光伏组件减反射薄膜在山地光伏电站中的应用研究

上官炫烁，唐梓彭，魏 超，李 昂，何梓瑜，潘巧波

(华电电力科学研究院有限公司，杭州 310030)

0 引言

随着中国对清洁能源需求的不断增加，全国各地的光伏发电装机也迎来井喷式发展，截至2021 年底，中国新增光伏发电并网装机容量达53 GW，累计并网装机容量达306 GW[1]。随着光伏电站持续投入使用，其发电能力也在逐年降低，因此，针对光伏电站提质增效的技术改造已成为光伏电站运行中后期面临的重要问题。

目前大多数晶体硅光伏组件的正面封装材料采用低铁超白玻璃，也称为光伏玻璃[2]。光伏玻璃具有透过率高、耐候性强和机械强度高的优点。尽管光伏玻璃拥有较高的透过率，但由于其折射率约为1.52，而空气的折射率为1.0，折射率的偏差会导致菲涅尔反射的发生。即使光线垂直射入光伏玻璃，在玻璃表面仍有4%左右的光线被反射。而当光线的入射角增大时，光伏玻璃表面的反射率也将随之增高；当光线的入射角达到70°时，光伏玻璃表面的反射率将增至27%，导致光伏组件实际接收到的太阳辐射量降低[3]。

在光伏玻璃表面涂覆一层减反射薄膜，可以有效减少光线在光伏玻璃表面的反射损失，从而可提高光伏组件的输出功率。该方法是提升光伏电站发电能力及收益水平，缩短光伏电站并网发电的成本回收期的重要方法之一[4]。同时，涂覆了减反射薄膜的光伏玻璃除了能够增加玻璃的透过率，还具有一定的自清洁功能[5]，可以减少灰尘遮挡损失，并预防光伏组件热斑效应。

光伏组件在户外使用面临严苛的使用环境，因此需要减反射薄膜的性质在复杂环境下保持稳定；同时，考虑到光伏组件成本问题，需要进一步验证在不同场景下减反射薄膜是否具有经济性。本文在介绍光伏组件减反射薄膜工作原理的基础上，通过实验室测试和户外验证，对光伏组件减反射薄膜在山地光伏电站中应用的实际效益进行分析研究，可为山地光伏电站的提质增效和光伏组件选型提供参考。

1 光伏组件减反射薄膜的工作原理

当光线从两种非同类介质穿过时，部分光线会在二者的界面发生反射。在界面处于平整的状态下，当光线垂直射入且介质对光线无吸收时，反射率R应满足以下公式[6]：

式中：n0为光线入射的介质的折射率；n1为光线进入的介质的折射率。

通过改变反射波的相位或介质的折射率可以明显减少光线反射造成的能量损失，而利用反射光的相消干涉效应可以一定程度上减少光线的反射。单层减反射薄膜的工作原理示意图如图1[7]所示。图中：d为减反射薄膜的厚度；na为空气的折射率；nc为减反射薄膜的折射率；ns为光伏玻璃的折射率；R1为减反射薄膜表面反射率；R2为光伏玻璃表面反射率。

图1 单层减反射薄膜的工作原理示意图[7]Fig.1 Schematic diagram of working principle of single-layer anti reflective coating[7]

理想的单层减反射薄膜发生相消干涉效应必须满足以下两个条件：

式中：λ为光线在真空中的波长。

光线在减反射薄膜的上、下表面产生相消干涉效应，可以减少光线的反射，增加光线的透射，尤其在入射角度大的情况下，介质的透光量会进一步增加。

2 光伏组件减反射薄膜的结构

根据式(2)、式(3)，可计算得到减反射薄膜的理想折射率应为1.23。然而，目前已知存在的固体材料中，折射率均高于1.23[8]，因此，若要制备理想的光伏组件减反射薄膜，需要在制备减反射薄膜的原材料中引入孔隙，以降低减反射薄膜的折射率。

