目前，光伏技術已經從最初的理念研究邁入了蓬勃發展的產業化階段，光伏產業已成為我國可參與國際競爭並取得領先優勢的產業之一，並且金融市場對光伏電站的投資熱度也在日益增加［1-3］。然而，作為光伏電站的重要組成部分，光伏元件在戶外的發電效能往往不如室內標定的結果，這主要是受到元件本身材料的老化、元件工作溫度、太陽輻射強度、元件表面反射率，以及專案所在地的氣候條件變化等因素的影響［4-6］。為了能儘快發現光伏元件效能的衰減情況，提高光伏發電系統的發電效率，有必要透過戶外測試系統對光伏元件進行長期監測。國外在光伏元件戶外測試系統方面的研究開展得較早，也較為深入［7-10］。隨著光伏元件的戶外發電效能評價和可靠性評估受到電站投資者的強烈關注，我國作為光伏產業大國，對於光伏元件的戶外測試系統的研究也勢在必行。
荷蘭國家能源中心 （ECN） 開發了硼前發射極n 型雙面晶矽太陽電池的產業化技術，採用硼磷共擴散工序製備了雙面晶矽太陽電池。近年來，高效電池的研究層出不窮，並且基本上都利用了雙面製備工藝［11-15］。全球生產n 型雙面晶矽太陽電池的企業主要有日本的日立、韓國的LG 及中國的英利集團；近年來，蘇州中來光伏新材股份有限公司（ 下文簡稱“中來股份”）、上海航天汽車機電股份有限公司、天合光能股份有限公司等眾多光伏企業都相繼展開了n 型雙面晶矽太陽電池的研發與產業化。日本學者曾對HIT 太陽電池的雙面發電能力進行過系統的研究，但目前光伏市場上主推的n 型雙面晶矽光伏元件，尚缺乏不同場景下n 型雙面單晶矽光伏元件的戶外實證發電效能和衰減研究，以及其較單面單晶矽光伏元件發電量增益的資料證明。
本文針對p型PERC單面單晶矽光伏元件（ 下文簡稱“單面元件”） 和n 型雙面單晶矽光伏元件（ 下文簡稱“雙面元件”），利用中國科學院上海微系統與資訊科技研究所新能源技術中心（ 下文簡稱“新能源技術中心”） 搭建的光伏元件的戶外實證測試系統，測試了從2016 年12 月15日～2018 年7 月20 日期間，放置於上海市嘉定區某屋頂上的單面元件和雙面元件的等效發電時長，以及不同地面背景時雙面元件較單面元件的發電量增益情況；計算了光伏發電系統的PR 值；分析了陰天和晴天時影響光伏元件最大輸出功率的因素；並對單面元件和雙面元件執行13 個月後的衰減情況進行了對比。
1 測試條件
1.1 單面和雙面元件的資訊
本次研究所用的元件主要是由中來股份生產的雙面元件（ 透明背板） 和單面元件。測試元件共3 組，其中，雙面元件2 組，單面元件1組；每組為3 塊元件，將3 塊元件串聯成1 個組串，形成3 個組串用於測試。2 種元件均安裝在上海市嘉定區某屋頂（121。27°E，31。38°N） 上，安裝時的最下沿離地高度均為30 cm、傾角均為28°、朝向均為朝南。利用新能源技術中心搭建的光伏元件戶外實證測試系統對2 種元件進行發電量測試。
1.2 新能源技術中心搭建的光伏元件戶外實證測試系統介紹
本光伏元件戶外實證測試系統是根據IEC61215［16］ 等標準建立的，主要用於測試光伏元件長期在戶外的工作情況，可以透過不同環境下元件相應的電學引數來判斷元件真實的發電能力與衰減狀況。該測試系統的結構圖和實物圖如圖1所示。
本測試系統可用於光伏陣列的測試，共有24 個通道，每個通道容許的電壓範圍為100 ～400 V；通道內的元件採用串聯的方式連線成組串，每個組串連線1 個轉換接線盒；每6 個轉換接線盒連線1 個集線器，用於收集直流端電流；每個集線器連線1 臺組串式逆變器，將直流電轉換為交流電，共有4 臺逆變器；I-V 資料採集器用於收集直流端資料，除此之外，其一端還連線氣象站（ 包括傾斜輻照計、水平輻照計、風速監控儀、溫溼度監控儀、雨量監測儀、氣壓計）。
本測試系統的技術特點為：光伏陣列可透過陣列選擇器在組串式逆變器與I-V 資料採集器間切換測試，既能模擬真實的併網環境，又能準確測試元件的實際發電效能；組串式逆變器的使用可以解決不同陣列共同併網的問題，並提高元件在切換過程中恢復到正常工作狀態時的時間；I-V 資料採集器為阻性，可測試大功率光伏陣列，1臺I-V 資料採集器可拓展測試48 個通道的I-V 資料。
2 測試過程
2.1 元件安裝方式
