Effects of ambient temperature and irradiance on performance of half-cut and shingled photovoltaic modules

温度和辐照对半片与叠瓦光伏组件性能的影响 Effects of ambient temperature and irradiance on performance of half-cut and shingled photovoltaic modules 1 first-author 武朝磊（1993-），男，河北邯郸人，硕士研究生，2018年于河北北方学院获得学士学位，主要从事晶体硅太阳能电池方向的研究。E-mail：hbuwcl@163.com http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=19369973&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=19369977&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=19369975&type= 22.01332855 32.00399780 武朝磊 （1993-），男，河北邯郸人，硕士研究生，2018年于河北北方学院获得学士学位，主要从事晶体硅太阳能电池方向的研究。E-mail： hbuwcl@163.com hbuwcl@163.com 2 3 corresp E-mail： deyuanwei@zjut.edu.cn E-mail： deyuanwei@zjut.edu.cn deyuanwei@zjut.edu.cn 1 corresp chenjingwei@126.com chenjingwei@126.com chenjingwei@126.com 1 河北大学 物理科学与技术学院，河北 保定 071000 河北大学 物理科学与技术学院，河北 保定 071000 College of Physics Science and Technology， Hebei University， Baoding 071000， China College of Physics Science and Technology， Hebei University， Baoding 071000， China 中国建材检验认证集团股份有限公司 光伏检验认证院，北京 100024 中国建材检验认证集团股份有限公司 光伏检验认证院，北京 100024 Institute of Photovoltaic Inspection and Certification， China Building Material Test & Certification Group Co.， Ltd.， Beijing 100024， China Institute of Photovoltaic Inspection and Certification， China Building Material Test & Certification Group Co.， Ltd.， Beijing 100024， China 浙江工业大学 理学院，浙江 杭州 310023 浙江工业大学 理学院，浙江 杭州 310023 College of Science， Zhejiang University of Technology， Hangzhou 310023， China College of Science， Zhejiang University of Technology， Hangzhou 310023， China 针对新型光伏组件技术半片组件和叠瓦组件比较系统地研究了辐照和温度对组件电学性能稳定性的影响。按照IEC61215和IEC61853标准，在室内的虚拟环境和光伏电站里的实际环境中测试了温度和辐照对常规、半片和叠瓦组件电学性能稳定性的影响。在AM1.5标准辐照条件下，叠瓦和半片组件主要电学参数的相对温度系数绝对值均比常规组件有大幅度的降低，展现出更高的热稳定性，且热稳定性与辐照度正相关。在0~80°辐照入射角内两种组件的光利用率都大于常规组件，展现出更高的辐照角度稳定性。经户外环境的累计辐照后，半片和叠瓦组件的光致衰减效应比常规组件较弱，具有更高的长期辐照稳定性。半片和叠瓦组件的性能在温度、光入射角度和长期辐照方面的稳定性均比常规组件有所提高，这一结果主要归因于小面积电池导致的更强的热机械应力抵抗能力、电路产生更小的焦耳热以及内部部分电池并联而减弱的热斑效应。 Aiming at new photovoltaic （PV） module technologies， half-cell modules and shingled modules， we systematically analyzed the influence of irradiance and temperature on the electrical stability of PV modules. In accordance with the IEC61215 and IEC61823 standards， we tested the effects of temperature and radiance on the electrical stability of conventional， half-cell， and shingled modules in a simulated indoor environment and a real outdoor environment at a photovoltaic power station. The absolute values of the relative temperature coefficients of the main electrical parameters of