光伏組件加速試驗(yàn)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

■ 鄭海興 余榮斌 舒碧芬 沈輝

(1.廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院；2.南方電網(wǎng)綜合能源有限公司；3.中山大學(xué)太陽能系統(tǒng)研究所)

一 引言

自光伏技術(shù)開始規(guī)模應(yīng)用以來，光伏組件的質(zhì)量一直是光伏行業(yè)關(guān)注的核心問題，光伏組件在戶外工作中出現(xiàn)的各種失效現(xiàn)象及機(jī)理也一直是人們研究的對(duì)象。

光伏組件在戶外工作期間常會(huì)遭受各種環(huán)境因素的影響，有：氧化腐蝕、電化學(xué)腐蝕、化學(xué)腐蝕，尤其是金屬材料、接線盒內(nèi)的化學(xué)腐蝕等；水蒸氣侵蝕、其他導(dǎo)致封裝材料老化的氣體等，包括封裝材料的起泡、脫層、老化、絕緣性降低等；風(fēng)、冰雹、安裝等造成的物理損壞，包括玻璃的破碎、表面的污染物、太陽電池的破碎、邊框的扭曲等；熱擴(kuò)散、熱膨脹系數(shù)不匹配、過熱，包括背板材料的開裂、太陽電池的裂紋、接線盒的內(nèi)二極管的過熱、內(nèi)部連接失效、熱斑等；紫外輻射，包括封裝材料的老化、變色、脆化、交聯(lián)度升高、EVA機(jī)械性能降低、連接器的老化等；高電勢差、電流，包括組件內(nèi)太陽電池的極化等；打弧導(dǎo)致的開路或短路、EVA過熱變黃、焊帶融化等。受各種環(huán)境因素的影響，光伏組件會(huì)出現(xiàn)多種失效現(xiàn)象，如圖1所示。

本文將光伏組件失效現(xiàn)象分為三大類：太陽電池失效，包括太陽電池、焊帶；封裝材料的失效，包括玻璃、EVA、背板材料；外部元件失效，包括接線盒、二極管。

在常規(guī)戶外環(huán)境下，環(huán)境應(yīng)力因素對(duì)光伏組件性能的影響較小，需長時(shí)間觀察、測試、收集才能反饋組件存在的質(zhì)量問題。為了在較短時(shí)間內(nèi)通過合理的方法、途徑發(fā)現(xiàn)光伏組件存在的潛在問題，反饋給光伏組件的生產(chǎn)企業(yè)，加速老化試驗(yàn)被引入到光伏組件的質(zhì)量測試及壽命評(píng)估方面，并得到了不斷發(fā)展。自1994年開始，BP太陽能收集了來自于戶外的4200多個(gè)小組件，并做了相應(yīng)的失效分類，見表1[1]。

表1 失效類型

自1975年JPL開始發(fā)展光伏組件質(zhì)量測試以來，全球多個(gè)光伏測試實(shí)驗(yàn)室以及光伏生產(chǎn)廠商努力在設(shè)計(jì)加速試驗(yàn)程序，發(fā)展地面光伏組件標(biāo)準(zhǔn)化加速試驗(yàn)測試程序，在盡可能重現(xiàn)光伏組件在現(xiàn)實(shí)中出現(xiàn)的現(xiàn)象上做了廣泛的研究及努力。其中包括發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)化的測試程序以發(fā)現(xiàn)組件設(shè)計(jì)的潛在缺陷以及失效機(jī)理，并促使這些測試程序成為國家級(jí)認(rèn)可和國際認(rèn)可的質(zhì)量測試標(biāo)準(zhǔn)，如IEC 61215地面晶體硅光伏組件設(shè)計(jì)與鑒定標(biāo)準(zhǔn)[2]、IEC 61646 地面薄膜光伏組件設(shè)計(jì)與鑒定標(biāo)準(zhǔn)[3]、IEC 62108聚光太陽能接收器和組件之評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)[4]。Hoffman 和 Ross認(rèn)為，標(biāo)準(zhǔn)測試的目的是為了更快發(fā)現(xiàn)在環(huán)境中可能出現(xiàn)的失效或者衰減現(xiàn)象，也反映了快速反饋設(shè)計(jì)方案在產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)計(jì)開發(fā)中的相對(duì)優(yōu)勢和可接受性[5]。

