單晶組件使用20年 其功率衰減如何了？

:摘要：選取在我國(guó)已經(jīng)使用20年、質(zhì)量可靠的一批單晶組件, 對(duì)其使用壽命末期的功率衰減情況進(jìn)行分析研究.對(duì)132塊1996年Siemens Solar生產(chǎn)的單晶組件SM55,進(jìn)行EL以及功率的相關(guān)測(cè)試, 發(fā)現(xiàn)其功率平均衰減為26.7%, 年平均衰減率為1.54%;采用簡(jiǎn)單的線性擬合函數(shù)方法, 對(duì)功率的衰減與電流的衰減及填充因子的衰減進(jìn)行擬合, 發(fā)現(xiàn)功率的減少主要由填充因子的減少造成;研究分析組件電池片中隱裂和碎片的分布規(guī)律, 發(fā)現(xiàn)隱裂和碎片不是引起組件功率衰減的主要因素;結(jié)合組件之前服役的環(huán)境條件, 分析推斷組件功率衰減主要來(lái)源于串聯(lián)電阻的增加.

（來(lái)源：微信公眾號(hào)“光伏測(cè)試網(wǎng)”ID：TestPV）

引言

近年來(lái)，隨著國(guó)家政策對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)的大力支持，光伏發(fā)電逐漸成為混合電力系統(tǒng)的穩(wěn)定組成部分．光伏組件的質(zhì)保壽命一般在20～30年，組件的可靠性和耐用性直接決定光伏系統(tǒng)的整體性能．光伏組件實(shí)際使用壽命如何?組件質(zhì)保壽命間的功率衰減如何?這都需要大量的實(shí)證性數(shù)據(jù)作為支撐．

對(duì)32家主流光伏組件進(jìn)行了戶外老化測(cè)試，分析了兩個(gè)自然年內(nèi)組件衰減情況，并依據(jù)NERL實(shí)驗(yàn)室提出的組件功率衰減與時(shí)間成線性關(guān)系的模型，模擬出這些組件在25年的功率衰減率在8%～14%．文獻(xiàn)[4]以西北荒漠地區(qū)組件運(yùn)行所處環(huán)境條件為依據(jù)，對(duì)光伏組件進(jìn)行加速老化模擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)組件在老化箱的衰減趨勢(shì)與NERL戶外組件長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)衰減規(guī)律一致．文獻(xiàn)[5]采取濕-凍加速試驗(yàn)分析其失效模式，并提出了濕-凍加速試驗(yàn)條件下的光伏組件威布爾 (Weibull) 壽命分布模型．通過(guò)軟件模擬計(jì)算和加速老化試驗(yàn)，對(duì)預(yù)測(cè)光伏組件穩(wěn)定性和可靠性有重要意義，但其并不能完全準(zhǔn)確地反映光伏組件在服役過(guò)程中的真實(shí)衰減情況．

本文選取在我國(guó)運(yùn)行時(shí)間最早、產(chǎn)品質(zhì)量可靠的一批單晶組件，對(duì)其壽命末期功率的衰減情況進(jìn)行研究，探索分析造成組件功率衰減的主要原因．這些單晶組件已在戶外實(shí)際發(fā)電運(yùn)行20年，其在使用壽命末期的實(shí)證性數(shù)據(jù)將對(duì)組件衰減機(jī)理的研究及建模具有一定的參考價(jià)值．

1 Siemens Solar單晶組件

Siemens Solar單晶組件SM55于1996年生產(chǎn)，1997年安裝于深圳沿海地區(qū) (距離海洋不到500m) ，總計(jì)2051塊．2014年由順德中山大學(xué)太陽(yáng)能研究院全部收集，用于組件衰減相關(guān)研究．其中的132塊組件于2016年1月份又重新安裝于信陽(yáng)師范學(xué)院，作為暖溫帶組件戶外衰減實(shí)證基地，主要用來(lái)研究暖溫季風(fēng)氣候條件下舊組件的再使用壽命以及末期衰減規(guī)律．到2018年，這批單晶組件戶外正常運(yùn)行已有20年，使用年限接近25年商業(yè)質(zhì)保，目前組件仍能繼續(xù)正常工作，未出現(xiàn)影響安全使用的問(wèn)題．

這批單晶組件外觀 (圖1a) 良好，表面無(wú)損傷，EVA無(wú)變色，接線盒完好，部分組件引出線因MC4接頭損壞已被換新，組件背板無(wú)損傷及鼓泡．但組件存在一些外觀缺陷: (1) 玻璃表面附著一層沖洗不掉的污漬 (圖1b) ， (2) 焊帶附近有白斑，可能是EVA氣泡或助焊劑脫落 (圖1c) ， (3) 背板粉化 (圖1d) ， (4) 鋁邊框有明顯鹽霧腐蝕 (圖1e) ．缺陷 (1) 和 (2) 會(huì)引起光學(xué)損失影響組件的輸出性能，缺陷 (3) 和缺陷 (4) 可能會(huì)影響組件的安全使用性能．

