經(jīng)常聽(tīng)到光伏部件出現(xiàn)種種創(chuàng)新，比如組件實(shí)驗(yàn)室效率24%、量產(chǎn)效率20%，而逆變器轉(zhuǎn)換效率宣稱99%。其中組件效率指的是光電轉(zhuǎn)換效率，逆變器轉(zhuǎn)換效率指的是從其直流輸入轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)交流的工作效率。

大家都知道電站“轉(zhuǎn)換效率”非常關(guān)鍵，因?yàn)樗苯佑绊懙搅税l(fā)電收益。雖然上面提到的兩個(gè)核心部件的轉(zhuǎn)換效率已實(shí)現(xiàn)了跨越式突破，但還是經(jīng)常看到光伏電站的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，從光伏組件直流轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)交流的轉(zhuǎn)換效率卻低至74~80%。即使逆變器轉(zhuǎn)換效率實(shí)際為98%，但是這個(gè)差額18~24%去哪里了?

有人可能懷疑是交直流電纜線損、直流匯流箱或交流配電柜損耗所導(dǎo)致，但是這部分損耗一般僅為1~3%左右，還是解釋不了這么大的能量損失。其實(shí)，站在整體系統(tǒng)的角度考慮，“發(fā)電量損失”的根源正是“組件串聯(lián)的木桶效應(yīng)所導(dǎo)致的失配損失”，木桶效應(yīng)是光伏發(fā)電損失的罪魁禍?zhǔn)?，這也是本文所要討論的核心問(wèn)題。

01光伏組件的伏安特性

當(dāng)前光伏發(fā)電市場(chǎng)的應(yīng)用主流是晶硅組件，包含多晶和單晶。薄膜電池可彎曲性好、弱光發(fā)電能力較強(qiáng)，但相比較之下，晶硅組件性價(jià)比、能量密度更高及長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性更好。所以，晶硅組件也成為本文的主要討論對(duì)象。晶硅組件核心材料是量大價(jià)低的半導(dǎo)體硅，主要由電池片、焊帶、背板、邊框、及內(nèi)含旁路二極管的接線盒等構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 晶硅光伏組件的外形圖

光伏組件內(nèi)部電池片的等效模型如圖2所示，其中Rs為組件串聯(lián)阻抗、Rsh為組件自身阻抗。光伏電池本質(zhì)上是一個(gè)電流源，只是這個(gè)電源流被二極管限定電壓至0.5~0.7V。由于晶硅組件內(nèi)部由多個(gè)電池片串聯(lián)而成，因此組件輸出電壓大約為30~42V。

圖2 光伏組件內(nèi)部電池片的等效模型

基于以上電池片等效模型，可以得到以下光伏電流和電壓之間的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系式。根據(jù)高等數(shù)學(xué)的相關(guān)知識(shí)，從這個(gè)函數(shù)關(guān)系可以清楚看出，這兩者之間是一種非線性關(guān)系。

光照強(qiáng)度直接影響組件輸出電流，以sunpower黑硅單晶組件為例，如圖3所示(https://us.sunpower.com/sites/sunpower/files/media-library/data-sheets/ds-e18-series-225-solar-panel-datasheet.pdf)。光照強(qiáng)度為200w/m2時(shí)，組件電流為1.2A;如果光照強(qiáng)度增大至1000w/m2時(shí)，組件電流相應(yīng)增大至6.0A，從而說(shuō)明組件電流與光照強(qiáng)度成正比，反之亦然。

圖3 光伏組件的伏安特性曲線

由圖3也可看到一個(gè)有趣并且重要的現(xiàn)象，即在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件(STC)下，每種光照條件的伏安特性曲線只有一個(gè)拐點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)就是光伏組件的最大功率點(diǎn)(MPP)。另外，如果STC中的環(huán)境溫度由25C增大至50C時(shí)，同種光照強(qiáng)度下組件電流基本無(wú)變化，但組件電壓會(huì)降低，從而說(shuō)明環(huán)境溫度直接影響光伏組件輸出電壓。

圖4清楚說(shuō)明了晶硅組件的溫度特性：相對(duì)于25Co標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件，溫度每升高1Co，組件電流可增大0.067%，組件開(kāi)路電壓降低0.33%，組件最大功率降低0.43%。從而溫度對(duì)組件電壓影響較大，但對(duì)組件電流影響不大，基本可以忽略不計(jì)，因而溫度每升高1Co，組件MPP電壓降低0.43%。這里插個(gè)題外話，在組串中選擇組件串聯(lián)的個(gè)數(shù)時(shí)，需根據(jù)所選用的組件溫度系數(shù)，仔細(xì)核算低溫下組串電壓不可超過(guò)逆變器的最大輸入電壓。

