下安装支架的双面组件较采用2 根C 型钢中间安装的支架的单面组件的发电量增益为8.54%～16.67%，增益的平均值为11.88%。双面组件采用双玻支架时发电量增益更大。

4) 2017 年8 月10 日～2018 年7 月20 日期间，通道U01C03、U01C04 和U01C05 中组串的平均PR值分别为1.06、0.93 和1.04。

5) 阴天时，组件最大输出功率的变化与背板温度的变化之间无规律性关系，与太阳辐照度的变化情况相似，而与环境温度的变化之间也无规律性的关系。

6) 晴天时，组件最大输出功率与背板温度均随时间的变化而变化，且变化规律相似；组件最大输出功率的变化与太阳辐照度和环境温度的变化情况相似。

7)运行13 个月后，U01C03(双面组件)、U01C04 (单面组件)和U01C05 (双面组件)中的组件功率衰减分别为0.75%、0.86%和0.29%。

致谢：测试所用n 型组件由苏州中来民生能源有限公司提供，该项目的测试工作得到公司的大力支持和帮助，在此表示感谢。