30年光伏組件再應用性能評估

王宏磊，金葉義，陳榮榮，董 嫻，沈 輝，2（.中山大學 太陽能研究所，廣東省光伏技術(shù)重點實驗室，廣東 廣州 50006；2.順德中山大學太陽能研究院，廣東省光伏技術(shù)重點實驗室，廣東 佛山 528300）

科技與應用

30年光伏組件再應用性能評估

王宏磊1，金葉義1，陳榮榮1，董 嫻2?，沈 輝1，2
（1.中山大學 太陽能研究所，廣東省光伏技術(shù)重點實驗室，廣東 廣州 510006；
2.順德中山大學太陽能研究院，廣東省光伏技術(shù)重點實驗室，廣東 佛山 528300）

晶體硅光伏組件在戶外長期運行時，各種材料會出現(xiàn)性能衰退。通過探究一批使用約30年的多晶硅組件，發(fā)現(xiàn)其在戶外使用28年后衰減率僅為5.37%。此外，通過長期監(jiān)測組件發(fā)電性能研究其在廣州地區(qū)的發(fā)電和衰減情況，并采用EL測試研究材料衰變對組件影響，評估光伏組件的可靠性。

光伏組件；多晶硅；質(zhì)保期限；EL；可靠性

晶體硅光伏組件在戶外長期運行時，受到外界環(huán)境的影響，性能會衰退。組件性能的衰退來自環(huán)境作用下材料性能衰退，如玻璃在戶外使用積灰導致透光減少；EVA在紫外、高溫下變黃、脫層；電池片隱裂、電極銹蝕；組件背板開裂、粉化、熱斑融化；接線盒內(nèi)接線柱及導線銹蝕、二極管失效［1］。鑒于以上諸多衰減因素的存在，光伏企業(yè)和用戶，對光伏組件超長時間使用后的性能都極為關(guān)注。關(guān)于光伏組件質(zhì)保，制造商一般的承諾是運行10年衰減不超過標定值的10%，25年衰減不超過80%，2014年比亞迪公布其研發(fā)的“430”硅膠雙玻光伏組件，獲得TUV萊茵認證，將光伏組件質(zhì)保提升到40年，表1為光伏組件的質(zhì)保發(fā)展歷程［2］。實驗選取一批超質(zhì)保期限使用的光伏組件，針對此批組件，對其發(fā)電性能、組件衰減、外觀異常等進行評估，為超期服役的多晶硅組件再利用提供依據(jù)。

1　組件概況

多晶硅組件為美國Solarex公司1982年生產(chǎn)，1986年安裝于海南省東方市尖峰嶺，一共177塊，

表1　光伏組件質(zhì)保發(fā)展歷程

用于通信微波站的供電，2008年12月份由于光伏電站擴容組件被拆下［3］。表2是組件的原始性能參數(shù)。

表2　組件原始信息

組件共177塊，其中有6塊組件因接線柱銹蝕斷路無法檢測，其余測試電性能良好。因組件接線盒盒體與后蓋間的連接老化，盒內(nèi)金屬接線端子開始腐蝕，接線盒連接脫松，連接線、引出線電纜腐蝕等，為重新使用，將此批組件接線盒全部更換。

表3　144塊再應用Solarex組件的更換接線盒前后I-V數(shù)據(jù)對比

表3為組件更換接線盒前后的I-V數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來自144塊用于電站建設的組件。由參數(shù)對比可知，組件更換接線盒后功率上升，表明接線盒內(nèi)金屬銹蝕等，對組件的效率有一定影響［4］。

2　發(fā)電性能評估

選取其中144塊組件，安裝成電站重新使用，該電站裝機容量5.886 kWp，舊組件安裝使用分成南陣、中陣和北陣三個陣列系統(tǒng)，使用逆變器型號為Danfoss ULX1800i，具體安裝時間是2010年7月，2010年10月開始有記錄數(shù)據(jù)。電站正常運行，截止到2014年3月，此電站共記錄發(fā)電20 375 kWh，有效發(fā)電1 201天。具體數(shù)字見圖1，由圖可見光伏組件的發(fā)電量及日均輻射量隨著季節(jié)更迭，呈周期變化，整體上組件的每千瓦組件的日均發(fā)電量逐漸降低（其中2012年8月份及12月份部分氣象數(shù)據(jù)缺失）。

