上海地區(qū)各種光伏組件戶外發(fā)電性能比較和衰減原因分析

:主要利用中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所嘉定園區(qū)配置的光伏組件戶外測試系統(tǒng)，針對各種光伏組件( 類型包括：多晶硅、n 型單面和雙面、PERC 單晶硅和多晶硅、12 柵單晶硅、HIT 單面和雙面、CIGS 組件、CdTe 組件) 在上海地區(qū)的應(yīng)用，于2016 年6 月1 日～2018 年7 月20 日開展了戶外實證監(jiān)測。首先通過室內(nèi)標(biāo)定對比了各種光伏組件的衰減，然后利用戶外實證發(fā)電量對比了各種光伏組件的戶外發(fā)電性能，進而分析了各種光伏組件的衰減原因。

（來源：微信公眾號“太陽能雜志”ID：tynzz1980）

01實驗條件

1.1 光伏組件信息

本次研究監(jiān)測的光伏組件類型包括：多晶硅組件、n 型單面和雙面組件、PERC 單晶硅和多晶硅組件、12 柵單晶硅組件、HIT 單面和雙面組件、CIGS 組件、CdTe 組件，每種組件的數(shù)量不同。其中，對CIGS 組件、多晶硅組件1 和多晶硅組件2 ，持續(xù)監(jiān)測26 個月；對n 型單面組件、n 型雙面組件1 和n 型雙面組件2，持續(xù)監(jiān)測19 個月；對PERC 單晶硅組件1、PERC 單晶硅組件2、PERC 多晶硅組件、12 柵單晶硅組件、多晶硅組件4、HIT 單面組件、HIT 雙面組件和CdTe 組件，持續(xù)監(jiān)測13 個月；對多晶硅組件3，持續(xù)監(jiān)測10 個月( 注：同類組件中的1、2、3、4 是為區(qū)分不同生產(chǎn)商的產(chǎn)品)。

每種組件在進行戶外監(jiān)測前，都在STC 條件( 測試溫度25 ℃，AM 1.5 模擬光源，光強1000 W/m2) 下進行了室內(nèi)標(biāo)定。

1.2 光伏組件戶外測試系統(tǒng)介紹

本次戶外實證監(jiān)測使用的光伏組件戶外測試系統(tǒng)由中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所——新能源技術(shù)中心配置，坐落于上海市嘉定區(qū)(31°23′N、121°14′E)。本光伏組件戶外測試系統(tǒng)作為測試太陽電池發(fā)電特性與可靠性的設(shè)備，主要用于長時間在戶外測試光伏組件的工作情況，記錄不同環(huán)境下組件相應(yīng)的電學(xué)參數(shù)，對光伏組件的真實發(fā)電能力與衰減狀況進行測試。

光伏組件戶外測試系統(tǒng)是根據(jù)IEC 61924、IEC61829、IEC6 2446 等標(biāo)準(zhǔn)[11-12] 建立的，對光伏組件在戶外的性能進行標(biāo)準(zhǔn)測試和性能評估，其結(jié)構(gòu)圖和實景圖分別如圖1、圖2 所示。本測試系統(tǒng)的測試對象為光伏陣列，共有24 個通道(channel)，每個通道容許的電壓范圍為100～400 V，每個通道的組件采用串聯(lián)或并聯(lián)的連接方式，每個通道監(jiān)測一種光伏組串；每個光伏組串連接1個接線盒 (conversion box)；每6 個通道用1 個集線器 (Cable collection device) 收集直流端電流，I-V 數(shù)據(jù)采集器(I-V tracer) 收集的是直流端數(shù)據(jù)，所以本文后續(xù)發(fā)電量和PR 值的計算都是采用組件直流端數(shù)據(jù)；每6 個通道的直流端數(shù)據(jù)通過1臺多組串式逆變器 (invertor) 轉(zhuǎn)換為交流電，本系統(tǒng)中共有4 臺多組串式逆變器。