早期加速試驗(yàn)的開展并沒有現(xiàn)實(shí)現(xiàn)象可觀察、對(duì)比及驗(yàn)證，其中測試程序中包含某些起初認(rèn)為很有必要的測試項(xiàng)目，然而隨著時(shí)間的推移及經(jīng)驗(yàn)的驗(yàn)證被證明是不必要的測試項(xiàng)目，如組件扭曲測試等。隨著標(biāo)準(zhǔn)測試的發(fā)展，一些特殊加速測試方式也被用于篩選測試薄膜光伏組件、封裝材料，甚至有些測試項(xiàng)目已經(jīng)發(fā)展成為標(biāo)準(zhǔn)測試，如已經(jīng)發(fā)展成為用于檢測薄膜光伏組件獨(dú)特失效現(xiàn)象和潛在問題的光老練測試。隨著用于光伏的加速試驗(yàn)測試方法的發(fā)展，一些典型標(biāo)準(zhǔn)的測試參數(shù)也被用于光伏組件的壽命測試與評(píng)估，并試圖尋找光伏組件在加速試驗(yàn)時(shí)間與實(shí)際運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系[6]。大多現(xiàn)有的壽命測試或可靠性測試是基于標(biāo)準(zhǔn)測試參數(shù)進(jìn)行，如增加85℃/85DH 時(shí)間至3000h，增加熱循環(huán)次數(shù)到400次等，這些測試在一定程度上能反映出光伏組件的可靠性情況，但是需要的時(shí)間更長。典型的IEC61215 地面晶體硅光伏組件質(zhì)量測試程序如圖3所示?，F(xiàn)有光伏組件加速試驗(yàn)基本上都是基于IEC61215的試驗(yàn)參數(shù)[2]，某些環(huán)節(jié)并不能反應(yīng)光伏組件在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中經(jīng)受的各種應(yīng)力考驗(yàn)，仍需進(jìn)一步改進(jìn)。

在實(shí)際進(jìn)行光伏組件材料的評(píng)估時(shí)，某些更加殘酷的加速試驗(yàn)也被用于封裝材料的性能測試——高加速測試，以便在更短時(shí)間內(nèi)得到想要結(jié)果。光伏組件規(guī)模應(yīng)用已經(jīng)有30多年的時(shí)間，各種失效現(xiàn)象已證實(shí)現(xiàn)有光伏測試程序的可接受性，但是隨著一些在組件生產(chǎn)、運(yùn)送、運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)的新的失效現(xiàn)象，如組件在震動(dòng)中的損壞、太陽電池在高電勢差下的極化(電容效應(yīng))等，現(xiàn)有測試項(xiàng)目并不能完全覆蓋所有失效情況，一些新的測試項(xiàng)目有必要加入測試程序來完善整個(gè)測試標(biāo)準(zhǔn)，光伏組件的加速試驗(yàn)測試更加基于現(xiàn)實(shí)來發(fā)展。同時(shí)，基于現(xiàn)實(shí)的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)也開始用于光伏組件的失效預(yù)測與壽命預(yù)測。

二 光伏組件加速試驗(yàn)研究現(xiàn)狀

當(dāng)今對(duì)光伏組件的加速試驗(yàn)研究主要集中在壽命測試、結(jié)合實(shí)際失效情況的加速試驗(yàn)、采用物理模型進(jìn)行加速試驗(yàn)的仿真模擬。

1 壽命測試

光伏組件的壽命可定義為光伏組件性能(電性能、絕緣性能、外觀等)不再具有繼續(xù)滿足實(shí)際生產(chǎn)需要的特性時(shí)所需時(shí)間或當(dāng)其輸出低于某一可接受值所需要的時(shí)間。對(duì)于光伏組件生產(chǎn)企業(yè)來說，光伏組件的壽命可認(rèn)為是光伏組件生產(chǎn)企業(yè)所保證的性能輸出低于某個(gè)限值，如原輸出性能的80%所需時(shí)間，如果光伏組件超過這個(gè)年限，將不再具有經(jīng)濟(jì)性[7]。另一種加速壽命試驗(yàn)定義為對(duì)光伏組件進(jìn)行應(yīng)力加速直到其出現(xiàn)失效情況所需要的時(shí)間。Wohlgemuth J H等[8]描述了BP太陽能根據(jù)組件實(shí)時(shí)戶外測試、組件戶外工作情況反饋、加速試驗(yàn)測試來估計(jì)光伏組件的使用壽命。