圖1　每千瓦組件日均發(fā)電量與日均輻射量之間關(guān)系

組件本身功率的衰減，日均輻照量的降低，溫度的變化，都會造成發(fā)電量的減少。綜合組件I-V測試結(jié)果，組件平均功率下降很小，不是影響發(fā)電量主要因素；參考氣象資料可知，近兩年霧霾及雨水多發(fā)，日均輻照量降低較大，導致發(fā)電量減少。如2012年9月份輻射為4.29 kWh/m2，2013年9月份日均輻射量為3.66 kWh/m2，在月平均溫度和濕度都相差不大時，每千瓦組件的日均發(fā)電量由2012年9月的3.66 kWh減少為2013年9月的3.11 kWh，綜上可知，近兩年的日均輻照量的減少為發(fā)電量降低的主要原因。

3　衰減評估

光伏組件的使用壽命及衰減一直存在爭議，近期國內(nèi)就有關(guān)于光伏組件在使用初期就嚴重衰減的報道。但根據(jù)更廣泛的數(shù)據(jù)調(diào)查，NREL在2012年對光伏組件的衰減做了詳細的分析，數(shù)據(jù)來自已發(fā)表的論文和報道，主要統(tǒng)計了歐洲、美國、澳大利亞和日本的2 000多塊戶外運行的光伏組件，其中包含了1 751塊晶體硅組件。研究發(fā)現(xiàn)，晶體硅的年平均衰減率為0.7%/年，衰減的中間值為0.5%/年，完全滿足組件在使用初期提出的20年的質(zhì)保期限［5］。實驗室對多晶硅組件的測試也同樣證明了晶體硅組件的低衰減率。

本文所選取的Solraex多晶組件，在清洗之后進行I-V一共進行了三次測試，均采用STC環(huán)境室內(nèi)測試方法。2009年，組件采用德國OPsolar設備進行進行了兩次測試，分別為換接線盒前后，測試數(shù)據(jù)見表3；2014年，為跟蹤組件衰減，采用德國Halm對組件進行測試，測試儀器均為3A光源，測試分析見表4。

表4　Solarex多晶硅組件戶外運行28年后的電性能參數(shù)

從表4可以看出，此批組件在戶外正常運行了28年之后，其衰減率為5.37%，年均衰減率為0.19%。在儀器帶來的測試誤差和缺失標版、原始數(shù)據(jù)誤差的情況下，可以認為組件在海南尖峰嶺安裝使用的功率年平均衰減率約為0.18%，在廣州大學城繼續(xù)使用的年平均衰減率約為0.22%，遠低于NREL的統(tǒng)計分析值。廣州大學城的功率年衰減率高于海南尖峰嶺的衰減率，原因一是儀器存在測試誤差；二是隨著使用年限的增加，組件材料衰退即將達到閾值，衰減率增大，也許在未來幾年，組件性能會急劇衰減，我們將持續(xù)跟蹤。組件的衰減主要來源于Isc的損失，Voc變化相對較小，見圖2。

圖2　組件戶外運行28年后相對標稱值衰減情況

4　材料衰變對電池的影響

長時間在戶外暴曬使用，組件材料表面在運行過程中出現(xiàn)了不同程度的缺陷，主要表現(xiàn)為背板粉化開裂、EVA表面不規(guī)則紋路及柵線銹蝕，挑選其中情況較為嚴重的47塊組件進行EL測試，進一步分析背板衰退對電池的影響和EVA產(chǎn)生不規(guī)則紋路的原因。通過測試發(fā)現(xiàn)材料性能的衰變對電池產(chǎn)生較大影響，主要分為如下四類：

1）組件EVA脫層。組件表面紋路裝脫層處如圖3邊框1中所示，其對應的EL圖像中電池片的隱裂形狀同紋路形狀一致，說明紋路狀脫層與電池隱裂密切相關(guān)，具體是電池隱裂導致EVA與電池產(chǎn)生紋路狀脫層，還是紋路狀脫層形成過程中，EVA蜷縮變形導致隱裂，原因還在進一步探索中；而邊緣大面積脫層如圖3邊框2中所示，對應組件EL圖像中未出現(xiàn)黑片，此種脫層未引起電池隱裂；圖3中所描述的脫層與隱裂的關(guān)系在此批組件中普遍存在。

圖3　組件表面脫層與其EL對照圖

2）組件背板開裂。此批組件存在大量的背板開裂情況，具體開裂情況如圖4所示。圖5、圖6所示的是背板開裂處組件正面照片。

圖4　組件背板開裂圖

圖5　背板開裂導致邊緣變黑

圖6　背板開裂處電池未出現(xiàn)異常

分析得知，圖5中邊框3區(qū)域內(nèi)背板開裂后，伴隨EVA蜷縮產(chǎn)生氣泡，水汽和空氣侵入，導致電池細柵銹蝕，電池片電阻變大，導致組件EL圖邊緣變黑；背板開裂與電池邊緣變黑的關(guān)系在此批組件中廣泛存在。