該光伏組件戶外測試系統(tǒng)的技術(shù)特點為：光伏陣列可通過陣列選擇器在多組串式逆變器與I-V 數(shù)據(jù)采集器間切換測試，整個測試系統(tǒng)既能工作在真實并網(wǎng)環(huán)境中，也可以準(zhǔn)確測試組件實際發(fā)電性能；多組串式逆變器的使用可以解決不同陣列共同并網(wǎng)的問題，并縮短組件在切換過程中恢復(fù)正常工作狀態(tài)的時間；所用I-V 數(shù)據(jù)采集器為阻性，可測試大功率光伏陣列，1 臺I-V 數(shù)據(jù)采集器可拓展測試48 個光伏陣列。

1.3 光伏組件戶外實證發(fā)電性能評價指標(biāo)的確立

由于光伏發(fā)電系統(tǒng)在戶外運行，測試環(huán)境不像實驗室中那樣穩(wěn)定，對其進行性能評價需要采用行業(yè)公認的技術(shù)參數(shù)。本研究中采用等效發(fā)電時長和等效輻照時長這2 個參數(shù)。

1) 等效發(fā)電時長YF。由于不同類型光伏組件的功率不同，不同類型組件間的發(fā)電性能并無可比性。YF 表示光伏組串每天在其額定功率下的發(fā)電時長，可以用來對比每種光伏組串每kW的發(fā)電性能。在不考慮輻照度的影響時，等效發(fā)電時長就可以代表不同類型組件發(fā)電性能的差異。

式中，∫PMAX 為光伏組串每天的總發(fā)電量；Pnominal 為對應(yīng)光伏組串的額定功率。

2) 等效輻照時長YR。同樣，YR 表示在標(biāo)準(zhǔn)輻照度 (1 kW/m2) 下，某一地點或位置每天的日照小時數(shù)，也就是峰值日照小時數(shù)，單位為h。式中，∫G 為某地點或位置每天的總輻照度；G nominal 為STC 條件下的輻照度，取值為1000W/m2。

1.4 本測試系統(tǒng)監(jiān)測使用的主要設(shè)備

1.4.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本戶外測試系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為日本EKO 生產(chǎn)的I-V 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)MP165。其中，輻照度由1 臺輻照度測試儀MI530 監(jiān)測，熱電偶采集到的背板溫度由2 臺溫度測試儀MI540 監(jiān)測 ( 每臺MI540 可監(jiān)測12 個通道的熱電偶情況，本測試系統(tǒng)共有24 個測試通道，所以需要2 臺MI540)。

組件端I-V 測試結(jié)果先輸入4 臺通道開關(guān)選擇器MP-303S ( 每臺連接6 個通道)，MP-303S 的輸出端口一部分直接連接逆變器，將直流電轉(zhuǎn)成交流電并網(wǎng)；另一部分連接MP165，進行每個組串I-V曲線的掃描。24 個組串經(jīng)過4 臺MP-303S 并入MP165，間隔2 mins 進行下一次的循環(huán)掃描。由1 臺MI530、2 臺MI540 和4 臺MP-303S 采集到的數(shù)據(jù)匯總傳遞給MP165。通過MP165 的軟件控制界面，光伏組件的I-V 曲線被實時監(jiān)控；同時，光伏組件的溫度、輻照量和發(fā)電量等信息也可以從MP165 中獲得。

1.4.2 氣象設(shè)備

本戶外測試系統(tǒng)中的氣象監(jiān)測設(shè)備從日本EKO 采購，包括傾斜輻照計 (Pyranometerfor Tilt: MS-802) 、水平輻照計 (Pyranometer forHorizontal plane: MS-802) 、風(fēng)速監(jiān)控儀(WindMonitor: A-110/MI-360)、溫濕度監(jiān)控儀(Temp.Huity: MT-063A)、雨量監(jiān)測儀 (Rain Gauge:MW-010)、氣壓計(Barometer: MY-021)，別對整個戶外測試系統(tǒng)的輻照量、風(fēng)速風(fēng)向、溫濕度、雨量和氣壓進行實時監(jiān)控，并將具體信息體現(xiàn)在氣象監(jiān)測軟件HIOKI 中。

