光伏組件在光伏系統(tǒng)中的使用壽命和可靠性探討

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(dāng)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(dǎo)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(yán)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(dāng)?shù)靥鞖鈹?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(fēng)、狂風(fēng)、暴風(fēng)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(dǎo)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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)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?，F(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)?？煽啃詼y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。ISO2859-1，等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)能為如何選取和評估生產(chǎn)樣品提供指導(dǎo)，而且該標(biāo)準(zhǔn)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(yán)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(dāng)涉及PV組件時，有必要開展更復(fù)雜的質(zhì)檢。表2展示了ISO2859-1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(xué)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(biāo)準(zhǔn)通常規(guī)定了判定產(chǎn)品合格與否的基準(zhǔn)。 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)ISO2859-1標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)也可以根據(jù)客戶的要求，采用更嚴(yán)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(biāo)準(zhǔn)。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(dǎo)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(biāo)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(zhǔn)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EN50380和UL4730，*9，*10等標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)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(yán)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(dǎo)致嚴(yán)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(yán)重的裂縫，而組件編號2則顯示了一些非常嚴(yán)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(dǎo)退化 　　目前，電勢誘導(dǎo)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(biāo)，但缺乏關(guān)于PID和恢復(fù)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(fù)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(dǎo)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(yán)重的PID，這是一種無法在早期通過標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(fù)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?？赡苡斜匾鶕?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(dǎo)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(xué)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(biāo)準(zhǔn)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。可開展附加測試，以證明長期應(yīng)力對于PV組件性能及安全性的影響。