2016 年12 月15 日～2018 年7 月20 日的測試周期可分為3 個測試階段。其中，第1 個測試階段為2016 年12 月15 日～2017 年4 月11 日，第2 個測試階段為2017 年4 月13 日～2017 年8月8 日，第3 個測試階段為2017 年8 月10 日～2018 年7 月20 日。在每個測試階段內，通道U01C03、U01C04 和U01C05 中的元件型別分別為雙面元件、單面元件和雙面元件，但地面背景、元件安裝方式和支架型別有所不同。3 個測試階段內的地面背景、元件安裝方式及支架型別的具體情況如表1和圖2 所示。
2.2 組串等效發電時長和發電量增益的計算
元件的等效發電時長可以反映其發電量情況。等效發電時長的計算式為：
式中，∫Pmax 為光伏組串1 天的總髮電量，Pnominal 為對應組串的額定功率。由於不同地面背景的地面反射率不同，雙面元件的發電量也會不同。本次測試中涉及到的地面背景主要為水泥背景和白板背景，其中，水泥背景的反射率為2%，白板背景的反射率為53%。下文對3 個測試階段中， 通道U01C03、U01C04和U01C05內組串的平均等效發電時長，以及雙面元件較單面元件的發電量增益情況進行分析。由於通道U01C03 和U01C05 均採用雙面元件，通道U01C04 採用單面元件，因此雙面元件較單面元件的發電量增益情況可分別透過通道內組串的等效發電時長來計算，即：
2。2。1 第1 個測試階段
2016 年12 月15 日～2017 年4 月11 日期間，3 個通道內組串的等效發電時長情況如圖3 所示。圖3 中， 通道U01C04、U01C03 和U01C05 的平均等效發電時長分別為3。07、3。18 和3。47 h。由此可知，在支架均為2 根C 型鋼上下安裝時，水泥背景和白板背景下雙面元件的發電量均高於水泥背景下單面元件的；而且由於白板背景的反射率大於水泥背景，雙面元件接收到的反射光更強，因此白板背景下雙面元件的平均等效發電時長較水泥背景下雙面元件的高。
圖4 為第1 個測試階段中，雙面元件較單面元件的發電量增益情況。由圖可知，通道U01C03中雙面元件較通道U01C04 中單面元件的發電量增益為1。35%～10。43%，增益的平均值為5。26%；通道U01C05 中雙面元件較通道U01C04 中單面元件的發電量增益為12。13%～21。55%，增益的平均值為15。33%。通道U01C05 中的雙面元件發電量增益大於通道U01C03中的雙面元件。由此可見，在支架均為2 根C 型鋼上下安裝時，雙面元件在白板背景時的發電量增益比在水泥背景時大。
2。2。2 第2 個測試階段
2017 年4 月13 日～2017 年8 月8 日期間，3 個通道內組串的等效發電時長情況如圖5 所示。從圖5 可以看出，通道U01C04、U01C03 和U01C05 的平均等效發電時長分別為4。30、4。47 和4。80 h。由此可看出，在支架均為2 根C 型鋼中間安裝時，水泥背景下和白板背景下雙面元件的發電量均高於水泥背景下單面元件的，白板背景下雙面元件的發電量較水泥背景下雙面元件的高。
圖6 為第2 個測試階段中，雙面元件較單面元件的發電量增益情況。由圖可知，通道U01C03中雙面元件較通道U01C04中單面元件發電增益為1。76%～6。68%，增益的平均值為4。44%；通道U01C05中雙面元件較通道U01C04中單面元件的發電量增益為9。29%～14。88%，增益的平均值為12。65%。通道U01C03 中的雙面元件的發電量增益小於通道U01C05 中雙面元件的。由此可見，在支架均為2 根C 型鋼中間安裝時，雙面元件在白板背景下的發電量增益比在水泥背景下的大，這與第1 個測試階段的結果類似。但是由於2 個測試階段中支架型別不同，對2 個測試階段中不同元件的發電量進行對比後可以發現，無論是水泥背景還是白板背景，第2 個測試階段中雙面元件較單面元件的發電量增益均比第1 個測試階段中的發電量增益小。這可能是由於2 根C 型鋼中間安裝時較上下安裝時對雙面元件背面產生的遮擋影響大，背面發電量降低的程度大，從而導致支架採用2 根C 型鋼中間安裝時的雙面元件較單面元件的發電量增益比支架採用2 根C型鋼上下安裝時的有所下降。由此可知，支架採用2 根C 型鋼上下安裝時更利於發揮雙面元件雙面發電的優勢。