圖4 晶硅組件的溫度特性

02組件和組串的內(nèi)部串聯(lián)結(jié)構(gòu)

經(jīng)常聽(tīng)到晶硅組件60片、72片的說(shuō)法，這個(gè)實(shí)際講的是組件內(nèi)部電池片串聯(lián)的個(gè)數(shù)，每個(gè)電池片是一個(gè)獨(dú)立的光伏電池單元。如圖5所示，每20片或24片光伏電池對(duì)應(yīng)一個(gè)子串，光伏組件由3個(gè)子串串聯(lián)而成，每個(gè)子串兩端反并聯(lián)一個(gè)旁路二極管，旁路二極管可減輕熱斑效應(yīng)。這3個(gè)子串的輸出線及旁路二極管在組件接線盒中用于電氣連接，再通過(guò)接線盒引出總的正負(fù)兩根出線，也就是光伏組件日常附帶的直流接頭和電纜。

圖4 晶硅組件內(nèi)部的3個(gè)子串及其旁路二極管

以上說(shuō)明了晶硅組件內(nèi)部由3個(gè)子串串聯(lián)而成，其實(shí)當(dāng)前光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏組串也是由多個(gè)組件串聯(lián)而成，如圖5所示。不管是集中式逆變器的直流匯流箱、還是組串式逆變器的直流輸入端，都會(huì)接入光伏組串，組串一般由20~24個(gè)組件串聯(lián)而成。所以，當(dāng)前所有光伏發(fā)電本質(zhì)上都是把多個(gè)電池片串聯(lián)使用，以生成光伏組串的直流高壓，便于逆變器實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)交流發(fā)電。由初中物理知識(shí)可知，電路中不允許多個(gè)電流源串聯(lián)，否則總電流由最小電流的電流源決定。另外在這里偷偷說(shuō)一句，幾個(gè)組串并聯(lián)也存在能量損失，由于線路阻抗的存在，并聯(lián)電壓源的總電壓由最低電壓的電壓源決定。

圖5 多個(gè)組件串聯(lián)的組串式或集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)

03光伏組件的木桶效應(yīng)

參考度娘百科，盛水的木桶是由多塊木板箍成的，盛水量也是由這些木板共同決定的。若其中一塊木板很短，則此木桶的盛水量就被限制，該短板就成了這個(gè)木桶盛水量的“限制因素”(或稱“短板效應(yīng)”)，如圖6所示。若要使此木桶盛水量增加，只有換掉短板或?qū)⑵浼娱L(zhǎng)才行。

圖6 木桶效應(yīng)示意圖

一個(gè)水桶無(wú)論有多高，盛水量取決于其中最短的那塊木板，人們把這一規(guī)律總結(jié)為“木桶原理”或“木桶效應(yīng)”，又稱“短板理論”。其核心內(nèi)容為：一只水桶盛水的多少，并不取決于桶壁上最長(zhǎng)的那塊木塊，而恰恰取決于桶壁上最短的那塊。根據(jù)這一核心內(nèi)容，“木桶效應(yīng)”還有兩個(gè)推論：其一，只有桶壁上的所有木板都足夠高，那水桶才能盛滿水。其二，只要這個(gè)水桶里有一塊不夠高度，水桶里的水就不可能是滿的。

為了讓水桶盡量多裝水，必須要找出薄弱環(huán)節(jié)(短板)，并且改進(jìn)該環(huán)節(jié)把這個(gè)短木板加長(zhǎng)。命苦不能怨政府，幸福的家庭是相似的，而不幸的家庭各有各的不幸。很不幸光伏組件串聯(lián)或內(nèi)部串聯(lián)子串都存在木桶效應(yīng)，甚至可以說(shuō)木桶效應(yīng)已充滿光伏發(fā)電系統(tǒng)中。

由于組件內(nèi)部串聯(lián)子串或組串中多個(gè)組件串聯(lián)的本質(zhì)特性相似，以下以組串為例說(shuō)明。如圖7所示，由3個(gè)光伏組件串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)組串，每個(gè)組件電流相同時(shí)，構(gòu)成組串的總電流也相同，實(shí)際上組串總電流等于每個(gè)組件電流。這種工作狀況下，每個(gè)組件的MPP完全一致，當(dāng)然這是一種非常理想而實(shí)際中并不存在的情形。