shingled and half-cell modules are significantly lower than those of conventional modules under the AM1.5 irradiance condition. This indicates that shingled and half-cell modules have higher thermal stability. Moreover， thermal stability is positively correlated with irradiance. The light utilization efficiency of these two types of modules is greater than that of conventional modules in the incidence angle range of 0–80°； this shows that such modules are less affected by the incidence angle. After accumulative irradiance in an outdoor environment， the light-induced degradation of half-cell and shingled modules is weaker than that of conventional modules； thus， half-cell and shingled modules possess higher stability against long-term irradiance. Half-cell and shingled modules exhibit greater performance stability than conventional modules do in terms of heat， incidence angle， and long-term irradiance. This is mainly due to their stronger thermomechanical stress resistance， which is caused by the small cell area， the smaller Joule heat generated by the circuit， and the weakened hot-spot effect due to the parallel connection of some solar cells inside PV modules. 光伏组件 温度系数 辐照度 光利用率 光致衰减 photovoltaic module temperature coefficient irradiance light utilization efficiency light induced degradation 1 引　言 1 光伏组件是一种可以利用清洁环保的太阳光直接发电的电学设备，是太阳能发电系统中的核心部分。目前，主流的常规光伏组件通常由多片小功率单晶硅或者多晶硅太阳能电池组装而成，其迎光表面通常还有钢化玻璃盖板加以保护 ［ 1 1 ］ 。在常规光伏组件内部，通常多个整片太阳能电池通过互联带相互串联，形成一个电池串，不同的电池串又串联在一起，最后经封装制作成组件。 近几年，降低组件封装损失、提高电池到组件的效率是国内外光伏组件技术的发展趋势。在常规组件技术基础上，半片组件、叠瓦组件等新型组件技术应运而生 ［ 2 2 - 5 5 2-5 ］ 。与常规组件不同，半片组件里最基本的组成单元是半片太阳能电池，即常规组件里的整片多晶硅或者单晶硅电池被平均切成一半而形成的面积减半的新电池。若干个半片电池串联组成一个电池串，而这样的两个电池串相互并联，组成一个子组件。若干个子组件之间相互串联，最终组成一个完整的半片组件。叠瓦组件则是半片组件的进一步延伸。在此种组件中，每一片完整的单晶硅或者多晶硅电池被切割成若干子片，作为组件的最小独立工作单元。数量很多的子片串联组成电池串，而若干个电池串之间相互并联组成一个子组件。若干个子组件相互串联，最终组成一个完整的叠瓦组件。 与常规组件相比，半片和叠瓦组件这两种技术因为其不同的单片电池面积、电路布局以及电池的几何排布方式等因素，比常规组件更具性能优势。首先，半片和叠瓦组件会减小电池串电流，导致电池串的电阻发热损耗减小，提高组件的输出功率。假设常规组件中电池串电流为 I 0 ，对于半片组件来说，每串电流变为 I 0 /2，而叠瓦组件每个电池串的电流为 I 0 / n 。因此，相比常规组件，半片和叠瓦组件中电池串的电流都会减少，电流流经电池串时因内阻造成的内部功率损耗就会减小，电池到组件效率得到提高。Tang和Rong等报道显示半片组件的功率通常比同版型的常规组件高5~10 W ［ 2 2 - 3 3 2-3 ］ 。第二，相比常规组件，半片与叠瓦组件中的电池几何排布与间距发生变化，会增加光学吸收并提高输出功率。Schneider ［ 4 4 ］ 等报道半片组件内由于半电池间距增加，更多入射光通过电池间距进入组件内部，并在背板形成较强的反射光最终增强了光的吸收。此效果使半片组件比常规组件的短路电流增加3.1%。如果72整片的常规组件转换为144片的半片组件，其输出功率会提高3%。而在叠瓦组件中，将其中一子片的正面主栅和相邻另一片的背面主栅经导电胶连接，取代了相邻电池片之间互联带的连接。因此，相邻电池片的间距减小，同样的组件面积下可以放置更多的电池片，电池密度的提高增加了组件的光吸收和输出功率。第三，相比传统组件，半片和叠瓦组件电路布局的改变还可以减少组件的热斑效应 ［ 5 5 ］ 。当其中一个子片电池因为遮挡造成热斑效应时，常规组件虽然有二极管保护，但是该电池所处的电池串会被屏蔽，发电量受到严重影响。但是，同样情况下，半片组件中并联的另外一部分并不会因子片电池遮挡而受热斑效应影响。