2 組件內(nèi)部缺陷及功率衰減

2.1 組件EL測(cè)試

戶外運(yùn)行的組件由于受到搬運(yùn)、安裝、施工等人工因素或者周圍環(huán)境溫度驟變的影響，通常會(huì)造成兩種內(nèi)部缺陷:隱裂和碎片，但這兩種缺陷一般肉眼觀察不到，只能通過(guò)太陽(yáng)能組件EL缺陷檢測(cè)儀才能檢測(cè)出來(lái)．2018年EL測(cè)試發(fā)現(xiàn)，132塊組件中隱裂組件有38塊，碎片組件有21塊，分別占組件總數(shù)量的28.8%和15.9%．進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)隱裂和碎片區(qū)域及對(duì)應(yīng)的組件數(shù)量，隱裂和碎片區(qū)域劃分為2個(gè)區(qū)域 (如圖2所示) ，兩種區(qū)域內(nèi)隱裂和碎片組件數(shù)量如表1.

單晶組件SM55共有36片電池，區(qū)域1內(nèi)電池片數(shù)量是26片，區(qū)域2內(nèi)是10片，若隱裂或碎片在每片電池內(nèi)出現(xiàn)的概率一致，則區(qū)域1和區(qū)域2內(nèi)出現(xiàn)隱裂或碎片組件數(shù)量比應(yīng)接近于26∶10但由表1可知，區(qū)域1和區(qū)域2內(nèi)隱裂組件數(shù)量比為26∶12，碎片組件數(shù)量比為14∶7，都小于26∶10，這說(shuō)明隱裂或碎片的位置容易發(fā)生在區(qū)域2內(nèi)，也就是說(shuō)組件中間部位的電池片在受到外力因素或環(huán)境溫度影響下更容易出現(xiàn)隱裂或碎片．

進(jìn)一步分析組件隱裂和碎片的情況，發(fā)現(xiàn)隱裂造成的失效面積不超過(guò)每片電池面積的1/8，碎片造成的失效面積不超過(guò)1/4，并且組件中隱裂和碎片的電池?cái)?shù)量不超過(guò)2片，圖3給出了幾種造成失效面積較大的隱裂和碎片．

2.2 組件功率測(cè)試

對(duì)這批組件STC條件下的電性能進(jìn)行測(cè)試，采用的是瑞士Pasan光伏組件功率測(cè)試儀 (3A+級(jí)太陽(yáng)能模擬器) ．由于缺少組件功率的實(shí)測(cè)原始數(shù)據(jù)，本文以組件銘牌參數(shù)作為參考．由于功率測(cè)試過(guò)程中標(biāo)準(zhǔn)組件的選取以及測(cè)試儀器本身的精度和測(cè)試環(huán)境的影響，相對(duì)于銘牌參數(shù)會(huì)給功率測(cè)試的結(jié)果帶來(lái)一定的系統(tǒng)誤差和人為誤差，因此本文通過(guò)多次測(cè)量取平均值的方法來(lái)保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性．

2018年測(cè)試結(jié)果顯示:組件功率Pm平均衰減為26.7%，最大衰減為35.9%，最小衰減為19.6%，組件電性能參數(shù)的平均值與標(biāo)稱值對(duì)比如表2.

由表2知，單晶組件SM55的電流Isc和Im、最大功率點(diǎn)電壓Vm和填充因子FF衰減嚴(yán)重，而開路電壓Voc基本保持不變．由于組件已戶外運(yùn)行20年，可以計(jì)算出各個(gè)電性能參數(shù)的年平均衰減率，Pm、Im、Vm、Isc、Voc和FF年平均衰減率分別為1.54%、0.68%、0.87%、0.58%、0.02%和0.89%．

2.3 功率衰減與電流及填充因子衰減

為進(jìn)一步分析Pm衰減與Isc及FF衰減之間的關(guān)系，采用簡(jiǎn)單的線性擬合函數(shù)來(lái)分別擬合Isc衰減和FF衰減對(duì)Pm衰減的影響，獲得的相關(guān)系數(shù)R2作為判斷關(guān)系優(yōu)劣的判據(jù)，如圖4所示．

從圖4可以看出，Pm衰減與FF衰減呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.63，說(shuō)明Pm的減少主要是由于FF的減少造成，最可能的原因是串聯(lián)電阻的增加[6]．從圖2也可以看到，組件EL成像有很多“亮斑”，并且都分布在焊帶上，很可能是焊帶脫層以及Ag電極腐蝕導(dǎo)致這些點(diǎn)的串聯(lián)電阻增大，所以在EL測(cè)試中大電流通過(guò)時(shí)，串聯(lián)電阻增大的點(diǎn)會(huì)瞬間過(guò)熱而呈現(xiàn)“亮斑”．