2。2。3 第3個測試階段
2017 年8 月10 日～2018 年7 月20 日期間，3 個通道內組串的等效發電時長情況如圖7 所示。圖7 中通道U01C04、U01C05 和U01C03 的平均等效發電時長分別為3。33、3。72 和3。81 h。由此可知，雙面元件的發電量明顯高於單面元件；而且由於雙玻支架對元件背面無遮擋，所以通道U01C03 中雙面元件的發電量較通道U01C05中支架採用2 根C 型鋼上下安裝的雙面元件的發電量高。
圖8 為第3 個測試階段中，雙面元件較單面元件的發電量增益情況。由圖可知，通道U01C03中雙面元件較通道U01C04中單面元件的發電量增益為2。97%～29。19%，增益的平均值為16。02%；通道U01C05 中雙面元件較通道U01C04中單面元件的發電量增益為8。54%～16。67%，增益的平均值為11。88%。由此可見，雙面元件採用雙玻支架時的發電量增益比採用兩根C 型鋼上下安裝的支架時的大。這主要是因為雙玻支架對雙面元件背面不形成遮擋，從而使雙面元件可以獲得更高的發電量。由此可知，雙玻支架更利於發揮雙面元件雙面發電的優勢。
2。3 PR 值的計算
光伏發電系統的發電效率（PR） 可以直接體現出系統的效能。PR 的計算式為：
式中，∫G 為某地點或位置1 天的總太陽輻照量，Gnominal 為標準太陽輻射強度，取1000 W/m2；Pm 為元件的輸出功率。在2017 年8 月10 日～2018 年7 月20 日期間，通道U01C03 改用雙玻支架後，通道U01C03、U01C04 和U01C05 中組串的PR 值如圖9 所示。由於目前國際和國內暫無計算雙面元件PR 值的標準，因此在計算雙面元件PR 值時，額定功率只代入元件正面的額定功率，但輸出功率代入的卻是雙面的，所以雙面元件的PR 值會出現大於1 的情況。通道U01C03、U01C04 和U01C05內組串的平均PR 值分別為1。06、0。93 和1。04，與前文該階段中組串等效發電時長、發電量增益的計算結果的趨勢一致，從而佐證了雙玻支架的優勢。
2.4 不同天氣狀況時單面元件最大輸出功率與背
板溫度、太陽輻照度和環境溫度的關係曲線以2016 年2 月22 日這一天作為陰天的代表。圖10 為陰天時元件最大輸出功率與背板溫度、太陽輻照度和環境溫度的關係曲線。由圖10a 可知，背板溫度的變化範圍在5～12 ℃，元件在中午前後最大輸出功率相對較高，背板溫度隨時間的推移逐漸下降，與元件最大輸出功率之間並無規律性的關係。這可能是由於陰天時太陽輻照度較小，背板溫度上升不明顯，5～12 ℃的變化範圍不至於造成p-n 結升溫對元件發電特性的影響，所以觀測不到發電量隨背板溫度的變化規律。
由圖10b 可知，陰天時太陽輻照度很弱，在正午左右太陽輻照度相對較高，對應的元件最大輸出功率值最大，最大輸出功率值的變化情況與太陽輻照度的變化情況相似。由圖10c 可知，陰天時環境溫度的變化範圍在5～13 ℃，元件在中午前後的最大輸出功率值最大，環境溫度隨時間的推移逐漸下降，與元件最大輸出功率之間並無規律性的關係。這可能是由於陰天時太陽輻照度較低，環境溫度上升不明顯，所以觀測不到最大輸出功率隨環境溫度的變化情況。
選取2017 年3 月6 日這一天作為晴天的代表。圖11 為晴天時元件最大輸出功率與背板溫度、太陽輻照度和環境溫度的關係曲線。如圖11a 所示，晴天時，背板溫度的變化範圍在5～50 ℃，由於太陽輻照量的增加會使元件最大輸出功率和背板溫度同時提高，所以元件最大輸出功率與背板溫度的變化均隨時間的變化而變化。
如圖11b 所示，晴天時正午左右的太陽輻照度最高，對應的元件最大輸出功率最大，最大輸出功率的變化情況和太陽輻照度的變化情況相似。由圖11c 可知，晴天時環境溫度的變化範圍在7～25 ℃，正午左右的太陽輻照度最高，對應的元件最大輸出功率最大，元件最大輸出功率的變化情況和環境溫度的變化情況相似。
2.5 單面元件和雙面元件的衰減對比