叠瓦组件中的大部分并联电池串也不受类似影响。因此，相比传统组件，热斑效应对于半片和叠瓦组件的影响更小。 尽管相比常规组件，半片和叠瓦组件技术已表现出很多性能优势。但是，这两种技术尚未像常规光伏组件一样成熟，其各方面的性能仍未被充分研究。目前，国内外关于半片和叠瓦组件的研究主要集中在以下几个方面：（1）电池间距的影响。较多的研究表明，减少组件内的子片电池间距可以降低功率损失并提高输出功率。Mittag ［ 6 6 ］ 等通过模拟计算分析了叠瓦组件比常规电池组件具有更高输出功率的原因，模拟结果显示电池片重叠宽度是影响叠瓦组件的电池到组件效率损失的关键因素。重叠宽度越小，则功率损失越小。输出功率更高的另外一个原因是子片电池密度的提高，即相同组件面积可以放置更多电池片。Singh等 ［ 7 7 ］ 报道了适当减小半片组件内电池片之间的间距会减少电力损耗，半片组件效率可以提高0.48%。（2）互联焊带的影响。Hanifi等 ［ 8 8 ］ 指出半片组件焊线宽度的减少不仅降低了材料的消耗成本，也降低了组件的内部功率损失，提高了输出功率，最终导致其电池到组件效率比常规组件提高了0.85%。（3）机械与热应力。Akram ［ 9 9 ］ 等的模拟计算结果表明电池形态和几何形状对电池的水平应力有显著影响。切割之后的电池更能抵抗热机械载荷。因此，小面积电池组成的组件对因温度重复变化而引起的热失配、疲劳和其它应力的承受能力更强。Gerenton和Julius等 ［ 10 10 - 11 11 10-11 ］ 报道在相同的光遮挡面积下半片组件的散热能力比常规组件强，使其热斑温度比常规组件低19 ℃。（4）组件稳定性。Wendlandt ［ 12 12 ］ 等研究了弱光条件下叠瓦光伏组件的长期稳定性。其研究结果显示，如果组件串联电阻较低，在较低的辐照度下其效率损失小，即弱光性能强；如果组件的串联电阻较高，在较低的辐照度下其效率损失大，则其弱光性能弱。 然而，除了上述提及的热应力，目前对半片与叠瓦光伏组件的温度响应，特别是组件的电学特性对温度变化的响应及热稳定性的研究还比较少。另外，除了少量的弱光性能研究，针对光辐照对此两种新组件影响的研究工作也非常少。本文主要研究了半片与叠瓦组件主要电学特性的温度响应，并进一步探讨了光辐照度对组件电学特性温度响应的影响。另外，还探讨了辐照入射角度对新式组件光利用效率的影响以及户外长时间累计光辐照对组件电学性能的影响。通过比较系统地研究光伏组件的实际使用环境因素（如辐照、温度等）对组件电学性能的影响，可知相比常规组件，半片和叠瓦组件的电学性能表现出更高的热稳定性，光利用率更高，长时累计辐照后的光致衰减幅度也更小，具有更大的性能优势和更广的应用前景。 2 实　验 1 2.1　样品制备 2 实验选用单面PERC单晶硅电池作为组件的基本单元。整片电池的尺寸为156 mm×156 mm。实验中的常规组件由60片整片单晶硅电池组装制备而成。常规组件的电路原理如 图1 图1 （a）所示，组件内部的电池片每10片串联编制为1个电池串，整个组件共有6个相互串联的电池串，每2个串联的电池串并联1个反向二极管作为保护电路。常规组件的输出电压和输出功率分别为31.4 V和280 W。 半片组件的基本单元是上述整片电池平均切成一半的半片电池，尺寸为156 mm×78 mm。半片组件由120片上述半片电池组装制备而成，其电路示意图如 图1 图1 （b）所示。半片组件中每10片电池组成1个电池串，每2个电池串串联后组成1个电池串组。此电池串组再与另外一个与它一样的电池串组并联，同时此两者也并联一个用作电路保护的反向二极管，组成1个子组件。3个这样的子组件相互串联，最后组装形成一个完整的半片组件。同时，半片电池的整体排布使整个组件在几何上分成左右两个对称的部分，两部分之间有较大间距，用来制备反向二极管保护电路。半片组件的几何尺寸为1 696 mm×1 002 mm×35 mm，组件的输出电压和输出功率分别为33.8 V和330 W。 叠瓦组件的基本单元是上述整片电池平均切为5小片而形成的小面积电池，尺寸为156 mm×31.2 mm。由于叠瓦电池之间通过导电胶连接主栅的特殊互联方式，电池间的间距相比常规组件大幅度缩小，叠瓦组件由340片上述叠瓦电池组装制备而成。此叠瓦组件的电池总量相当于68块整片电池，比常规电池组件多放置了8块整片电池。叠瓦组件的电路示意图如 图1 图1 （c）所示。每34片叠瓦电池组成1个电池串，每5个电池串相互并联后组成1个电池串组。此电池串组再与另外用作电路保护的反向二极管并联，组成1个子组件。2个子组件相互串联，最后组装形成1个完整的叠瓦组件，其内部电池排布使整个组件在几何上分成了左右两个对称的部分，两部分之间有间距，用来布局反向二极管和保护电路。叠瓦组件的几何尺寸为1 719 mm×1 140 mm×35 mm，组件的输出电压和输出功率分别为46.1 V和390 W。 2.2　测试表征 2 为获取光伏组件在户外的工作环境参数，利用海南省定安县某光伏太阳能电站的温度传感器和太阳辐照传感器对实验当地白天的户外温度和太阳光辐照度做了跟踪测量。 图2 图2 所示的是海南省定安县2020年9月1号白天户外温度和辐照度与时间的关系。由于海南地处热带，年平均温度和太阳辐照度的变化不是很大， 图2 图2 中的数据可作为光伏组件户外工作环境参数的一个参考。 为了测试常规、半片和叠瓦3种组件的温度响应，根据标准IEC61215 ［ 13 13 ］ 规定，利用恒温箱在25~55 ℃内以5 ℃为步长改变组件的温度，并利用Pasan标准太阳光模拟器在1 000 W/m 2 辐照度下测试组件在每个温度点对应的开路电压（ V oc ）、短路电流（ I sc ）和最大功率值（ P max ）。测试后，绘制组件开路电压、短路电流和最大功率随温度变化的3条曲线，然后利用最小二乘法对每条曲线进行线性拟合，拟合直线的斜率即为开路电压（短路电流或者最大功率）的绝对温度系数。随后，将温度系数除以组件25 ℃对应的开路电压（短路电流或者最大功率），获得组件开路电压（短路电流或者最大功率）的相对温度系数。