2006年，一篇文獻(xiàn)報(bào)道了BP太陽能500次熱循環(huán)和1250h85/85 DH(damp and heat)試驗(yàn)結(jié)果，文章參考了JPL的腐蝕加速模型[9]，認(rèn)為1000h85/85 DH 試驗(yàn)等同于邁阿密20年的戶外暴曬，但是對(duì)一種新的光伏組件背板材料的測試顯示，濕度和溫度分別是65/85和85/85的實(shí)驗(yàn)條件并沒有遵循JPL加速模型的預(yù)測[10]，如把光伏組件在加速試驗(yàn)經(jīng)歷的時(shí)間同光伏組件實(shí)際應(yīng)用的壽命相聯(lián)系，需加速因子相關(guān)的知識(shí)，然而涉及該領(lǐng)域的文獻(xiàn)少之又少。

1983年，Otth D H等[11]試圖采用85/85 DH試驗(yàn)時(shí)間同在潮濕氣候下實(shí)際工作時(shí)間相關(guān)聯(lián)的模型，并且該模型影響了1000h作為標(biāo)準(zhǔn)測試時(shí)間的選擇，然而該模型僅適用于單個(gè)失效機(jī)理：由聚合物絕緣材料的電阻率驅(qū)動(dòng)的金屬觸點(diǎn)的腐蝕，其他失效機(jī)理的加速因子尚且未知。

因此，不能夠說明如果一個(gè)光伏組件通過了標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量測試就能生產(chǎn)電力達(dá)到一定年數(shù)，并且，標(biāo)準(zhǔn)測試也不能用來決定光伏組件的壽命，因?yàn)樗⒉荒軠y試所有的失效機(jī)理。Czanderna A W等[12，13]討論開發(fā)光伏新技術(shù)的早期階段引入加速壽命測試的必要性，闡述結(jié)合加速試驗(yàn)以及戶外實(shí)時(shí)監(jiān)測的重要性，利用大量樣本并采用壽命預(yù)測方法預(yù)測采用現(xiàn)有或新的光伏技術(shù)的光伏組件的壽命，隨后，闡述了預(yù)測光伏組件服務(wù)壽命的重要性，并提出對(duì)光伏組件壽命預(yù)測的方法。

2 結(jié)合實(shí)際失效情況的加速試驗(yàn)

加速試驗(yàn)不應(yīng)該脫離現(xiàn)實(shí)環(huán)境，采用加速試驗(yàn)對(duì)光伏組件的可靠性及壽命評(píng)估預(yù)測應(yīng)該基于現(xiàn)實(shí)的實(shí)測數(shù)據(jù)。Herrmann W等[14]認(rèn)為熱循環(huán)作為測試晶體硅光伏組件IEC61215的一部分，主要用來評(píng)估由于熱-機(jī)械應(yīng)力沖擊導(dǎo)致光伏組件性能衰退，迄今為止，定義的溫度梯度和循環(huán)時(shí)間超過實(shí)際自然界的氣候沖擊。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)測試IEC61215的200～800次循環(huán)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)比同一型號(hào)7個(gè)不同廠家的晶體硅光伏組件的實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果和3年不通氣候的戶外測試結(jié)果，評(píng)估對(duì)輸出功率、絕緣性、組件內(nèi)部互聯(lián)等衰退的影響，通過收集不同地區(qū)的溫度梯度，提出了由于材料的熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致熱機(jī)械應(yīng)力的模型。Wohlgemuth J H等[15]列舉在戶外光伏組件出現(xiàn)的失效現(xiàn)象以及實(shí)驗(yàn)室中采用加速試驗(yàn)光伏組件出現(xiàn)的失效現(xiàn)象，提出針對(duì)光伏組件組成部分的特定測試程序來評(píng)估新型低成本組件的可靠性和耐久的評(píng)估方法。

