光伏組件全生命周期的檢測(cè)分析

■ 陳偉徐軍陸元明李慶樂(lè)李曉瑞董志超

（1.上海電力新能源發(fā)展有限公司；2.北京金鴻泰科技有限公司）

光伏組件全生命周期的檢測(cè)分析

■ 陳偉1徐軍1陸元明1李慶樂(lè)2*李曉瑞2董志超2

（1.上海電力新能源發(fā)展有限公司；2.北京金鴻泰科技有限公司）

重點(diǎn)研究在光伏系統(tǒng)25年全生命周期中應(yīng)在各個(gè)階段對(duì)光伏組件進(jìn)行的檢測(cè)項(xiàng)目。光伏組件應(yīng)通過(guò)檢測(cè)手段從根源了解已出現(xiàn)的問(wèn)題和潛在問(wèn)題，及時(shí)進(jìn)行更換和維護(hù)，使其在全生命周期中高效運(yùn)行，創(chuàng)造更高的價(jià)值和財(cái)富。

全生命周期；光伏組件；EL測(cè)試；標(biāo)稱(chēng)功率；PID；紅外熱斑

0 引言

大型地面集中式光伏電站占地面積大，運(yùn)行設(shè)備多。電站一旦竣工再進(jìn)行二次整改會(huì)造成很多麻煩，且經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致整個(gè)組串、逆變器甚至整個(gè)方陣停止運(yùn)行，造成經(jīng)濟(jì)損失。因此在電站建設(shè)期間，就應(yīng)對(duì)設(shè)備質(zhì)量嚴(yán)格把關(guān)，避免潛在隱患在后期對(duì)電站造成影響。

電站在運(yùn)行后的不同時(shí)段，會(huì)出現(xiàn)工程隱患、設(shè)備老化、環(huán)境影響等因素造成的發(fā)電不良或設(shè)備損壞，類(lèi)似此類(lèi)故障應(yīng)及時(shí)處理，避免事態(tài)嚴(yán)重，造成更大損失。通過(guò)檢測(cè)結(jié)果記錄的積累，可建立電站健康檔案，對(duì)經(jīng)常出現(xiàn)問(wèn)題的設(shè)備進(jìn)行重點(diǎn)觀察和維護(hù)工作；還可通過(guò)這些記錄和檔案對(duì)下一次的采購(gòu)與選型提供有價(jià)值性的參考。所以，光伏電站應(yīng)從建設(shè)期開(kāi)始，即對(duì)站內(nèi)的關(guān)鍵設(shè)備特別是光伏組件進(jìn)行檢測(cè)。

1 光伏電站組件測(cè)試

大型地面光伏電站的裝機(jī)容量和系統(tǒng)規(guī)模雖然會(huì)有所不同，但主要組成結(jié)構(gòu)大體相同，其主要設(shè)備為光伏組件、直/交流匯流箱、逆變器、升壓箱式變壓器、關(guān)口計(jì)量表，主流光伏電站還應(yīng)配有環(huán)境監(jiān)測(cè)儀等設(shè)備。其中，光伏組件在整個(gè)光伏系統(tǒng)中，數(shù)量和造價(jià)所占比例均為最高，所以本次主要針對(duì)光伏組件進(jìn)行分析討論。

光伏發(fā)電的能量來(lái)源于太陽(yáng)能，光伏電站把光能轉(zhuǎn)化為電能的唯一設(shè)備就是光伏組件，所以光伏組件的性能尤為重要。

光伏電站組件測(cè)試過(guò)程為：

1)在光伏組件的生產(chǎn)制造階段應(yīng)對(duì)組件進(jìn)行標(biāo)稱(chēng)功率標(biāo)定和EL測(cè)試，確保出廠時(shí)對(duì)組件已做好分類(lèi)且無(wú)隱裂等影響功率的問(wèn)題；

2)在組件運(yùn)送到項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)后應(yīng)進(jìn)行EL測(cè)試排查，確保運(yùn)輸過(guò)程無(wú)損壞；

3)在安裝施工完成后進(jìn)行組件標(biāo)稱(chēng)功率現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、紅外測(cè)試和EL測(cè)試，確保施工過(guò)程中未對(duì)組件造成影響，并驗(yàn)證組件性能與可研和技術(shù)協(xié)議要求是否吻合；

4)在電站的運(yùn)行過(guò)程應(yīng)每隔半年進(jìn)行一次組件標(biāo)稱(chēng)功率測(cè)試、紅外測(cè)試和EL測(cè)試，以對(duì)比分析組件在全生命周期中隨著時(shí)間的推移所發(fā)生的性能變化。

2 組件標(biāo)稱(chēng)功率現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

目前市面主流光伏組件的功率在180～300 W之間，電壓約為37 V，電流在10 A以?xún)?nèi)。只有在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件(簡(jiǎn)稱(chēng)STC，輻照度1000 W/m2、電池溫度25 ℃)下，光伏組件的輸出功率才為“標(biāo)稱(chēng)功率”。當(dāng)輻照度和溫度發(fā)生變化時(shí)，功率會(huì)發(fā)生變化。另外，功率誤差為±3%，說(shuō)明組件的實(shí)際功率為標(biāo)稱(chēng)功率數(shù)值±3%，屬正常。隨著光照時(shí)間的增加，組件輸出功率不斷呈下降趨勢(shì)。將光伏組件在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下的發(fā)電功率除以標(biāo)稱(chēng)功率得到的值轉(zhuǎn)換成百分?jǐn)?shù)，再用1減去該百分?jǐn)?shù)可得到光伏組件的衰減率。依據(jù)IEC 60891-2009，實(shí)測(cè)I-V特性的修正公式為：