最后，用相对温度系数比较环境温度对不同组件电学性能的影响。为了测试不同辐照度对组件稳定性的影响，在Pasan太阳模拟器中插入滤光片来改变光辐照度，使模拟器的光辐照度在100~1 100 W/m 2 之间调节，测试得到3种组件在不同辐照度下的温度系数和相对温度系数。 采用“固定模拟光源+可旋转组件支架”的方法，在0~87°旋转角度内测试组件对光入射角的响应特性。入射角在0~60°和60°~87°的改变步长分别为8°和3°。在光源辐照度为1 000 W/m 2 、组件温度为25 ℃的条件下，测量每一个光入射角对应的组件的短路电流，重复测试3遍并取平均值，然后根据 式（7） 式（7） 计算3种组件在不同入射角下的光利用率。按照IEC61853-2标准 ［ 14 14 ］ 规定组件的有效测试区域内的入射光辐照度均匀性要在5%以内。然而，因为整个组件尺寸较大，难以保证整个组件范围内的光辐照均匀性。因此，这里采用只测量组件中某个有效电池串性能的方法，此方法已被验证可作为测试整个组件性能的等效替代方法 ［ 15 15 ］ 。 最后，测试长时间累计辐照对组件性能的影响。在AM1.5标准条件（1 000 W/m 2 ，25 ℃）下测试完组件的光伏特性之后，将3三种组件放置户外分别累计阳光暴晒5~20 kWh/m 2 的辐照剂量。随后，在AM1.5标准条件下再次测试了这些组件的开路电压、短路电流和最大功率，比较长时间累计辐照前后组件的性能参数。 3 结果与讨论 1 3.1　环境温度的影响与组件的热稳定性 2 光伏组件在户外工作时，环境温度随着时间变化，如 图2 图2 所示。此外，组件工作时内部电流通过内阻产生热量，也影响组件的工作温度。两者引起的温度变化会影响组件工作性能的稳定性。通常情况下，组件温度升高，开路电压下降，短路电流上升。 根据IEC-61215国际标准，本文可以通过组件光伏性能参数的绝对温度系数和相对温度系数来评价3种组件的热稳定性。绝对温度系数定义为组件的电学参数（如开路电压）对组件工作温度的梯度，而相对温度系数定义为绝对温度系数与组件25 ℃条件下对应的电学参数（例如25 ℃对应组件的开路电压）的比值，如 式（6） 式（6） 所示。相对温度系数通常是反映不同种类组件工作稳定性的物理量，相对温度系数值越小代表组件的热稳定性越高。所以，可以通过相对温度系数评估环境温度对各种组件性能的影响。相对温度系数测试不仅可用于单独测试组件性能的温度热稳定性等级，还可纳入光伏组件的综合质量测试中。 为了测试组件的相对温度系数，需要先根据组件的各种电学参数与温度的关系测试和计算出绝对温度系数。根据IEC-61215标准，绝对温度系数的测试方法需要大概两个步骤。第一步是要在标准辐照度测试环境下加热到一定温度，然后测试组件的开路电压、短路电流和最大功率。第二步是需要绘制前述三者与温度的函数图，建造最小二乘法拟合曲线，从最小二乘法拟合的直线斜率计算前述三种参数的温度系数。而第二步进行最小二乘法直线拟合的前提条件就是需要根据IEC60904-10国际标准确定试验组件是否为线性组件。 首先，依据IEC-61215标准，用标准太阳光模拟器在1 000 W/m 2 辐照度下测试了组件在25~55 ℃内对应的开路电压、短路电流和最大功率，测量结果如 图3 图3 所示。图 3（a） 3（a） ~ 3（c） 3（c） 显示，3种组件的开路电压和最大功率都随着温度升高而减小。其原因是内部太阳电池中硅材料的禁带宽度因组件温度升高而变窄，所以开路电压减小 ［ 16 16 ］ 。另一方面，短路电流则表现出了相反的趋势，即随着温度增高而增加。此趋势是因为在太阳电池中硅材料的禁带宽度变窄，会有更多的电子从价带跃迁到导带，导致短路电流升高。 第二步，需要测试确定实验组件是否为线性组件。而IEC60904-10国际标准规定，线性组件某一参数对温度的非线性度（偏差）极限要求如下：对于开路电压、短路电流和最大功率与温度的曲线，其线性度的最大偏差应小于5%。而此类参数的线性度的最大偏差定义如下： 线性度最大偏差=Max｛（ Ϋ i - y i ）/ Ϋ i ×100%｝。其中， y i 是数据点（ x i ， y i ）对应的纵坐标，比如（ T i ， V oc， i ），而 Ϋ i 是 x i 对应的线性拟合所得的纵坐标。根据上述定义，测试并计算了3种组件的开路电压、短路电流和最大功率数据点的线性度最大偏差，发现3种参数的线性度最大偏差都小于0.3%，满足IEC60904-10国际标准对线性组件的认定要求。 最后，根据IEC-61215标准，采用最小二乘法方法对开路电压、短路电流和最大功率值与温度的函数数据进行线性拟合 ［ 17 17 ］ 。假设线性拟合的直线方程为： <math display="block" id="M1"><msub><mrow><mi>Y</mi></mrow><mrow><mi>j</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mrow><mi>a</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mrow><mi>a</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub><msub><mrow><mi>X</mi></mrow><mrow><mi>i</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=19370001&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=19370000&type= 23.45266724 3.80999994 ， 其中： X i 为组件温度， Y j 为开路电压、短路电流或者最大功率的计算值， a 0 为直线截距， a 1 为直线斜率，即温度系数。为求出 式（1） 式（1） 的 a 1 ，应使离差平方和最小。 