1.4.3 多組串式逆變器

本戶外測試系統(tǒng)采用的逆變設(shè)備是上海追日電氣生產(chǎn)的多組串式逆變器。該逆變器適用于小批量的薄膜、晶體硅太陽電池及組件測試，在光伏組件數(shù)量少、串聯(lián)電壓低 ( 小于100 V) 的情況下，仍能達到最多6 路輸入運行。將光伏組件串聯(lián)成組串后，經(jīng)直流升壓器做MPPT 最大功率跟蹤，并通過交流逆變器回饋電網(wǎng)。

1.4.4 光譜儀

本戶外測試系統(tǒng)同時配置了實時采集太陽光譜的光譜儀，型號分別為MS-711 和MS-712，并利用軟件WSDac 監(jiān)測戶外太陽光譜情況。

1.4.5 監(jiān)測時間和技術(shù)方案

戶外實證的監(jiān)測時間為2016 年6 月1 日～2018年7 月20 日。各種光伏組件的安裝高度均為30cm，安裝角度均為30°。本戶外實證實驗將不同類型的光伏組件分為若干個獨立的組串，每個測試通道監(jiān)測1 種類型光伏組件的戶外發(fā)電性能。每種組件所在通道平均年累積輻照度為1293.37kWh/m2，即4656.13 MJ/m2。

02結(jié)果與討論

2.1 通過室內(nèi)標(biāo)定對比各種光伏組件的衰減

本研究中最早的光伏組件安裝于2016 年6月1 日，后續(xù)為增加研究內(nèi)容，相繼在不同時間增添了各種類型的光伏組件，所有組件于2018年1 月22 日在室內(nèi)進行了重新標(biāo)定。截止到2018 年1 月22 日，每種組件的室內(nèi)標(biāo)定結(jié)果與此前未經(jīng)過曝曬時的標(biāo)定結(jié)果對比的變化值如表1 所示。需要說明的是，由于目前國際上還沒有CIGS 組件和CdTe 組件的室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)測試方法，因此即使進行了室內(nèi)測試，其結(jié)果也并不準(zhǔn)確，所以表1 中未體現(xiàn)這2 種組件的室內(nèi)測試數(shù)據(jù)和衰減數(shù)據(jù)。

從表1 中可以看出：

1) 監(jiān)測20 個月的多晶硅組件1 和多晶硅組件2 的功率衰減率分別為3.26% 和3.09%，與文獻中報道的“光伏組件首年衰減2.5%，以后每年衰減0.7%”比較符合?；究梢哉J為這2種多晶硅組件首年功率衰減了2.5%，后7 個月分別衰減了0.76% 和0.59%。

2) 監(jiān)測13 個月的n 型單面組件、n 型雙面組件1 和n 型雙面組件2 的功率衰減率分別為0.86%、0.29% 和0.75%，與文獻報道的“光伏組件首年衰減2.5%，以后每年衰減0.7%”相差較遠。目前的監(jiān)測結(jié)果表明，n 型光伏組件的衰減確實較小，這與p 型硅中含有B-O 復(fù)合對，而n 型硅的少子壽命長，使n 型光伏組件的衰減較低有關(guān)。

3) 通過分析監(jiān)測時間為7 個月的光伏組件衰減數(shù)據(jù)可以看出，這些組件的功率衰減從大到小依次為：PERC 多晶硅組件 (2.69%)>12 柵單晶硅組件(1.82%)> 多晶硅組件4(1.54%)>HIT單面組件(1.24%)> PERC 單晶硅組件2 (1.11%)>PERC 單晶硅組件1 (0.94%)>HIT 雙面組件(0.59%)。

還可以看出，HIT 單面組件的功率衰減大于PERC 單晶硅組件1 和PERC 單晶硅組件2，衰減主要體現(xiàn)在電壓上，即HIT 單面組件的電壓衰減為0.65%，PERC 單晶硅組件2 和PERC 單晶硅組件1 的電壓衰減分別為0.23% 和0.06%。

從電池的制備工藝來看，可能是異質(zhì)結(jié)界面沒有同質(zhì)結(jié)界面穩(wěn)定，長期的戶外曝曬會使導(dǎo)致HIT界面性能受到影響，從而導(dǎo)致組件電壓的下降。從表1 還可以看出，HIT 單面組件的功率衰減小于PERC 多晶硅組件、12 柵單晶硅組件和多晶硅組件4，但HIT 單面組件的電壓衰減(0.65%) 較12 柵單晶硅組件(0.16%) 和多晶硅組件4 (0.35% ) 而言還是較為明顯的，HIT 單面組件的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在電流衰減較小。