Xia Z Y等[16]嘗試通過Arrhenius方程聯(lián)系實(shí)際加速試驗(yàn)的時(shí)間與實(shí)際戶外時(shí)間的相關(guān)性，認(rèn)為經(jīng)過85℃/85RH 1000h的試驗(yàn)時(shí)間與65℃/85RH EVA老化14年相等同、PET老化19年等同；以85℃/85RH為基準(zhǔn)，通過測試EVA透過率以及PET結(jié)晶度，計(jì)算85℃/95RH、124℃/0.14MPa、90℃/0.7W/m2UV老化的加速因子。Wohlgemuth J H 等[17]利用長期的戶外數(shù)據(jù)以及失效返回情況同加速試驗(yàn)相結(jié)合來預(yù)測光伏組件的壽命及失效機(jī)理。根據(jù)戶外光伏組件的失效情況，BP發(fā)展了自己的光伏組件測試程序，在IEC61215的基礎(chǔ)上增加了250h的85℃/85RH和1000次的機(jī)械載荷試驗(yàn)。Laronde R等[18]利用Arrhenius和威布爾壽命分布提出一個(gè)模擬溫度參數(shù)對(duì)光伏組件可靠性的影響，根據(jù)實(shí)測光伏組件的溫度數(shù)據(jù)，對(duì)組件壽命進(jìn)行了模擬，認(rèn)為壽命可達(dá)29年。 V?zquez M等[19]通過對(duì)戶外光伏組件光電性能的衰減數(shù)據(jù)的收集和整理，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，提出根據(jù)光伏組件衰減率來預(yù)測光伏組件壽命及失效率的模型，認(rèn)為該模型在設(shè)定光伏組件的保證期是有效的。

3 基于現(xiàn)實(shí)環(huán)境或試驗(yàn)的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬

采用戶外測試的數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬來預(yù)測戶外環(huán)境對(duì)光伏組件的影響近年也得到一定發(fā)展。2006年，Reisner E U等[20]采用數(shù)值模擬的方法模擬水蒸氣滲透晶體硅光伏組件的過程，計(jì)算了開放背板和密封的BIPV晶體硅組件的聚合物分子水解降解率。以BIPV為例，作者估計(jì)1000h85/85 DH試驗(yàn)對(duì)應(yīng)16年的熱帶環(huán)境時(shí)間，100年的德國柏林時(shí)間；以開放背板為例，作者發(fā)現(xiàn)濕熱試驗(yàn)時(shí)間與外部環(huán)境的時(shí)間無任何相關(guān)性，因此濕熱試驗(yàn)的老化結(jié)果與外部環(huán)境的老化情況幾乎無任何相關(guān)性。 Koehl M等[21]根據(jù)戶外收集的氣候數(shù)據(jù)，結(jié)合光伏組件出現(xiàn)的現(xiàn)象及 Arrhenius 方程，提出僅依賴于溫度和活化能的濕氣進(jìn)入組件背板和玻璃模型，并根據(jù)此模型及環(huán)境參數(shù)模擬濕氣在組件內(nèi)擴(kuò)散、組件在小氣候、組件在標(biāo)準(zhǔn)加速試驗(yàn)下對(duì)光伏組件的影響，提出模擬光伏組件壽命預(yù)測的方法。

三 總結(jié)

現(xiàn)有加速試驗(yàn)或物理模型還是基于早期的IEC61215 測試框架，并未進(jìn)行多種環(huán)境應(yīng)力耦合及重現(xiàn)現(xiàn)實(shí)的環(huán)境情況，尤其是在缺少光照這一應(yīng)力情況下，所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否正確還需商討。本項(xiàng)目結(jié)合當(dāng)前發(fā)展方向及研究熱點(diǎn)，采用全光譜高低溫循環(huán)環(huán)境試驗(yàn)箱對(duì)光伏組件進(jìn)行壽命預(yù)測預(yù)評(píng)估，結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真模擬光伏組件處于復(fù)雜環(huán)境因素條件下的老化機(jī)理，并通過全光譜高低溫環(huán)境實(shí)驗(yàn)對(duì)光伏組件進(jìn)行壽命評(píng)估。這樣不但可模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的溫度濕度變化，還可還原光伏組件在耦合300～3000nm波長的光照情況下出現(xiàn)的各種失效情況，對(duì)光伏組件進(jìn)行性能、壽命等評(píng)估，這樣更接近于現(xiàn)實(shí)環(huán)境，更具有說服力，并且通過物理模型對(duì)光伏組件的失效機(jī)理進(jìn)行分析，更能對(duì)光伏組件耐候性、可靠性進(jìn)行進(jìn)一步研究。

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