φ 即为电学参数的实验测量值与计算值的离差平方和，表示为： <math display="block" id="M2"><mi>φ</mi><mo>=</mo><mo>∑</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mrow><mi>Y</mi></mrow><mrow><mi>i</mi></mrow></msub><mo>-</mo><msub><mrow><mi>Y</mi></mrow><mrow><mi>j</mi></mrow></msub><msup><mrow><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=19370005&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=19370003&type= 26.16200066 4.91066647 . 将 式（1） 式（1） 代入 式（2） 式（2） 得到： <math display="block" id="M3"><mi>φ</mi><mo>=</mo><mo>∑</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mrow><mi>Y</mi></mrow><mrow><mi>i</mi></mrow></msub><mo>-</mo><msub><mrow><mi>a</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub><mo>-</mo><msub><mrow><mi>a</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub><msub><mrow><mi>X</mi></mrow><mrow><mi>i</mi></mrow></msub><msup><mrow><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=19370007&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=19370006&type= 37.25333405 4.91066647 ， 其中 Y i 为开路电压、短路电流或者最大功率的测量值。对 式（3） 式（3） 求偏导，并令其等于0，得到： <math display="block" id="M4"><mfrac><mrow><mo>∂</mo><mi>φ</mi></mrow><mrow><mo>∂</mo><msub><mrow><mi>a</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">2</mn><mo>∑</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mrow><mi>Y</mi></mrow><mrow><mi>i</mi></mrow></msub><mo>-</mo><msub><mrow><mi>a</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub><mo>-</mo><msub><mrow><mi>a</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub><msub><mrow><mi>X</mi></mrow><mrow><mi>i</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">0</mn></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=19370009&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=19370008&type= 51.98533249 8.46666718 ， <math display="block" id="M5"><mfrac><mrow><mo>∂</mo><mi>φ</mi></mrow><mrow><mo>∂</mo><msub><mrow><mi>a</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">2</mn><mo>∑</mo><msub><mrow><mi>X</mi></mrow><mrow><mi>i</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mrow><mi>Y</mi></mrow><mrow><mi>i</mi></mrow></msub><mo>-</mo><msub><mrow><mi>a</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub><mo>-</mo><msub><mrow><mi>a</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub><msub><mrow><mi>X</mi></mrow><mrow><mi>i</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">0</mn></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=19370011&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=19370010&type= 55.62599945 8.46666718 . 将数据带入 式（4） 式（4） 和 式（5） 式（5） 中，求出直线斜率 a 1 和截距 a 0 ，然后绘出拟合直线，如 图3 图3 所示，拟合直线的斜率即为组件的绝对温度系数。