如何獲得光伏組件在光伏系統(tǒng) 應(yīng)用中的可靠性

       光伏（PV）組件制造商、安裝商和系統(tǒng)業(yè)主在 PV 組件的長期可靠性等方面有著共同的利益。在評估 PV 系統(tǒng)的可靠性時，不能僅注重 PV 組件的性能，更重要的是把控整體 系統(tǒng)性能。只有當從 PV 系統(tǒng)中的電池片到并網(wǎng)到電網(wǎng)中的其所有部件均能發(fā)揮預(yù)期性 能，并且整套 PV 系統(tǒng)得到可靠維護時，所安裝的 PV 系統(tǒng)才能達到預(yù)期水平。

環(huán)境狀況、設(shè)備溫度、污染程度等 PV 系統(tǒng)安裝場所的具體特點等都會對既定裝置的性 能和預(yù)期使用壽命產(chǎn)生直接影響，并且會加速特定場地下的不同老化速率。此外，PV 行業(yè)的持續(xù)整合可能會導致一些制造商倒閉，從而使制造商的質(zhì)保承諾得不到保證。 為避免這些問題，PV 制造商應(yīng)采用全面的質(zhì)控方案，以解決樣品抽樣合格率、可靠性 測試計劃和測試等效時間等主要問題。 UL 白皮書中探討了有助于制造商及客戶評估在真實條件下 PV 組件可靠性的各種測試 方法。

白皮書首先闡述了組件在 PV 系統(tǒng)性能中的耐用性和可靠性狀況，并探討了在評 估組件可靠性時平均壽命理論模型的缺點。其次，白皮書還介紹了 PV 組件可靠性評估 的框架，并展示了三種不同的測試如何在持續(xù)質(zhì)檢程序環(huán)境下提供有意義的組件可靠 性數(shù)據(jù)。 使用壽命的理論估算方法 PV 組件的使用壽命或壽命周期建模是建 立在一系列前提的基礎(chǔ)上。這些前提與實 驗室測量數(shù)據(jù)相結(jié)合，在某些情況下，與 通過現(xiàn)場實踐獲得的信息以及現(xiàn)場退回的 產(chǎn)品相關(guān)聯(lián)。然而，光伏行業(yè)是一個相對 較新且快速變化并注重提高效率（即：更 高效的電池、新型材料、新設(shè)計等）的行 業(yè)。相比之下，PV 的預(yù)期壽命可達到 20 至 30 年。這些因素嚴重限制了目前可用 于預(yù)測 PV 預(yù)期使用壽命的數(shù)據(jù)的可獲性 和價值性。

為解答與 PV 組件使用壽命有關(guān)的重大問 題，通常采用加速老化測試方案。通過 這些測試，可采用阿列紐斯法測定活化能 （Ea）。通常情況下，針對溫度、濕度和 紫外線（UV）的 Ea 測量值在確定后，將 用于首次使用壽命預(yù)測計算。*1，*2，*3，*4 與當 地天氣數(shù)據(jù)相結(jié)合的 Ea 可為預(yù)期使用壽命 的計算提供依據(jù)。 然而，這種方法所存在的基本問題在于其 僅取決于單一失效機制的觸發(fā)。而實際 上，伴隨著幾乎無法預(yù)測的隨機且地域性 很強的相關(guān)天氣事件（風、狂風、暴風 雨、積雪、結(jié)冰和冰雹），會產(chǎn)生不同的 并發(fā)退化機制。 圖 1 展示了針對某一類 PV 組件所觀察到 的不同功率損耗曲線（虛線），以及可 能發(fā)生的階段保修曲線（藍色和橙色線 條）。綠色和紅色曲線顯示的是任意組 合的退化曲線，并且每條曲線都是三種 不同因素共同作用的結(jié)果。本圖所揭示 的主要問題是兩個階段保修曲線中的哪 一條（橙色或藍色）更緊密地關(guān)系到實 際壽命性能。