本次測試中的光伏元件最早安裝於2016 年12 月15 日，分別選取通道U01C03、U01C04 和U01C05 中未曝曬前的元件各1 塊，在STC 條件下（ 即太陽光譜為AM1。5、太陽輻射強度為1000W/m2、室內溫度為25℃時），利用WACOM 長脈衝模擬器，測試3 塊元件的初始效能。測試過程為：採用PVM-module 作標準電池，利用AM1。5 的光譜、WACOM 模擬器的光譜、PVMmodule的光譜響應和多晶矽mini-module 的光譜響應（ 近似代替中來股份的單晶矽元件的光譜響應） 計算出標準電池與多晶矽mini-module 的失配因子，為0。99852；進而計算出電流校準值，利用該值校準模擬光強，並進行測試。測試時根據IEC 60904-1-2 的規定，用黑布擋住雙面元件背面，只測試元件正面。
所有元件於2018年1月11日在室內重新進行了標定，兩次室內標定方式不變，標定結果的變化值如表2 所示。
從表2 可以看出，通道U01C03 （ 雙面元件）、U01C04 （ 單面元件） 和U01C05 （ 雙面元件） 的功率衰減率分別為0。75%，0。86% 和0。29%，這與文獻報道的光伏元件首年衰減2。5%，以後每年衰減0。7% 的結論相差較遠，說明本批次元件的質量較為優異。此外，從表中還可以看出，雙面元件的功率衰減率低於單面元件，這是因為摻硼單晶矽 （p 型矽） 在光照條件下生成硼氧複合體，引起少子壽命下降，最終導致太陽電池的功率下降，而n 型單晶矽少子壽命長，元件的衰減較慢造成的。
3 結論
本文利用新能源技術中心搭建的光伏元件戶外實證測試系統，在2016 年12 月15 日～2018年7 月20 日期間，對放置於上海市嘉定區某屋頂的單面元件和雙面元件進行了測試，得到以下結論：
1） 2016 年12 月15 日～2017 年4 月11 日期間，通道U01C04、U01C03 和U01C05 中組串的平均等效發電時長分別為3。07、3。18 和3。47 h。該測試階段中，在支架均採用2 根C 型鋼上下安裝時，水泥背景下雙面元件較水泥背景下單面元件的發電量增益為1。35%～10。43%，增益的平均值是5。26%；白板背景下雙面元件較水泥背景下單面元件的發電量增益為12。13%～21。55%，增益的平均值為15。33%。
2） 2017 年4 月13 日到2017 年8 月8 日期間，通道U01C04、U01C03 和U01C05 中組串的平均等效發電時長分別為4。30、4。47 和4。80 h。該測試階段中，在支架均採用2 根C 型鋼中間安裝時，地面背景均為水泥背景時，雙面元件較單面元件的發電量增益為1。76%～6。68%，增益的平均值為4。44%；白板背景時雙面元件較水泥背景時單面元件的發電量增益為9。29%～14。88%，增益的平均值為12。65%。
3） 2017 年8 月10 日到2018 年7 月20 日期間，通道U01C04、U01C05 和U01C03 中組串的平均等效發電時長分別為3。33、3。72 和3。81 h。該測試階段下，採用雙玻支架的雙面元件較支架採用2 根C 型鋼中間安裝的單面元件的發電量增益為2。97%～29。19%，增益的平均值為16。02%；採用2 根C 型鋼上下安裝支架的雙面元件較採用2 根C 型鋼中間安裝的支架的單面元件的發電量增益為8。54%～16。67%，增益的平均值為11。88%。雙面元件採用雙玻支架時發電量增益更大。
4） 2017 年8 月10 日～2018 年7 月20 日期間，通道U01C03、U01C04 和U01C05 中組串的平均PR 值分別為1。06、0。93 和1。04。
5）陰天時，元件最大輸出功率的變化與背板溫度的變化之間無規律性關係，與太陽輻照度的變化情況相似，而與環境溫度的變化之間也無規律性的關係。
6）晴天時，元件最大輸出功率與背板溫度均隨時間的變化而變化，且變化規律相似；元件最大輸出功率的變化與太陽輻照度和環境溫度的變化情況相似。
7） 執行13 個月後，U01C03（ 雙面元件）、U01C04 （ 單面元件） 和U01C05 （ 雙面元件） 中的元件功率衰減分別為0。75%、0。86% 和0。29%。
中國科學院上海微系統與資訊科技研究所
劉正新 高兵
蘇州中來民生能源有限公司
相海濤 趙潔