最后，将组件的绝对温度系数代入 式（6） 式（6） 中，即可求出组件的相对温度系数 ［ 18 18 ］ ： <math display="block" id="M6"><mi mathvariant="normal">相</mi><mi mathvariant="normal">对</mi><mi mathvariant="normal">温</mi><mi mathvariant="normal">度</mi><mi mathvariant="normal">系</mi><mi mathvariant="normal">数</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi mathvariant="normal">绝</mi><mi mathvariant="normal">对</mi><mi mathvariant="normal">温</mi><mi mathvariant="normal">度</mi><mi mathvariant="normal">系</mi><mi mathvariant="normal">数</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">25</mn><mo>℃</mo><mi mathvariant="normal">时</mi><mi mathvariant="normal">对</mi><mi mathvariant="normal">应</mi><mi mathvariant="normal">组</mi><mi mathvariant="normal">件</mi><mi mathvariant="normal">参</mi><mi mathvariant="normal">数</mi><mi mathvariant="normal">值</mi></mrow></mfrac><mo>×</mo><mn mathvariant="normal">100</mn><mi mathvariant="normal">%</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=19370013&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=19370012&type= 75.18399811 8.63599968 . 式（6） 式（6） 中的分母是25 ℃时所测量相对温度系数对应的开路电压、短路电流或者最大功率。常规组件开路电压的相对温度系数=（ - 1.41×10 - 1 V·℃ -1 /38.5 V）×100%= - 0.366%/℃，为了方便比较取绝对值为0.366%/℃。 相对温度系数越小代表该类型组件的热稳定性越高，所以可以通过相对温度系数评估环境温度对各种组件性能的影响。本文测量了绝对温度系数后，通过计算得到3种组件的相对温度系数的绝对值（Absolute Value of the Relative Temperature Coefficient， AVRTC），如 图3 图3 （d）所示。 图3 图3 （d）显示叠瓦和半片组件的开路电压、短路电流和最大功率相对温度系数的绝对值均小于常规组件。叠瓦和半片组件开路电压的相对温度系数绝对值分别为0.312和0.308%/℃，相比常规组件的0.366%/℃，分别降低了15%和16%。叠瓦和半片组件短路电流的相对温度系数绝对值分别比常规组件的相对温度系数降低了65%和46%。最终，叠瓦和半片组件的最大功率的相对温度系数绝对值比常规组件分别降低了19%和28%。以上结果表明，叠瓦和半片组件的主要电学参数的相对温度系数绝对值均比常规组件有大幅度的降低，说明前两者在辐照度为1 000 W/m 2 的标准测试情况下的工作热稳定性有了较大幅度的提升。 半片和叠瓦组件电学性能热稳定性提高的原因有以下几个方面： （1）因电流流经组件焊带而产生的焦耳热更小。对于半片组件来说，内部串联电阻减少，并且电池串中的电流比常规电池小，从而减小了焦耳热对组件温度的影响。而叠瓦组件内部电池片采用了导电胶的连接方式，从而避免了因焊带产生的焦耳热问题 ［ 8 8 ］ 。 （2）热斑效应更小。由于半片和叠瓦组件内部电池连接中部分存在并联的特殊结构，在户外工作时可以降低热斑对组件局部温度升高的负面影响。而且，此种结构更有利于组件散热，从而减小温度升高对组件性能的影响 ［ 5 5 ］ 。因此，叠瓦和半片组件的电学性能的热稳定性要高于常规组件。 3.2　光辐照度对组件热稳定性的影响 2 光伏组件在实际使用环境中户外太阳辐照度时刻发生变化，辐照度对它们的影响是不可避免的，如 图2 图2 所示。 对于同一类型的光伏组件，其电学性能的热稳定性与辐照度的关系可以用温度系数来衡量。辐照度对组件性能的热稳定性影响结果如 图4 图4 所示。图 4（a） 4（a） ~ 4（c） 4（c） 显示，3种组件的开路电压、短路电流和最大功率的绝对温度系数绝对值（Absolute Value of Absolute Temperature Coefficient， AVATC）均随辐照度的增加而减小。具体而言， 图4 图4 （a）显示常规、半片和叠瓦组件的开路电压温度系数绝对值分别从100 W/m 2 时的0.14，0.143和0.125V/℃减小到1 100 W/m 2 时的0.128，0.125和0.115 V/℃，分别减小了8.6%，12.6%和8%。同理，如 图4 图4 （b）和4（c）所示，当辐照度从100 W/m 2 增加到1 100 W/m 2 时，常规、半片和叠瓦组件的短路电流温度系数绝对值分别减小了91%，90%和93%，而最终它们的最大功率的温度系数绝对值分别减小了90%，92%和93%。因此，辐照度对光伏组件的电学性能的热稳定性影响非常大，且辐照度与组件电学性能的热稳定性正相关。