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編者按：光伏發(fā)電現(xiàn)在在我國的電力系統(tǒng)中已經(jīng)是必不可少的一部分，一般光伏組件的壽命在20～30年，選取已經(jīng)使用20年、質(zhì)量可靠的一批單晶組件進(jìn)行分析研究，對比它們的功率衰減情況分析組件功率衰減主要原因。

摘要：選取在我國已經(jīng)使用20年、質(zhì)量可靠的一批單晶組件, 對其使用壽命末期的功率衰減情況進(jìn)行分析研究.對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%;采用簡單的線性擬合函數(shù)方法, 對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源于串聯(lián)電阻的增加.

 

 

近年來，隨著國家政策對光伏產(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?這都需要大量的實證性數(shù)據(jù)作為支撐．

 

對32家主流光伏組件進(jìn)行了戶外老化測試，分析了兩個自然年內(nèi)組件衰減情況，并依據(jù)NERL實驗室提出的組件功率衰減與時間成線性關(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)組件運行所處環(huán)境條件為依據(jù)，對光伏組件進(jìn)行加速老化模擬實驗，發(fā)現(xiàn)組件在老化箱的衰減趨勢與NERL戶外組件長期監(jiān)測衰減規(guī)律一致．文獻(xiàn)[5]采取濕-凍加速試驗分析其失效模式，并提出了濕-凍加速試驗條件下的光伏組件威布爾 (Weibull) 壽命分布模型．通過軟件模擬計算和加速老化試驗，對預(yù)測光伏組件穩(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程中的真實衰減情況．

 

本文選取在我國運行時間最早、產(chǎn)品質(zhì)量可靠的一批單晶組件，對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際發(fā)電運行20年，其在使用壽命末期的實證性數(shù)據(jù)將對組件衰減機理的研究及建模具有一定的參考價值．

 

 

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2051塊．2014年由順德中山大學(xué)太陽能研究院全部收集，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師范學(xué)院，作為暖溫帶組件戶外衰減實證基地，主要用來研究暖溫季風(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)影響安全使用的問題．

 

這批單晶組件外觀 (圖1a) 良好，表面無損傷，EVA無變色，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) 可能會影響組件的安全使用性能．

 

 

 

戶外運行的組件由于受到搬運、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，只能通過太陽能組件EL缺陷檢測儀才能檢測出來．2018年EL測試發(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)計隱裂和碎片區(qū)域及對應(yīng)的組件數(shù)量，隱裂和碎片區(qū)域劃分為2個區(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每片電池面積的1/8，碎片造成的失效面積不超過1/4，并且組件中隱裂和碎片的電池數(shù)量不超過2片，圖3給出了幾種造成失效面積較大的隱裂和碎片．

 

 

 

對這批組件STC條件下的電性能進(jìn)行測試，采用的是瑞士Pasan光伏組件功率測試儀 (3A+級太陽能模擬器) ．由于缺少組件功率的實測原始數(shù)據(jù)，本文以組件銘牌參數(shù)作為參考．由于功率測試過程中標(biāo)準(zhǔn)組件的選取以及測試儀器本身的精度和測試環(huán)境的影響，相對于銘牌參數(shù)會給功率測試的結(jié)果帶來一定的系統(tǒng)誤差和人為誤差，因此本文通過多次測量取平均值的方法來保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性．

 

2018年測試結(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)稱值對比如表2.

 

 

由表2知，單晶組件SM55的電流Isc和Im、最大功率點電壓Vm和填充因子FF衰減嚴(yán)重，而開路電壓Voc基本保持不變．由于組件已戶外運行20年，可以計算出各個電性能參數(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%．

 

 

為進(jìn)一步分析Pm衰減與Isc及FF衰減之間的關(guān)系，采用簡單的線性擬合函數(shù)來分別擬合Isc衰減和FF衰減對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)致這些點的串聯(lián)電阻增大，所以在EL測試中大電流通過時，串聯(lián)電阻增大的點會瞬間過熱而呈現(xiàn)“亮斑”．

 

 

針對隱裂和碎片是否對組件功率造成衰減，下文分析了有隱裂或碎片的組件、無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:在功率測試過程中，隱裂和碎片并不是單晶組件SM55功率衰減的主要原因，可能是因為隱裂和碎片造成的失效面積還不足以引起組件功率的衰減．但從組件長期運行來看，電池片中的隱裂會在戶外環(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．

 

 

文獻(xiàn)[6, 7]從組件封裝的角度，來闡述引發(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．對于戶外長期運行的組件，文獻(xiàn)[8]指出組件的光學(xué)損失主要來源于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．由于組件功率測試結(jié)果中電學(xué)損失表現(xiàn)比較復(fù)雜，所以下面將對電學(xué)損失與光伏電池功率之間的關(guān)系進(jìn)行闡述．

 

 

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I-V曲線的影響．

 

 

串聯(lián)電阻Rs對I-V曲線在最大功率點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，對開路電壓和短路電流則無影響[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，對開路電壓和短路電流則沒有影響[12]．

 

 

單晶組件SM55功率衰減嚴(yán)重，電流Isc和Im、最大功率點電壓Vm和填充因子FF衰減嚴(yán)重，而開路電壓Voc基本保持不變，這說明組件的功率衰減主要來源于電學(xué)損失，主要由組件的串聯(lián)電阻Rs增加導(dǎo)致，同時電流的衰減也有一部分是來源于光學(xué)損失，因為測試過程中發(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) 戶外運行，在信陽地區(qū)戶外運行才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．

 

 

SM55組件的外觀缺陷暫時不影響其安全使用;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未對SM55組件功率造成影響．SM55組件的功率衰減主要來源于電學(xué)損失，也有一小部分來源于光學(xué)損失;由于SM55組件長期運行于深圳沿海地區(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？