引入孔隙后，减反射薄膜的折射率np与孔隙率p的关系需要满足以下关系式[9]：

列举几种市面上常见的减反射薄膜所使用的材料，并计算得到这些材料要达到理想折射率(1.23)所需要的孔隙率[4]，具体如表1 所示。

表1 几种常用的减反射薄膜材料的折射率及其达到理想折射率需要的孔隙率Table 1 Refractive index of several commonly used anti reflective coating materials and porosity required to achieve ideal refractive index

从表1 可以看出：SiO2和氟化物的折射率相对接近1.23，因此，采用这几类材料制备减反射薄膜时需要引入的孔隙较少，相对于其他材料更容易实现，且可有效降低减反射薄膜的制备难度。

氟化物薄膜所需空隙率虽然较低，但其含有毒性；相比之下，SiO2不含毒性，化学性质稳定，且材料来源丰富，是目前光伏组件减反射薄膜的主流原材料[10]。SiO2减反射薄膜的孔隙类型一般有3 种结构形式，分别为实心球结构、有序介孔结构和空心球结构[8]，结构示意图如图2 所示。

图2 3 种SiO2 减反射薄膜的结构示意图Fig.2 Structural schematic diagrams of three types of SiO2 anti reflective coatings

3 光伏组件减反射薄膜的实际应用分析

为检验涂覆减反射薄膜的光伏组件在山地光伏电站中的实际发电量增益效果，选择云南省永仁县某10 MW 山地光伏电站(地理位置为39.914°N、116.403°E)作为实验区域进行验证。由于该光伏电站已经投入使用多年，本实验的减反射薄膜采用膜液制备而成，属于室温固化型，利用人工或自动化喷涂设备喷涂于光伏组件玻璃表面后，液体可以在室温下快速固化成型，和光伏组件玻璃表面牢固贴合，是一种针对已安装完成的光伏组件涂覆减反射薄膜使用的产品。

3.1 实验室测试

在该山地光伏电站的某光伏方阵中随机抽取4 块光伏组件，对其电性能参数进行测试，然后涂覆减反射薄膜后，再次对光伏组件的电性能参数进行测试。本次实验采用喷涂工艺，在光伏组件玻璃表面形成厚度为650 nm 的空心球结构的SiO2减反射薄膜，孔隙率为30%。镀制SiO2减反射薄膜前，光伏组件玻璃表面的透过率为91.5%；镀膜后，光伏组件玻璃表面的透过率为93.8%。在实验室中，分别对镀膜前、后4 块光伏组件的开路电压Voc、短路电流Isc、最大输出功率Pm及光电转换效率η进行测试，得到的电性能参数测试结果如表2 所示。

表2 实验室测试得到的镀膜前、后光伏组件的电性能参数Table 2 Electrical performance parameters of PV modules before and after coating obtained from laboratory testing

对表2 的数据进行分析计算可以得出：镀制减反射薄膜后，所有光伏组件样品的最大输出功率平均提升了7.71 W，平均提升率为2.84%。其中，4 块光伏组件样品中，最大输出功率提升的最高值为8.18 W，提升率为2.98%；最大输出功率提升的最低值为7.14 W，提升率为2.67%。

对镀制减反射薄膜后光伏组件的电性能参数进行测试后，根据IEC 61215-1:2016《Terrestrial photovoltaic (PV) modules——Design qualification and type approval——Part 1: Test requirements》[11]的检测标准，对镀膜后的光伏组件进行稳定性测试，包括：耐湿热测试、耐湿冻测试、高温蒸煮测试，以及耐摩擦测试，并对测试后光伏组件的输出功率衰减率进行分析，以验证减反射薄膜的稳定性。详细测试方法与测试结果如表3 所示。

3.2 户外验证

在云南省永仁县某山地光伏电站对光伏组件镀制减反射薄膜后的发电量提升情况进行验证。选择该电站中处于相似地形且光伏组件安装倾角相同的3 条集电线路进行实验验证，对其中2 条集电线路(1#、2#集电线路)中所有光伏组件镀制SiO2减反射薄膜，另外1 条集电线路(3#集电线路)的光伏组件不镀膜(作为对照组)。