弱光下（低辐照度）下光伏组件的最大功率的热稳定性要比强光下降低90%以上，而更高辐照度下的电学性能的热稳定性也更高。 不同类型光伏组件的电学性能热稳定性通常用相对温度系数来衡量。 图4 图4 （d）显示在不同辐照度下所有组件的开路电压相对温度系数的绝对值变化不大。常规组件的开路电压相对温度系数绝对值维持在0.36%/℃附近，而半片和叠瓦组件的相对温度系数绝对值在0.3~0.31%/℃之间，为常规组件对应值的约83%。因此，半片和叠瓦组件的开路电压相对温度系数的绝对值，相比常规组件略有减小约17%，但总体相差不大。与开路电压不同， 图4 图4 （e）中各组件的短路电流相对温度系数差异很大。以常规的1 000 W/m 2 辐照度为例，常规、半片和叠瓦组件的相对温度系数约为0.108%/℃，0.06%/℃和0.04%/℃，半片和叠瓦组件的相对温度系数仅为常规组件的56%和37%，表现出更高的热稳定性。常规组件的短路电流温度系数变化很小，而半片组件短路电流的温度系数随辐照度的增加而逐渐降低，导致半片与常规组件的温度系数比率也从200 W/m 2 时的62%逐渐降低到1 100 W/m 2 时的47%。这意味着半片组件始终保持着比常规组件更高的热稳定性，且两者差距与辐照度正相关。而叠瓦组件的短路电流的相对温度系数则在常见的1 000 W/m 2 辐照度最低，更高或者更低的辐照度会使它与常规组件的短路电流相对温度系数比率增加到52%~66%区间，但仍展示了叠瓦组件相比常规组件具有更高的热稳定性。而对于最大功率，尽管所有组件的温度系数绝对值都随着辐照度下降，所有组件的热稳定性都与辐照度正相关。最大功率值对应的半片与常规组件相对温度系数的绝对值比率从80%升高到91%，而叠瓦组件与常规组件的该参数比率也从88%升高到97%。此结果证明弱光下半片或者叠瓦相比常规组件的热稳定性高且差异较明显，而强光下三组件的热稳定性已差异不大。总之，半片和叠瓦相比常规组件的开路电压和最大输出功率的热稳定性（即相对温度系数的绝对值）差异并不大，约为其80%以上，且此种差异随辐照度的增加变化不大。半片或者叠瓦相比常规组件的热稳定性差异主要体现在短路电流的相对温度系数比率上。尽管半片和叠瓦组件随辐照度的变化表现各异，但其相对温度系数比率始终维持在70%甚至50%以下，证明半片和叠瓦组件的部分电学性能稳定性方面比常规组件高很多，且和辐照度密切相关。 3.3　辐照入射角度的影响 2 光辐照对组件性能的影响是多方面的，组件性能不仅受到辐照度的影响，还受到辐照入射角的影响。实际上，固定组件在户外实际工作发电时，绝大多数情况下太阳光并非垂直入射至组件表面，其入射角随着不同时间的太阳方位不断变化。 不同类型组件对辐照入射角的响应特性不同，测试和评价光伏组件对入射角的响应特性，对发电能效评估、组件类型选择等具有重要的参考意义。根据IEC61853-2 ［ 14 14 ］ 标准，光伏组件对辐照入射角的响应特性通常用光利用率这一概念衡量。光利用率定义为： <math display="block" id="M7"><mi>τ</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>θ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">s</mi><mi mathvariant="normal">c</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>θ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>/</mo><mo stretchy="false">[</mo><mi mathvariant="normal">c</mi><mi mathvariant="normal">o</mi><mi mathvariant="normal">s</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>θ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>•</mo><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">]</mo></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=19370021&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=19370020&type= 40.89400101 4.57200003 ， 其中： θ 为光入射角， I 0 为光垂直入射时组件的短路电流， I sc （ θ ）为光以 θ 角入射时组件的短路电流。光利用率是一个无量纲参数，反应的是组件在某光入射倾角下真实产生的光电流与辐照面积归一化后垂直入射产生的光电流的比率。入射角变大后，对组件的影响不仅仅是理想情况下有效辐照面积的减小。 图5 图5 （a）显示3种组件的短路电流都随着光入射角的增大而变小。这一变化趋势来源于组件和电池对光的吸收效率。当光入射角较小时，太阳光直接辐射到组件和电池表面，其限光结构增加了表面的透射而降低了反射，光的反射率低，反射损失较小。这种直接辐射是组件在小入射角时产生光生电流的主要方式。当光入射角较大时，电极对直射光的阴影遮挡效应逐步加大，同时对光的反射限制减弱，导致反射损失增大。大角度入射时光的主要辐射方式变为漫射辐射，所以组件产生的短路电流较小。然而，3种组件的短路电流随着入射角的增大而减小的梯度却是不同的。常规组件的短路电流与入射角变化曲线的斜率绝对值远大于半片和叠瓦组件，这意味着后两者在大入射角时短路电流衰减的梯度远小于常规组件。 常规、半片和叠瓦3种组件的光利用率与入射角的关系如 图5 图5 （b）所示。 图5 图5 （b）显示，在直射（0°）或者小入射角时3种组件的光利用率几乎相同，都接近1。