為改善 PV 使用壽命的理論估算方法，有 必要了解各種環(huán)境條件之間的相互作用， 以及所觀察到的這些具體條件對 PV 組件 所產(chǎn)生的影響。因此，必須從不同場所采 集性能數(shù)據(jù)，并開展數(shù)據(jù)分析，以確定可 能導致故障發(fā)生的根本原因。表 1 中列出 了各種環(huán)境參數(shù)，并展示了所觀察到的導 致 PV 組件故障的一些影響。 圖 1：任意時間范圍內(nèi)不同退化速率與保修承諾的對比 表 1：環(huán)境因素以及所觀察到的 PV 組件現(xiàn)象列表 實現(xiàn)可靠性 PV 組件的耐用性取決于其設(shè)計。另一方面，PV 組件的可靠性取決于組件制造工藝的品質(zhì)和完整性。即使材料質(zhì)量或制造工藝方面的 細小變化都會影響部件的可靠性。 按照既定標準要求對 PV 組件進行的測試及認證，通常重在關(guān)注驗證是否已達到基本的設(shè)計要求。現(xiàn)擬采用一種驗證針對不同電池的 長期應(yīng)力測試和壽終時間測定的組件耐用性方案。*5,*6,*7 通常假設(shè)此類長期測試亦可評估 PV 組件 的可靠性，但可靠性測試的目的是驗證 某種產(chǎn)品是否始終在原始設(shè)計參數(shù)的范 圍內(nèi)生產(chǎn)。可靠性測試提高了人們對生 產(chǎn)品質(zhì)的信心，并且其所耗用的時間和 成本均少于耐用性測試。

為保證測試效果，可靠性測試必須檢測多 個樣品。ISO 2859-1，等行業(yè)標準能為如 何選取和評估生產(chǎn)樣品提供指導，而且 該標準可用于確定某批次測試產(chǎn)品是否合 格。根據(jù)樣品驗收及判定樣品不合格方面 的實際情況，可采用更嚴格或更寬松的抽 樣方案。 然而，考慮到其在 PV 系統(tǒng)可靠運行方面的 重要性，當涉及 PV 組件時，有必要開展更 復雜的質(zhì)檢。表 2 展示了 ISO 2859-1 測試的 范圍，包括： • 不同檢測等級（S1-S4 和 G1-G3）所需的 樣品數(shù)量及電站規(guī)模 • 允收質(zhì)量等級（AQL） • 所允許的失效樣品百分比 即將評估的樣品數(shù)量將實施統(tǒng)計學層面的 產(chǎn)品差異分配。AQL 確定了在驗收或判定 某既定批次樣品不合格方面的可信度。對 于安全性等一些關(guān)鍵測試，較低的 AQL（ 如：0.1）即視為無法容忍的故障（零故 障容忍度）。而在旨在評估失配電池等表 觀缺陷的其它測試中，亦可接受較高的 AQL。行業(yè)標準通常規(guī)定了判定產(chǎn)品合格 與否的基準。 表 2：適用于可靠性測試的選定測試 注：上表顯示了擬采用的檢測等級、每項測試所需的樣品數(shù)量，以及根據(jù) ISO 2859-1 標準所允許的組件失效次數(shù)等。其中，“a)”指 的是發(fā)電容量為 1MW 的一所電廠，“b)”指的是發(fā)電容量為 10MW 的一所電廠，“c)”指的是采用 240W 組件的發(fā)電容量為 50MW 的一所電廠）。*15 表 3：關(guān)于 UL 為滿足質(zhì)量和耐用性要求而提供的測試服務(wù) 概覽 以上標準也可以根據(jù)客戶的要求，采用更嚴格或?qū)捤傻臈l件。

然而，在項目及其測試開始前，需要明確用于判定合格與否的具體標準。 UL 自己的測試項目包括上述短期質(zhì)量測試，以及各項測試的持續(xù)性測試，從而評估長期耐用性或失效性測試的范圍。表 3 總體簡要介紹了 各項測試以及各項測試所適用的 PV 工藝技術(shù)。 選定測試的詳情 下述章節(jié)探討了 PV 組件的選定可靠性測試，并展示了其在評定 PV 組件可靠性時的潛在價值。請務(wù)必注意，盡管這些測試并不耗時或成本 高昂，但必須對最少數(shù)量的必要樣品加以評估，從而獲得具有統(tǒng)計意義的測試結(jié)果，這一點很重要。 電性能測試 電性能測試是一種可在既定的不確定性范圍內(nèi)驗證 PV 組件輸出功率的有效方法。這種不確定性主要來自某個既定 PV 組件的光譜靈敏 度、舊光源以及校正鏈上一般的測量不確定性等。 最后一個不確定性通常是恒定的，但前兩 個可能會對絕對測量值產(chǎn)生重大影響，尤 其是對于薄膜技術(shù)而言。