圖7 組件MPP一致情況下的組串電氣特性

理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)太骨感。實(shí)際上，組串中每個(gè)組件MPP不可能完全一致，如圖8所示的第3個(gè)組件(PV3)由于種種原因MPP發(fā)生變化，而第1、2個(gè)組件(PV1、2)仍然可實(shí)現(xiàn)MPP。這種情況下如果這3個(gè)組件仍然串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)組串時(shí)，組串的總電流不可能達(dá)到理想數(shù)值，也不可能繼續(xù)最大功率輸出。組串最大輸出功率受逆變器的MPPT算法限制，既可能工作于受電流源串聯(lián)物理原的影響而電流限制在PV3的小MPP電流，也可能工作于PV1、2近似最大功率點(diǎn)而PV3旁路二極管導(dǎo)通的狀態(tài)(即圖8所示)。

圖8 組件MPP不一致情況下的組串電氣特性

04木桶效應(yīng)導(dǎo)致組件失配

上一節(jié)提到，當(dāng)組串中組件PV3的MPP變小時(shí)，組串最大輸出功率受逆變器的MPPT算法限制，既可能工作于受電流源串聯(lián)物理原的影響而電流限制在PV3的MPP，此時(shí)的直觀狀態(tài)是組串電壓高而功率小;也可能工作于PV1、2近似最大功率點(diǎn)而PV3旁路二極管導(dǎo)通的狀態(tài)，此時(shí)的直觀狀態(tài)是組串電壓低而功率大。

為了清楚解釋這個(gè)問(wèn)題，先得從光伏逆變器的內(nèi)部構(gòu)造說(shuō)起。所有類型的光伏逆變器的功率回路由組件或組串、輸入開(kāi)關(guān)、EMI濾波、逆變電路、交流濾波、及輸出開(kāi)關(guān)構(gòu)成，而信號(hào)回路由交直流采樣、驅(qū)動(dòng)電路、LCD顯示、及控制構(gòu)成，如圖9所示。

圖9 光伏逆變器的內(nèi)部構(gòu)造

除了實(shí)現(xiàn)直流-交流功率變換和并網(wǎng)控制外，逆變器的關(guān)鍵功能之一是MPPT跟蹤，其目的是通過(guò)組串電壓擾動(dòng)找到組串的最大功率點(diǎn)。具體控制策略主要使用爬山法、導(dǎo)納法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，當(dāng)前產(chǎn)品化主要使用爬山法。這些MPPT算法可以尋找到光伏組串的最大功率點(diǎn)，但是無(wú)法找到每個(gè)組件的最大功率點(diǎn)，下面以圖10中兩個(gè)組件串聯(lián)為例說(shuō)明。

圖10 兩個(gè)組件串聯(lián)構(gòu)成的一個(gè)組串

這個(gè)組串由兩個(gè)組件串聯(lián)構(gòu)成，兩個(gè)組件分別為I、II，使用第1節(jié)的組件等效模型和數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系式，兩個(gè)組件MPP一致時(shí)，組串電壓分別與組串功率、電流的函數(shù)曲線只有一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，也就是最大功率點(diǎn);但第I個(gè)組件由于種種原因MPP發(fā)生變化，而第II個(gè)組件仍然可實(shí)現(xiàn)MPP時(shí)，組串MPP點(diǎn)出現(xiàn)了雙峰，如圖11所示的A、B點(diǎn)。山峰太多平時(shí)看起來(lái)很壯觀、很漂亮，但是一旦出現(xiàn)在組串上，逆變器的MPPT算法就會(huì)搞暈，既可能呆在A點(diǎn)、也可能留戀B點(diǎn)。A點(diǎn)的電壓低而功率大，實(shí)質(zhì)上是組件I的旁路二極管導(dǎo)通了，不然組件I將承受反向電壓而發(fā)生熱斑效應(yīng)而掛掉，這樣損失了組件I的輸出功率，因?yàn)槠浠蚨嗷蛏龠€是有輸出功率的。而B(niǎo)點(diǎn)的電壓高而功率小，實(shí)質(zhì)上是組串電流等于組件I電流，而組件I電流遠(yuǎn)小于組件II，這樣損失了組件II的部分功率。