然而，随着入射角的增加，3种组件的光利用率都随着入射角的增加而单调递减。在0~60°内，光利用率仅仅从1减小到0.9附近；而在60°~90°，光利用率则从0.9以上急剧衰减到0.2~0.3。另一方面，在0~80°的大范围内，半片和叠瓦组件的光利用率都要大于常规组件，展现了两者对光入射角变化相对较弱的特性，具有更高的辐照角度稳定性。相比常规组件，半片组件光利用率更大的可能原因是光吸收的增强。由于半电池的排布增加电池间距，使更多入射光透过电池间距射入组件，并在背板形成较强的漫反射光，最终增强了光的吸收 ［ 4 4 ］ 。而对于叠瓦组件，其相对常规组件电池间距小很多，光的背面漫反射和增强光吸收是不如常规组件的。但是，叠瓦电池之间无金属栅线的设计使其间距极小，导致电池密度大幅增加，叠瓦组件相当于比常规组件多了8块整面电池。另外，叠瓦组件不仅在有限的尺寸上增加了受光面积，因为没有金属主栅线，所以减小了栅线反光的影响。这两个效果抵消了其背面漫反射光吸收的不足，导致叠瓦组件的光利用率比半片组件还要大。 3.4　组件长时间辐照的光致衰减效应 2 上面两节讨论了3种组件对辐照的瞬时响应，辐照时间就是一次常规太阳能测试的时间，一般不足1 s。然而，实际上光伏组件需要在户外环境中长时间工作，并受到长时间的累计辐照，这种累计辐照对组件的影响与瞬时辐照是不同的。光伏组件长时间工作在户外，经过温度和辐照度重复变化等影响，性能会有一定程度的衰减。为了研究光伏组件长时间辐照引起的光致衰减效应，将3种组件放置户外并累计5~20 kWh/m 2 的阳光辐照剂量，随后在AM1.5标准条件下再次测试组件性能。 首先通过测试组件长时间辐照前后的电致发光谱来定性表征其光致衰减效应。电致发光是指由于电场作用而产生的发光现象，可以对光伏组件进行隐裂等缺陷的检测 ［ 19 19 - 20 20 19-20 ］ 。 图6 图6 为把组件放置户外辐照前后拍摄的各组件的电致发光照片。 图6 图6 显示，经过户外辐照后各组件的电致发光图都变灰暗。这种黑白图片灰度的增加代表组件中的电池片被检验出的缺陷密度增加，意味着光伏组件光致衰减的增强。从 图6 图6 （a）可以看出，组件被户外暴晒前后，常规组件内部的电池电致发光照片的平均灰度增加最多；而半片和叠瓦组件的照片灰度增加相对较少，且组件内部电池片之间的灰度差异很小。此结果意味着，经过长时间辐照之后，半片和叠瓦组件的光致衰减效应比常规组件更弱，在长时间辐照下的稳定性更高。 为了进一步定量评估各组件长时间辐照引起的光致衰减效应，再一次测量得到了户外长时间辐照前后3种组件的开路电压、短路电流和最大功率。如 图7 图7 （a）所示，各组件的开路电压均有衰减，随着辐照计量的增加，开路电压最终趋于饱和。辐照20 kWh/m 2 前后，常规、半片和叠瓦组件的开路电压分别衰减2.7%，0.37%和0.12%。各组件的短路电流和最大功率也有和开路电压类似的变化趋势。 图7 图7 （b）和7（c）显示，常规、半片和叠瓦组件的短路电流分别衰减0.85%，0.69%和0.66%，而其最大功率分别衰减1.04%，0.75%和0.62%。由此可知：长时间辐照使常规组件性能的衰减幅度比半片和叠瓦组件都要大，而半片和叠瓦组件有着比常规组件更高的长期辐照稳定性。 半片和叠瓦组件具有更高的长期辐照稳定性，其主要原因包括以下两个方面：（1）组件内部电池片的连接方式以及热斑效应。组件表面长期使用后，由于环境原因会有污渍遮挡，影响电池对光的吸收。长时间污渍积累或其它环境因素会形成热斑，导致组件效率下降。对于常规组件来说，因为内部电池串是串联形式，如果其中一片电池片出现热斑问题，二极管会屏蔽这片电池所在的电池串，只剩下2/3的电池片继续发电。而半片和叠瓦组件内部电池片之间串并联的设计，可以最大程度减小遮挡对组件的影响，剩余更多正常可发电的电池，减弱了热斑效应的影响，从而使最大功率等组件性能的衰减更小 ［ 7 7 ， 21 21 ］ 。（2）抗热疲劳能力。组件经历户外温度梯度循环引起的热应力循环，而产生疲劳破坏的现象，导致组件性能衰减。因其基本单元是整片电池片分割后的小片电池，半片和叠瓦组件的抗热疲劳能力比常规组件更强 ［ 9 9 ］ 。 4 结　论 1 本文比较系统地研究了辐照和温度等环境因素对叠瓦和半片光伏组件电学性能稳定性的影响。在AM1.5标准辐照下，叠瓦和半片组件性能的相对温度系数绝对值均比常规组件有大幅度的降低，代表其电学性能的热稳定性更高。进一步研究发现，辐照度与半片和叠瓦组件性能的热稳定性正相关，弱光下组件的最大功率的热稳定性要比强光下减弱90%以上，而超过AM1.5条件的高辐照度使其电学性能的热稳定性更高。辐照度对半片和叠瓦组件与常规组件的开路电压和最大输出功率的热稳定性比率影响甚微，而对其短路电流的相对温度系数比率影响很大。另外，辐照入射角也影响组件性能。3种组件的光利用率在0~60°内仅减小不到10%，而在60°~90°内急剧衰减到垂直入射的20~30%。另一方面，在0~80°内半片和叠瓦组件的光利用率都要大于常规组件，展现更高的辐照角度稳定性。半片组件光利用率更大的原因是由于半电池之间更大的间距增强了背板处的漫反射和光吸收。叠瓦组件的光利用率更大主要归因于其电池密度和受光面积的大幅度增加。最后，研究了户外环境的长时间累计辐照对组件光致衰减的影响。电致发光谱和组件性能测试验证，户外环境的累计辐照后，半片和叠瓦组件的光致衰减效应比常规组件较弱，半片和叠瓦组件具有更高的长期辐照稳定性。半片和叠瓦组件性能稳定性的提高主要归因于小面积电池导致更强的热机械应力抵抗力、更小的电阻串电流与电阻产生的焦耳热以及内部部分电池并联而减弱的热斑效应。 参考文献 顾学昊 ， 鲁林峰 ， 殷敏 ， 等 . 光伏组件盖板玻璃的结构优化 ［J］. 光学 精密工程 ， 2019 ， 27 （ 4 ）： 756 - 765 . 光伏组件盖板玻璃的结构优化 GU X H ， LU L F ， YIN M ， et al . 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