光伏組件加速老化衰減測(cè)試研究

:以西北荒漠地區(qū)組件運(yùn)行所處環(huán)境條件為依據(jù)，通過比對(duì)不同方法下組件加速老化的結(jié)果，對(duì)組件25 年內(nèi)壽命進(jìn)行分析研究。

1.光伏組件加速老化實(shí)驗(yàn)條件分析

一般而言，不論是高分子材料老化分析或是半導(dǎo)體加速老化分析，都會(huì)引用IUPAC(InternationalUnion of Pure and Applied Chemistry) 所定義的阿倫尼烏斯方程(Arrhenius)[2]，其原本是用來定義反應(yīng)速率的方程式，但進(jìn)一步整理后可作為加速老化實(shí)驗(yàn)分析方程式：

式中，Af 為加速老化因子;E 為活化能;K為波茲曼常數(shù)(8.623×10-5 eV/K);Tn 為待測(cè)物品正常工作溫度;Ta 為待測(cè)物品加速老化實(shí)驗(yàn)溫度。

從上述方程可以看到，半導(dǎo)體材料的加速老化因子與加速老化實(shí)驗(yàn)溫度、活化能等有關(guān)，通常加速老化實(shí)驗(yàn)溫度越高，其加速老化因子越大;且活化能越大，加速老化因子也越大。對(duì)光伏組件加速老化而言，通常綜合老化實(shí)驗(yàn)箱溫度越高，其組件衰減越快;而輻照強(qiáng)度越大( 增加活化能)，其組件衰減越快。

光伏組件的加速老化衰減情況與綜合老化箱的溫度、輻照有關(guān)，為此，們開展了3 組組件加速老化實(shí)驗(yàn)：第1 組為相同濕度、相同輻照強(qiáng)度、不同溫度的環(huán)境對(duì)組件的老化實(shí)驗(yàn);第2 組為相同溫度、相同濕度、不同輻照強(qiáng)度的環(huán)境對(duì)組件的老化實(shí)驗(yàn);第3 組為以西北荒漠地區(qū)典型氣候環(huán)境為依據(jù)進(jìn)行的模擬老化實(shí)驗(yàn)。

2.實(shí)驗(yàn)

2.1不同溫度下的衰減實(shí)驗(yàn)

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程保障實(shí)驗(yàn)的輻照和濕度條件不變，采用不同的溫度參數(shù)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的實(shí)驗(yàn)條件如下：輻照強(qiáng)度為3000 W/m2，濕度在40%～80% 之間循環(huán)，分別將3 塊組件恒定在溫度為60 ℃、70 ℃及80 ℃下進(jìn)行3 組實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)組件在不同溫度下表現(xiàn)出了不同的衰減特性，如圖2 所示。從圖2 可以看出，對(duì)比組件在60 ℃、70 ℃及80 ℃ 3 個(gè)溫度下的衰減曲線，發(fā)現(xiàn)組件在初期階段衰減率較快，之后以較為穩(wěn)定的速率繼續(xù)衰減;但組件并不是在80 ℃的輻照下衰減速率最快，而是在70 ℃。課題組分析認(rèn)為，在80 ℃條件下，有可能因?yàn)闇囟忍?，?dǎo)致組件存在退火現(xiàn)象而使衰減的功率重新提升。

2.2不同輻照強(qiáng)度的衰減實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)條件：保證70 ℃恒溫，濕度保持在40%～80% 之間循環(huán)，分別將3 塊組件恒定在1000 W/m2、3000 W/m2、4000 W/m2 的輻照強(qiáng)度下對(duì)組件進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

從圖3 可以看出，在3000 W/m2 的輻照強(qiáng)度下，組件初始功率衰減的最快;其次為1000 W/m2 時(shí);而在4000 W/m2 下，并非如預(yù)想是衰減最快的一組，反而在其他組件發(fā)生衰減的同時(shí)幾乎保持功率不變。分析認(rèn)為，這種現(xiàn)象與材料自身的特性有關(guān)，組件生產(chǎn)廠家一般會(huì)將層壓工藝的EVA 交聯(lián)度控制在80%～90% 之間，以更好的發(fā)揮EVA 的封裝性能，可保證組件具有良好的耐候性與可靠性。但大量研究表明，由于EVA 內(nèi)含有紫外交聯(lián)劑，初始交聯(lián)度低的EVA在老化后會(huì)繼續(xù)交聯(lián)，提高了透光率，使得功率升高。但隨著交聯(lián)度的升高與長(zhǎng)時(shí)間的輻照，使得EVA 發(fā)生光降解反應(yīng)，三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)發(fā)生了鏈斷，物理粘結(jié)點(diǎn)變少，導(dǎo)致EVA 的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率在紫外輻照的前后均出現(xiàn)急劇下降，EVA 與玻璃/ 背板的剝離強(qiáng)度亦有明顯下降;加之組件在一個(gè)密閉空間，自身散熱較差，而對(duì)組件直接產(chǎn)生了破壞作用。

2.3加速老化模擬實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，光伏組件在70 ℃恒溫和3000 W/m2 的輻照強(qiáng)度下，其衰減特性與戶外測(cè)試結(jié)果更為吻合，因此采用如圖4 所示的實(shí)驗(yàn)條件：70 ℃恒溫、濕度保持在40%～80% 之間循環(huán)、 3000 W/m2 的輻照強(qiáng)度，開展光伏組件的加速老化模擬實(shí)驗(yàn)。

為了更好的尋找組件在綜合實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)的老化規(guī)律，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，每隔一定時(shí)間對(duì)組件功率進(jìn)行測(cè)試，整體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

3.結(jié)論

1) 組件在綜合老化箱的衰減趨勢(shì)與NERL戶外組件長(zhǎng)期測(cè)試衰減規(guī)律相似，都是在組件初期經(jīng)過一個(gè)快速衰減，然后在運(yùn)行后期以一個(gè)較為緩慢速率衰減，而且后期的衰減基本以穩(wěn)定的速率勻速進(jìn)行。因此可以推斷，組件原輔材料在其有效年限內(nèi)的衰減率是線性的。

2)光伏組件的功率衰減與短路電流的衰減基本一致，而在后期衰減過程中開路電壓基本保持不變，這表明組件的后期老化衰減主要與材料的光學(xué)損失有關(guān)。

原標(biāo)題:光伏組件加速老化衰減測(cè)試研究