圖6中邊框區(qū)4區(qū)域內(nèi)背板開裂，此處背板雖開裂，但EVA完好，未產(chǎn)生氣泡，EL圖像中電池片未如圖5中所示的出現(xiàn)邊緣變黑現(xiàn)象。由此可知，背板開裂并不一定能導致電池EL圖異常，背板開裂并伴隨著EVA透水透氣下降，引起柵線銹蝕，出現(xiàn)電池片EL圖變黑的可能性較大。

3）柵線銹蝕。圖7中所示組件柵線銹蝕的情況在此電站中存在多處，此處無背板開裂情況，可能是背板防水性能衰退，組件細柵在組件運行時腐蝕。對比框5內(nèi)柵線和EL圖可知，柵線銹蝕導致電接觸不良，引發(fā)電池EL圖像變黑。

圖7　柵線銹蝕導致電池EL圖像變黑

4）互聯(lián)條銹蝕。圖8中所示組件互聯(lián)條銹蝕嚴重，此種情況多見于背板開裂的組件。框6區(qū)域內(nèi)觀察可知互聯(lián)條銹蝕嚴重，導致電池互聯(lián)條與電池接觸電阻過大，整片電池出現(xiàn)黑片。

圖8　互聯(lián)條銹蝕導致電池暗片

5　結(jié)論

通過重新使用并追蹤記錄一批超過質(zhì)保期限的多晶硅組件，發(fā)現(xiàn)在戶外運行28年的組件，發(fā)電性能良好，功率衰減很低，僅為5.37%。在對電池EVA脫層與氣泡、背板開裂、柵線銹蝕等現(xiàn)象做EL分析時發(fā)現(xiàn)：EVA紋路狀脫層與電池隱裂同時出現(xiàn)，電池邊緣EVA大面積脫層處不存在隱裂或EL圖像變黑；在背板開裂并伴隨EVA蜷縮產(chǎn)生氣泡的情況下，水汽及空氣腐蝕細柵，才會導致EL圖像變黑；細柵及主柵的銹蝕會導致對應位置EL圖像變黑及電池暗片。但對這些現(xiàn)象的成因還要更進一步探討，實驗室也會持續(xù)跟蹤這批組件的性能。同時，基于長期的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量可靠的組件在戶外實際運行時能夠完全滿足目前的質(zhì)保條件，隨著行業(yè)對組件可靠性的關(guān)注，組件質(zhì)量和壽命也會得到更有力的保障。

［1］MUNOZ M A，ALONSO-GARCIA M C，VELA N，et al. Early degradation of silicon PV modules and guaranty conditions［J］.Solar Energy，2011，85（9）：2264-2274.

［2］董嫻，陳思銘，何國銳，等.戶外正常使用23年晶體硅舊組件的材料分析［C］.南京：第十一屆中國光伏大會暨展覽會，2010.

［3］陳萼，孫韻琳，洪瑞江，等.長期使用的多晶硅光伏組件發(fā)電性能分析與評估［J］.太陽能學報，2013（2）：227-232.

［4］林偉，陳萼，孫韻林，等.舊光伏組件接線盒拆裝方式分析［J］.太陽能技術(shù)與產(chǎn)品，2011（7）：26-42.

［5］JORDAN D C，KURTZ S R.Photovoltaic degradation rates—an analytical review［J］.Progress in photovoltaics：Research and Applications，2013，21（1）：12-29.

［責任編輯：吳卓］

Evaluation of the Performance of 30-Year-Old PV Modules

WANG Honglei1，JIN Yeyi1，CHEN rongrong1，DONG Xian2*，SHEN Hui1，2
（1.Institute for Solar Energy Systems，Sun Yat-sen University，Guangzhou Guangdong 510006，China；
2.Shunde SYSU Institute for Solar Energy，F(xiàn)oshan Guangdong 528300，China）

When operating outdoors over a lengthy period of time，performance degradation of materials of silicon PV modules would occur.The authors of this paper studied a batch of approximately 30-year-old polycrystalline silicon modules and found that the power degradation is only about 5.37%after 28 years outdoor operation.In addition，these modules were being monitored to study their electricity yield and power degradation in Guangzhou city，and the EL tester was used to detect these modules'defects in order to find out the influence of material degradation towards module performance and evaluate the reliability of PV modules.

PV module；polycrystalline silicon；degradation；EL；reliability

TM615

A

1672-6138（2015）01-0018-04

10.3969/j.issn.1672-6138.2015.01.004

2014-12-12

王宏磊（1989—），男，河南周口人，碩士研究生，研究方向：光伏發(fā)電技術(shù)。

董嫻（1986—），女，碩士，E-mail:xiandong00@163.com。