除了這些限制外，電性能測試還可用于考 察與組件可靠性相關(guān)的下述幾個方面： • 確定由于預(yù)處理所導致的初始功率損耗 • 生產(chǎn)電性能列表的驗證 • 銘牌額定值驗證 這三個因素對于任何有效估產(chǎn)而言均至關(guān) 重要。為在估產(chǎn)方面達到更高的可信度， 最好利用來自于將用于安裝的實際 PV 組 件所獲得的測量數(shù)據(jù)。該目的可通過在現(xiàn) 場挑選測試樣品的方法予以實現(xiàn)。 根據(jù)既定 PV 組件中所采用的減振器技術(shù)， 太陽能電池存在初始功率損耗。多晶電池 的平均初始退化一般均低于 1%，而單晶電 池則可能高達 5%。圖 2a 展示了實際初始 功率損耗值的電勢分布。然而，在安裝上 千塊組件時，這種分布平均出現(xiàn)在所有組 件上。 生產(chǎn)電性能列表的驗證對選擇 PV 組件制造 商而言是很重要的第一步。生產(chǎn)電性能列 表的驗證用于與通過按標簽數(shù)值生產(chǎn)所測 得的功率損耗參數(shù)，以及通過第三方測量 值所獲得的數(shù)據(jù)進行對比。這項驗證工作 驗證了 PV 組件制造商的校正鏈。通常對至 少 20 個單獨組件開展電性能列表驗證，以 確保缺陷的正常分布并減少不確定性。一 般而言，如果所測試的組件較少，則應(yīng)考 慮更高的測量不確定性。 通常根據(jù) PV 組件銘牌額定值出售 PV 組 件。PV 組件銘牌上的額定功率用于模擬能 量輸出，即準確的銘牌信息對于實現(xiàn)既定 安裝的能量輸出而言是一個關(guān)鍵因素。按 照 EN 50380 和 UL 4730，*9，*10 等標準的要 求，銘牌上的額定值必須考慮所有初始退 化或光輻照的影響。因此，PV 組件在測量 之前必須先穩(wěn)定下來，并且應(yīng)對比測量值 與銘牌上的額定值。 圖 2：電性能測試驗證示例。 a）預(yù)處理后的組件功率損耗。 b）功率偏差與銘牌上的額定功率。 圖 2b 中顯示了銘牌額定值的一個示例。在此情況下，實際測得的功率與規(guī)定的銘牌額定值相比，約小 2.2%。這種不一致很有可能導 致預(yù)期與實際功率輸出之間出現(xiàn)差異。 電致發(fā)光：失效檢測與映射 第二種評估方法即電致發(fā)光（EL）成像法，主要用于晶體硅 PV 組件，因為若采用這種方法，普遍認為會出現(xiàn)明顯的各種組件缺陷。*11，*12 通過 EL 成像，能確定各種不同類型的缺陷，每種都有其根本原因和性能影響。

根據(jù)常規(guī)方法評估 EL 圖像可提供與 PV 組件可靠性有 關(guān)的有用信息。 圖 3 顯示了兩種組件，每種都存在不同數(shù)量、嚴重程度各不相同的裂縫。與組件編號 1 中所述情況相類似的組件通常尚可接受，并能 以可靠的方式發(fā)電。與組件編號 2 中所述情況相類似的組件通常會在較短時間后顯示出失效區(qū)域，該區(qū)域會導致嚴 重的功率損耗。 圖 3：兩個組件的 EL 圖像；組件編號 1 顯示了一些不太嚴重的裂縫，而組件編號 2 則顯示了一些非常嚴 重的缺陷。 通過評估單個批次中的多個圖像，通過缺 陷數(shù)量與分布情況確定大致的質(zhì)量水平 成為可能。圖 4 顯示了此類評估的一個示 例。每個批次都包括相同數(shù)量的組件。在 第 1 批中，僅發(fā)現(xiàn)了少量隨機分布的缺陷， 這表明測試通過。然而，在第 2 批中，缺 陷組件的數(shù)量顯著增加，并且缺陷和電池 裂縫主要集中在 I4 和 J5 區(qū)域。 總之，這些觀察結(jié)果均說明制造過程或組 件成品運輸過程、或兩個過程都存在重要 問題。