圖11 兩個(gè)組件串聯(lián)構(gòu)成的組串電氣特性

光伏逆變器的常規(guī)MPPT算法是從組串的開(kāi)路電壓開(kāi)始跟蹤組串最大功率，因此最有可能的是可以找到B點(diǎn)。近年來(lái)國(guó)外有些老牌廠商也提出了MPPT的多峰算法，有可能可以找到A點(diǎn)，但是這種多峰算法實(shí)際中很少使用。為什么呢?只因?yàn)镸PPT速度太慢，很可能由于使用這個(gè)算法而導(dǎo)致更多的光伏能量損失。

光伏組件MPP變小的直接原因是遮擋，也就是組件的光照強(qiáng)度下降。圖12所示為單個(gè)電池片遮擋對(duì)組件功率影響的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如果單個(gè)電池片的遮擋面積為25%，組件功率損失為8.3%;如果電池片遮擋面積達(dá)到93.5%，組件功率損失為87.3%。這個(gè)木桶效應(yīng)的影響非常大，因?yàn)榻M件內(nèi)部存在60、或72個(gè)電池片，結(jié)果顯示某個(gè)電池片被遮擋，光伏組件基本已經(jīng)沒(méi)有功率輸出，而這個(gè)電池遮擋面積僅占整個(gè)組件的1.55%!

圖12 單個(gè)電池片遮擋對(duì)組件功率的影響

圖13所示為單個(gè)組件遮擋對(duì)組串功率影響的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如果單個(gè)組件的遮擋面積為25%，組串功率損失為12.21%。這個(gè)木桶效應(yīng)的影響非常大，因?yàn)檫@個(gè)組串由20個(gè)組件串聯(lián)構(gòu)成，而這個(gè)組件遮擋面積僅占整個(gè)組串的1%!

圖13 單個(gè)組件遮擋對(duì)組串功率的影響

木桶效應(yīng)是光伏電池串聯(lián)必須導(dǎo)致的結(jié)果，但是從經(jīng)濟(jì)性考慮，組件串聯(lián)提高直流電壓后才可降低電纜、逆變器等造價(jià)。

當(dāng)然創(chuàng)新是無(wú)止境的，國(guó)外也有廠商把晶硅組件采用了類似碲化鎘薄膜組件技術(shù)，把組件內(nèi)部的電池片做成矩陣式結(jié)構(gòu)，如圖14所示。但是這種電池片矩陣式結(jié)構(gòu)雖然消除了電池片級(jí)的木桶效應(yīng)，但是并沒(méi)有改變組件串聯(lián)構(gòu)成組串的悲催現(xiàn)實(shí)，這樣光伏組串仍然存在木桶效應(yīng)而導(dǎo)致組件失配的能量損失。除非把組件串聯(lián)改成并聯(lián)結(jié)構(gòu)，這樣直流母線電壓將會(huì)很低，可以完全消除傳統(tǒng)光伏系統(tǒng)的木桶效應(yīng)問(wèn)題，但會(huì)導(dǎo)致電纜、逆變器的損耗增大、造價(jià)增加。在這里呼吁一下愿意制造這種矩陣式電池片的組件廠，茂碩電氣配合研發(fā)低壓逆變器，我們?cè)谏钲诘饶?br/>

另外，SNEC2017上看到有的組件廠推出了半片技術(shù)，有的也推出了每個(gè)電池片反向并聯(lián)旁路二極管技術(shù)，半片技術(shù)、更多旁路二極管在一定程度上可以減輕木桶效應(yīng)，只是要評(píng)估價(jià)格的增加幅度。

圖14 矩陣式電池片結(jié)構(gòu)的組件并聯(lián)系統(tǒng)

05導(dǎo)致木桶效應(yīng)的根本原因

導(dǎo)致木桶效應(yīng)的根本原因基本上可以分為兩類：

一個(gè)是因?yàn)榻M件本身原因

另一個(gè)是使用組件的外部環(huán)境

一般人比較關(guān)注光伏組件的衰減和老化及制造過(guò)程的離散性，比如很多組件廠承諾頭兩年衰減不超過(guò)2%，10年內(nèi)不超過(guò)10%，25年不超過(guò)20%。但是據(jù)統(tǒng)計(jì)，頭兩年衰減在2%以內(nèi)的光伏組件基本很少。