除此之外可以看到，除了HIT 單面組件和HIT 雙面組件外，其他晶體硅組件的衰減主要都是由電流引起的。而2 種HIT 組件的衰減主要都是由開路電壓導(dǎo)致的，即HIT 雙面組件的開路電壓衰減 (0.31%)> 電流衰減 (0.18%)，HIT 單面組件的開路電壓衰減 (0.65%)> 電流衰減 (0.32%)，再次證明了對于HIT 組件來說，開路電壓的衰減是影響其性能的主要因素。

2.2 通過戶外實證發(fā)電量對比各種光伏組件的戶外發(fā)電性能

因2017 年6 月29 日在本戶外測試系統(tǒng)中新增了大量組件，所以以下關(guān)于戶外實證研究的時間范圍為2017 年6 月29 日～2018 年7 月20 日。其中，12 柵單晶硅組件、PERC 單晶硅組件1、PERC 多晶硅組件、CdTe 組件的曝曬時間為12個月，數(shù)據(jù)采集時間為12 個月；CIGS 組件的曝曬時間為24 個月，數(shù)據(jù)采集為12 個月，所以本研究中CIGS 組件的等效發(fā)電時長是在已經(jīng)衰減了1 年的基礎(chǔ)上采集的數(shù)據(jù)；HIT 單面組件因通道損壞，曝曬時間為12 個月，數(shù)據(jù)采集時間為8.5個月；多晶硅組件4 因組件更替，曝曬時間不足，故沒有進行戶外發(fā)電性能對比；4 塊PERC 單晶硅組件2 組成了1 個組串，但其中1 塊組件出現(xiàn)了明顯隱裂，因此也沒有進行戶外發(fā)電性能對比。

由于光伏組件的戶外實證實驗環(huán)境因素多變，實驗的不確定度很大，因此系統(tǒng)的維護和組件的交替更換時有發(fā)生。表2 和圖3 對比了2017 年6 月29 日～2018 年7 月20 日各種光伏組件每天平均等效發(fā)電時長和所在通道平均等效輻照時長。

從表2 和圖3 的監(jiān)測各種光伏組件的戶外平均發(fā)電實證數(shù)據(jù)可以看出，各種光伏組件戶外平均等效發(fā)電時長的比較結(jié)果為：CIGS 組件>HIT單面組件> 12 柵單晶硅組件> PERC 單晶硅組件1> PERC 多晶硅組件>CdTe 組件；并且，每種組件所在通道的平均等效輻照時長比較接近。由數(shù)據(jù)可以看出，CIGS 組件的平均等效發(fā)電時長大于其平均等效輻照時長，造成這一現(xiàn)象是因為在晝夜交替的光照變化下，CIGS 組件的實際發(fā)電功率較額定功率可能上升，所以出現(xiàn)了平均等效發(fā)電時長大于平均等效輻照時長的情況。

2.3 光伏組件的衰減原因分析

根據(jù)近30 年的研究結(jié)果，光伏組件衰減原因主要包括以下5 個方面：

1) 封裝材料的衰減、封裝玻璃的破壞、旁路二極管的失效、封裝材料的變色、背板開裂及分層；

2) 組件各層材料粘結(jié)性的下降；

3) 電池和組件互聯(lián)部分的衰減，焊帶和焊接點的脫落；

4) 潮濕導(dǎo)致的組件衰減；

5) 作為半導(dǎo)體器件的太陽電池自身的衰減。已有不少學(xué)者分析了不同組件的衰減原因并給出了預(yù)防措施。

表3 對8 種光伏組件的衰減原因進行了總結(jié)。其中，封裝材料的衰減、組件各層材料粘結(jié)性的下降、電池和組件互聯(lián)部分的衰減、潮濕導(dǎo)致的組件衰減，可能在測試前已經(jīng)存在于組件中，但由于戶外監(jiān)測時間不足，并未體現(xiàn)出來。但表1中的n 型單面組件在經(jīng)過了18 個月的戶外曝曬后，肉眼已經(jīng)可以看到組件邊緣出現(xiàn)電池老化和褪色現(xiàn)象，猜測造成這一現(xiàn)象的原因是濕氣從組件邊緣進入，導(dǎo)致了組件邊緣發(fā)白。