采集这3 条集电线路相同时间段(2019 年12月—2020 年5 月为光伏组件镀膜前，2020 年12月—2021 年5 月为光伏组件镀膜后)内的发电量数据，并进行对比分析，然后计算光伏组件镀膜后的发电量提升率。

光伏组件镀膜前，1#集电线路与3#集电线路相比的发电量提升率Punp计算式可表示为：

式 中：N1为1# 集 电 线 路2019 年12 月—2020 年5 月的总发电量；N3为3#集电线路2019年12 月—2020 年5 月的总发电量。

根据式(5)可以计算得出：光伏组件镀膜前，1#集电线路与3#集电线路相比的发电量提升率为1.34%。同理，可计算得到2#集电线路与3#集电线路相比的发电量提升率为1.15%。

光伏组件镀膜后，1#集电线路与3#集电线路相比的发电量提升率Ppri的计算式可表示为：

式中：N1′为1#集电线路2020 年12 月—2021 年5 月 的 总 发 电 量；N3′为3# 集 电 线 路2020 年12 月—2021 年5 月的总发电量。

根据式(6)可以计算得出：光伏组件镀膜后，1#集电线路与3#集电线路相比的发电量提升率为5.39%。同理，可计算得到2#集电线路与3#集电线路相比的发电量提升率为4.94%。

光伏组件镀膜前、后不同集电线路的发电量数据分析结果如表4 所示。

表4 光伏组件镀膜前、后不同集电线路的发电量数据分析Table 4 Analysis of power generation capacity data of different collection lines before and after PV modules coating

从表4 可以看出：1#集电线路镀膜后的发电量提升率为4.05%，2#集电线路镀膜后的发电量提升率为3.79%。因此，该山地光伏电站镀膜后的平均发电量提升率为3.92%。

为验证光伏组件减反射薄膜在山地光伏电站中应用对其发电量有明显的提升效果，采用相同方式，在甘肃省嘉峪关市(地理位置为39.777°N、98.296°E)某地面集中式光伏电站进行发电量提升的对比实验验证。实验选择该电站中3 个光伏方阵，其中，1#、2#光伏方阵中所有光伏组件镀制SiO2减反射薄膜，3#光伏方阵的光伏组件不镀膜(作为对照组)。采集这3 个光伏方阵相同时间段(2019 年11 月—2020 年5月为光伏组件镀膜前，2020 年11 月—2021 年5月为光伏组件镀膜后)的发电量数据，对比后计算光伏组件镀膜后的发电量提升率，结果如表5所示。需要说明的是，表中的测试结果是根据有效数据统计原则，剔除少量坏点数据后的结果。

从表5 可以看出：1#光伏方阵镀膜后的发电量提升率为2.05%，2#光伏方阵镀膜后的发电量提升率为4.09%。因此，该地面集中式光伏电站镀膜后的平均发电量提升率为3.07%。

3.3 对比分析小结

实验室测试中光伏组件样品最大输出功率平均提升了2.84%，地面集中式光伏电站的户外验证中，发电量平均提升率为3.07%；而在山地光伏电站的户外验证中，发电量平均提升率为3.92%，高于地面集中式光伏电站的发电量平均提升率。出现这一差别的原因在于：在实验室测试和地面集中式光伏电站的运行过程中，太阳光基本处于直射状态，而在山地光伏电站的运行过程中，由于地形原因，光伏组件的安装受到环境条件的影响，光伏组件安装倾角不一致，导致接收的太阳直射量较少。因此对于山地光伏电站而言，光伏组件减反射薄膜的应用更有助于提升其发电量。

4 结论

本文通过实验室测试与不同场景的户外验证，对光伏组件减反射薄膜在光伏电站中应用带来的实际发电量提升情况进行了分析研究，得到以下结论：光伏组件减反射薄膜对光伏电站的发电量有显著提升效果，且镀膜的物理性质稳定。镀膜后，山地光伏电站发电量的平均提升率高于实验室光伏组件样品和地面集中式光伏电站发电量的平均提升率，说明光伏组件减反射薄膜的应用对于山地光伏电站发电量的提升有显著效果。本研究结果可为光伏电站的提质增效和光伏组件选型提供参考。