另外，標(biāo)稱功率偏差也是光伏組件的一個(gè)重要參數(shù)，一般±3%以內(nèi)是可以接受的，當(dāng)然大廠做得更好也更有擔(dān)當(dāng)，只有正偏差而沒(méi)負(fù)偏差。這個(gè)參數(shù)也說(shuō)明，雖然組件的標(biāo)稱參數(shù)相同，但實(shí)際上輸出功率曲線卻有差異。但是更重要的是，每個(gè)電池片、組件的衰減速度、老化程度及功率偏差不可能完全相同，因此這樣的電池片串聯(lián)構(gòu)成組件、這樣的組件串聯(lián)構(gòu)成組串必然存在木桶效應(yīng)。比如，60個(gè)電池片串聯(lián)時(shí)，其中某個(gè)電池片提前老化了，那么就會(huì)造成整個(gè)組件的功率失配損失;20個(gè)組件串聯(lián)時(shí)，其中某個(gè)組件功率是負(fù)偏差，雖然其他組件功率都是正偏差，這樣也會(huì)造成整個(gè)組串的功率失配損失。

與組件本身原因相比較，使用組件的外部環(huán)境更加復(fù)雜，并且更容易導(dǎo)致木桶效應(yīng)，而光伏電池串聯(lián)系統(tǒng)容易發(fā)生木桶效應(yīng)，其直接原因是組件內(nèi)部每個(gè)電池片、或組串內(nèi)部每個(gè)組件的光照不均勻?qū)е碌妮敵龉β什幌嗤Ｈ鐖D15所示，存在太多的外部環(huán)境容易使電池片、或組件之間的光照不均勻，比如屋頂發(fā)電的女兒墻對(duì)電池片、組件的部分遮擋;地面電站前后排組串的陰影;光伏組件表面的灰塵、積雪、臟污不一致;地面電站組件旁邊的雜草;光伏組件的傾角不一致;組件老化不均勻;同一處光伏電站所使用的組件溫度還有可能不一樣;當(dāng)然天上的朵朵白云也導(dǎo)致組件光照不一致。

圖15 導(dǎo)致木桶效應(yīng)的外部環(huán)境

因此，導(dǎo)致木桶效應(yīng)的部分原因是可以解決的，比如陰影、雜草遮擋等，甚至現(xiàn)在組件出廠時(shí)還可以分級(jí)篩選，把性能相近的組件歸到同一組串，但是這種措施沒(méi)考慮到幾年后組件的不均勻老化問(wèn)題。但是，更多導(dǎo)致木桶效應(yīng)的原因卻難以解決，比如人們還控制不了云彩，也不可能讓灰塵和積雪完全一致，更關(guān)鍵的是無(wú)法達(dá)到相同的組件衰減率。

06總結(jié)

為什么一再旗幟鮮明地不看好當(dāng)前1500Vdc光伏系統(tǒng)呢，原因是沒(méi)改變組件內(nèi)部的電池片串聯(lián)結(jié)構(gòu)，主要是1500Vdc組串中組件串聯(lián)的數(shù)量更多了，進(jìn)一步提高了木桶效應(yīng)出現(xiàn)的機(jī)率，并且組串MPP點(diǎn)出現(xiàn)山峰更多，從而木桶效應(yīng)變得更加嚴(yán)重。

匯總?cè)膬?nèi)容，其實(shí)歸根結(jié)底就是以下幾句話：

1)、光伏組件由多個(gè)電池片串聯(lián)構(gòu)成，組件內(nèi)部存在木桶效應(yīng);

2)、光伏組串由多個(gè)組件串聯(lián)構(gòu)成，組串內(nèi)部存在木桶效應(yīng);

3)、造成光伏木桶效的根因部分容易處理，而更多的外部因素?zé)o法解決;

4)、矩陣化電池片的組件并聯(lián)技術(shù)可消除木桶效應(yīng)，但需評(píng)估效率和成本;

5)、電池半片、更多旁路二極管可減輕木桶效應(yīng)，但需評(píng)估成本和工藝;

木桶效應(yīng)所導(dǎo)致的組件失配會(huì)造成發(fā)電收益降低，并且降低的幅度高達(dá)18~24%。本來(lái)組件的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)夠低了，就這么低的直流電力還不能實(shí)現(xiàn)全部的并網(wǎng)發(fā)電，即使逆變器轉(zhuǎn)換效率高達(dá)98、99%也是枉然。

從根本上說(shuō)，木桶效應(yīng)的本質(zhì)是低的組件利用率，而組件利用率既不是組件廠的技術(shù)范疇，傳統(tǒng)逆變器公司也是無(wú)能為力，可以說(shuō)還是一個(gè)空白區(qū)。為了提高組件利用率、消除木桶效率，優(yōu)化器、微逆是其中切實(shí)可行的改進(jìn)措施，并且這個(gè)是咱們電力電子人可以做的事情，也是本系列后續(xù)重點(diǎn)討論的內(nèi)容。