在對以上8 種組件進行的戶外監(jiān)測中，封裝玻璃的破壞、旁路二極管的失效、背板開裂和分層，以及焊帶或焊接點的脫落等衰減原因并未監(jiān)測到；但CdTe 組件因安裝壓塊不牢固，在上海臺風(fēng)期間，組件封裝玻璃發(fā)生了明顯破裂，認為這與組件的安裝壓塊選擇有關(guān)。除此之外，作為半導(dǎo)體器件的太陽電池自身的衰減是光伏組件衰減的主要原因，其中，HIT 單面組件中晶體硅和非晶硅界面的衰減是致使該組件衰減的主要原因，在前文已進行過詳細分析；其他組件的衰減均是由于光照導(dǎo)致的電池自身衰減，這可能是導(dǎo)致光伏組件衰減的重要原因。

03結(jié)論

本研究主要利用光伏組件戶外測試系統(tǒng)，對在上海地區(qū)應(yīng)用的各種光伏組件的戶外實證發(fā)電量及衰減原因進行了分析，得到如下結(jié)果：

1) 在光伏組件衰減方面：多晶硅組件1 和2在戶外曝曬20 個月后的功率衰減約為3%，與文獻報道的“光伏組件首年衰減2.5%，以后每年衰減0.7%”比較符合。n 型單面組件和2 種n 型雙面組件在戶外曝曬13 個月后的功率分別衰減了0.86%、0.29% 和0.75%，目前的監(jiān)測結(jié)果表明n 型組件的衰減確實較小。通過7 個月的戶外曝曬，幾種光伏組件的功率衰減從大到小的順序為：PERC 多晶硅組件(2.69%) > 12 柵單晶組件(1.82%) > 多晶硅組件4 (1.54%) >HIT 單面組件(1.24%) > PERC 單晶硅組件2 (1.11%) > PERC 單晶硅組件1 (0.94%) >HIT 雙面組件 (0.59%)。其中，開路電壓的降低是導(dǎo)致HIT 組件衰減的主要因素。

2) 在光伏組件戶外發(fā)電性能方面：CIGS 組件>HIT 單面組件>12 柵單晶硅組件> PERC 單晶硅組件1> PERC 多晶硅組件>CdTe 組件。其中，由于在晝夜交替的光照變化下，CIGS 組件的實際發(fā)電功率較額定功率可能會上升，因此CIGS組件出現(xiàn)了平均等效發(fā)電時長大于平均等效輻照時長的情況。

3) 在光伏組件衰減原因方面：首先，封裝材料的衰減、組件各層材料粘結(jié)性的下降、電池和組件互聯(lián)部分的衰減、潮濕導(dǎo)致的組件衰減，可能在測試前已存在于組件中，但由于戶外監(jiān)測時間不足，并未來體現(xiàn)出來；其次，封裝玻璃的破壞、旁路二極管的失效、背板的開裂和分層，以及焊帶或焊接點的脫落等衰減原因，目前并未監(jiān)測到；第三，由于光照導(dǎo)致的電池自身的衰減，也許是導(dǎo)致光伏組件衰減的重要原因。

因為光伏組件的戶外實證監(jiān)測實驗條件多變，實驗的不確定性很大，因此系統(tǒng)的維護和組件的交替更換時有發(fā)生，在長年的工作中并不是每一種光伏組件的監(jiān)測時間和條件都完全一致。后續(xù)需要延長監(jiān)測時間，使數(shù)據(jù)積累充足并具有統(tǒng)計性，持續(xù)監(jiān)測各種光伏組件的戶外發(fā)電性能。

中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所

高兵 邵亞輝 余友林 劉正新

蘇州中來民生能源有限公司 相海濤

來源：《太陽能》雜志2019 年第12 期( 總第308 期) P5-11

原標(biāo)題:上海地區(qū)各種光伏組件戶外發(fā)電性能比較和衰減原因分析