2.4 隱裂及碎片對(duì)功率衰減的影響

針對(duì)隱裂和碎片是否對(duì)組件功率造成衰減，下文分析了有隱裂或碎片的組件、無(wú)隱裂和碎片的組件以及所有組件的功率衰減情況，如表3所示．

從表3可以看出，這三種組件功率衰減程度基本一致，表明:在功率測(cè)試過(guò)程中，隱裂和碎片并不是單晶組件SM55功率衰減的主要原因，可能是因?yàn)殡[裂和碎片造成的失效面積還不足以引起組件功率的衰減．但從組件長(zhǎng)期運(yùn)行來(lái)看，電池片中的隱裂會(huì)在戶外環(huán)境的影響下，不斷循環(huán)熱脹冷縮后，變成碎片，最終導(dǎo)致組件熱斑，直接影響組件的輸出性能，降低光伏電站的系統(tǒng)效率．

3 組件功率衰減原因分析

文獻(xiàn)[6, 7]從組件封裝的角度，來(lái)闡述引發(fā)組件光學(xué)損失和電學(xué)損失的因素以及如何優(yōu)化工藝來(lái)降低這兩種損失，其中光學(xué)損失種類很多，包括界面的反射、封裝材料的吸收、柵線及焊帶的遮擋和非電池片區(qū)域;電學(xué)損失包括電池片本身電阻、焊帶電阻以及接線盒電阻所引起的功率損耗．對(duì)于戶外長(zhǎng)期運(yùn)行的組件，文獻(xiàn)[8]指出組件的光學(xué)損失主要來(lái)源于EVA封裝材料的變色和玻璃表面污染，最終表現(xiàn)為組件電流Isc和Im的減少;電學(xué)損失主要來(lái)源于電池本身或電池連接部分內(nèi)阻變化．由于組件功率測(cè)試結(jié)果中電學(xué)損失表現(xiàn)比較復(fù)雜，所以下面將對(duì)電學(xué)損失與光伏電池功率之間的關(guān)系進(jìn)行闡述．

3.1 模型參數(shù)對(duì)光伏輸出特性影響分析

光照條件下，光伏電池的輸出可近似為二極管特性[9, 10]，圖5為光伏電池的單二極管輸出模型．

由單二極管模型可知，光伏電池的輸出電流表達(dá)式:

其中:Ip為光生電流，ID為二極管正向電流，ID0為二極管反向飽和電流，q為電子電荷，A為二極管常數(shù)因子，K為玻爾茲曼常數(shù)，T為電池結(jié)溫，Rs為串聯(lián)電阻，Rsh為并聯(lián)電阻．

短路條件下，V=0, I=Isc，低電壓下二極管未導(dǎo)通，所以ID近似為0，則有

二極管常數(shù)因子A是個(gè)常數(shù)，一般取值范圍是[1, 1.5]，所以圖6只給出了模型參數(shù)Rs和Rsh對(duì)I-V曲線的影響．

串聯(lián)電阻Rs對(duì)I-V曲線在最大功率點(diǎn)附近處的形狀影響較大 (圖7a) ，且光伏電池的效率隨著串聯(lián)電阻Rs的增大呈近似指數(shù)衰減，正常情況下，串聯(lián)電阻較小，只影響填充因子FF，對(duì)開路電壓和短路電流則無(wú)影響[11];并聯(lián)電阻Rsh則是光伏電池的漏電程度和導(dǎo)電離子玷污而引入的線性電阻，影響I-V曲線在短路電流處的斜率 (圖7b) ，并聯(lián)電阻越大，曲線在短路點(diǎn)附近越平行于電壓軸，正常情況下，并聯(lián)電阻較大，只影響填充因子FF，對(duì)開路電壓和短路電流則沒(méi)有影響[12]．

3.2 單晶組件SM55功率衰減原因

單晶組件SM55功率衰減嚴(yán)重，電流Isc和Im、最大功率點(diǎn)電壓Vm和填充因子FF衰減嚴(yán)重，而開路電壓Voc基本保持不變，這說(shuō)明組件的功率衰減主要來(lái)源于電學(xué)損失，主要由組件的串聯(lián)電阻Rs增加導(dǎo)致，同時(shí)電流的衰減也有一部分是來(lái)源于光學(xué)損失，因?yàn)闇y(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)組件玻璃表面有一層擦洗不掉的污漬．由于單晶組件SM55的前18年是在深圳沿海地區(qū) (距離海洋不到500 m) 戶外運(yùn)行，在信陽(yáng)地區(qū)戶外運(yùn)行才2年 (截止到2018年) ，所以這批組件主要是受沿海地區(qū)鹽霧侵蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致串聯(lián)電阻增加的．

4 結(jié)論

SM55組件的外觀缺陷暫時(shí)不影響其安全使用;組件中間部位的電池片在受到外力因素或環(huán)境溫度影響下更容易出現(xiàn)隱裂或碎片，但是隱裂和碎片暫時(shí)未對(duì)SM55組件功率造成影響．SM55組件的功率衰減主要來(lái)源于電學(xué)損失，也有一小部分來(lái)源于光學(xué)損失;由于SM55組件長(zhǎng)期運(yùn)行于深圳沿海地區(qū)，所以受沿海地區(qū)鹽霧侵蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致串聯(lián)電阻增加．

原標(biāo)題:單晶組件使用20年，其功率衰減如何了？