無論如何，第 2 批的測試結(jié)果無法 接受，并且通過進一步的調(diào)查將能找出根 本原因。更多措施可以包括在安裝前對所 有組件開展 EL 檢測或更頻繁的檢測，并對 在用的 PV 系統(tǒng)開展測試。 電勢誘導退化 目前，電勢誘導退化（PID）主要與晶硅 組件相關(guān)。盡管一些 c-Si 組件制造商目前 可提供據(jù)稱具有避免 PID 抗性的 PV 組件， 但 PID 仍是一個尚待解決的問題。由于采 用了不同的測試程序和可比性指標，但缺 乏關(guān)于 PID 和恢復效應(yīng)之間關(guān)聯(lián)性方面的 數(shù)據(jù)，因此為解決 PID 問題所做的工作變 得更為復雜。 遺憾的是，薄膜 PV 組件并不始終能抵御 對地電勢。早期薄膜組件表現(xiàn)出了一些與 透明導電氧化層（TCO）腐蝕（亦稱為“ 條形圖腐蝕”）有關(guān)的問題，這是一種非 常明顯的缺陷。但今天的薄膜組件也會表 現(xiàn)出嚴重的 PID，這是一種無法在早期通 過標準測試方案檢測出來的問題。*13 PID 測試重點可能各有不同，具體取決于 對其的期望結(jié)果。然而，一些選項包括： • 針對 PID 磁化率的映射PV組件 • 針對 PID 磁化率的逐批次驗證 • 組件材料（電池和封裝劑）的篩選 • 標準測試條件（STC）及 PID 測試后 的低輻照度性能測試 本列表上的第一項看似很明顯，但額外選 項可為組件的長期可靠性提供更多依據(jù)， 從而能通過更迅速的措施確定并解決 PID 問題。 圖 5 顯示了來自三家不同制造商的三種組 件的 PID 篩選測試結(jié)果。

隨著時間的推 移，第 1 種組件表現(xiàn)出了具有不同磁化率 的近似線性的退化。 圖 5：對不同組件的 PID 磁化率的調(diào)查（具有三種不同的退化率類型） 所顯示的第 2 種組件實際上是第1種組件的 一種極端案例，因為它可快速達到 100% 的退化，并且不會再隨著時間的推移而進 一步退化。第 3 種組件在 PID 測試的第一 個階段通常比較穩(wěn)定，但一旦當其達到了 電勢應(yīng)用的一定閾值后，就會迅速開始退 化。*14必須查明連續(xù)實驗室電壓應(yīng)力測試 下的一般行為（第 1 種或第 3 種），并調(diào) 查組件的恢復情況以及可能與系統(tǒng)有關(guān)的 選項，這一點至關(guān)重要。*16 由于 PV 組件可產(chǎn)生此類天差地別的結(jié)果， 因此必須設(shè)置合理的測試參數(shù)，這一點很 重要。

可能有必要根據(jù)前期對組件類型的 了解或測試的實際范圍來選擇參數(shù)，例如 質(zhì)量檢查或耐用性調(diào)查等。UL 自身的默認 測試方案是通過導電箔產(chǎn)生電勢，從而使 組件在兩周時間內(nèi)經(jīng)受系統(tǒng)電壓測試，從 而對整個組件及其所有的太陽能電池實施 均勻篩選?？筛鶕?jù)既定項目的具體要求調(diào) 整并定制這種默認的參數(shù)集。 總結(jié)與結(jié)論 在競爭日益激烈的市場環(huán)境中，制造商們必須為客戶提供符合所承諾的性能規(guī)格的 PV 組件。組件的一致可靠性取決于制造流程的質(zhì)量和完整性，即使微小的變化也會對部件 的可靠性產(chǎn)生不良影響并危及 PV 系統(tǒng)的性能。一種有效且具有統(tǒng)計相關(guān)性的可靠性測 試方案有助于確定不符合設(shè)計規(guī)范的組件，從而使客戶更確信一定能達到預(yù)期的 PV 系 統(tǒng)性能。

通過整合多年來的 PV 行業(yè)研究成果，UL 制定了可靠的科學測試程序，可從可靠性、性 能和安全性等方面篩選 PV 組件。UL 針對 PV 組件所提供的性能與可靠性服務(wù)可提供行 業(yè)標準測試方面的第三方證據(jù)，以評估包括 PV 組件工廠工序技術(shù)檢驗在內(nèi)的制造流程 中的一致性?？砷_展附加測試，以證明長期應(yīng)力對于 PV 組件性能及安全性的影響。