式中，I0為STC下的電流值，A；I為實(shí)測(cè)電流值，A；Isc為實(shí)測(cè)短路電流值，A；V0為STC下的電壓值，V；V為實(shí)測(cè)電壓值，V；G1為實(shí)測(cè)輻照度，W/m2；G2為STC下的輻照度，為常數(shù)，取G2=1000 W/m2；α為組件電流溫度系數(shù)，為常數(shù)，℃-1；T0為STC下的電池溫度，為常數(shù)，取T0=25℃；T為實(shí)測(cè)電池溫度，℃；β為組件電壓溫度系數(shù)，為常數(shù)，℃-1；K為曲線修正系數(shù)，為常數(shù)；Rs為組件內(nèi)阻，Ω。

光伏組件的衰減率會(huì)隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加而逐漸增加。光伏組件的衰減現(xiàn)象主要由4個(gè)方面誘發(fā)和生成：

1)未開(kāi)封即未見(jiàn)光的組件在首次暴露在陽(yáng)光充分的環(huán)境條件下，會(huì)出現(xiàn)初始光衰減現(xiàn)象；

2)光伏組件背板的EVA材料和封裝外觀等相關(guān)材料雖具有抗氧化、耐高溫等特性，但在長(zhǎng)期的腐蝕、風(fēng)化和惡劣環(huán)境的影響下，還會(huì)出現(xiàn)設(shè)備或線路老化現(xiàn)象，導(dǎo)致光伏組件發(fā)電功率下降；

3)電站平時(shí)運(yùn)行維護(hù)處理問(wèn)題不及時(shí)，方法不當(dāng)，造成光伏組件損壞或功率衰減；

4)光伏組件光電轉(zhuǎn)換主要是由p-n結(jié)這種特性結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，在出廠前制造工藝或其他方面的質(zhì)量問(wèn)題也會(huì)導(dǎo)致光伏組件功率衰減。

另外，電位誘發(fā)衰減效應(yīng)(PID)也是誘發(fā)組件衰減的關(guān)鍵因素。單個(gè)組件正常工作，電壓在37～40 V，大型光伏電站會(huì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求將20或22塊組件進(jìn)行串聯(lián)形成組串，此時(shí)組串電壓為700～800 V。組件長(zhǎng)時(shí)間在該量級(jí)電壓下，會(huì)在玻璃封裝材料之間產(chǎn)生漏電流，大量電荷堆積在組件表面，使得組件表面的鈍化效果惡化，導(dǎo)致組件性能低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。PID現(xiàn)象越嚴(yán)重，組件衰減將會(huì)隨之增加，從而影響組串的輸出功率。若此現(xiàn)象普遍出現(xiàn)，將會(huì)影響電站整體發(fā)電量，造成一定損失。高溫、高濕、高鹽堿的沿海地區(qū)極易發(fā)生PID現(xiàn)象。組件功率衰減直接關(guān)系到光伏組件的發(fā)電效率，因此，研究組件功率衰減非常有必要。

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，晶體硅太陽(yáng)電池第1年組件衰減不能超過(guò)2.5%，其后每年遞減0.7%。但有很多廠家的光伏組件達(dá)不到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，要通過(guò)組件性能測(cè)試進(jìn)行驗(yàn)證和分析。

通過(guò)使用I-V曲線測(cè)試儀對(duì)光伏組件進(jìn)行測(cè)試，得到光伏組件的短路電流、開(kāi)路電壓；實(shí)測(cè)最大功率、最大功率點(diǎn)電流、最大功率點(diǎn)電壓，并記錄測(cè)試時(shí)的溫度和輻照度。根據(jù)STC修正公式，將組件功率轉(zhuǎn)換成STC標(biāo)準(zhǔn)條件下的功率值，得到組件的衰減率。

通過(guò)對(duì)大量的組件電流、電壓、功率、衰減率進(jìn)行點(diǎn)分析和曲線分析，得到光伏組件現(xiàn)運(yùn)行階段下的狀態(tài)。

3 組件紅外檢測(cè)

光伏組件通常安裝在地域開(kāi)闊、陽(yáng)光充足的地帶，在長(zhǎng)期運(yùn)行使用中，難免落上飛鳥(niǎo)排泄物、塵土、落葉等遮擋物。這些遮擋物在光伏組件上就形成了陰影，在大型光伏組件方陣間，行間距不合適也能導(dǎo)致互相遮擋形成陰影。由于局部陰影的存在，光伏組件中某些電池單片的電流、電壓發(fā)生了變化，致使光伏組件局部電流與電壓之積增大，從而在這些光伏組件上產(chǎn)生了局部溫升現(xiàn)象。光伏組件中某些電池單片的本身缺陷也可能使組件在工作時(shí)局部發(fā)熱，發(fā)生熱斑效應(yīng)。

在實(shí)際使用太陽(yáng)電池時(shí)，如果熱斑效應(yīng)引起的溫度超過(guò)了一定極限，將會(huì)使光伏組件上的焊點(diǎn)熔化并毀壞柵線，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)光伏組件的報(bào)廢。據(jù)國(guó)外權(quán)威統(tǒng)計(jì)，熱斑效應(yīng)導(dǎo)致光伏組件的實(shí)際使用壽命至少減少10%[1]。這種熱斑效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重破壞太陽(yáng)電池板，且減少光伏組件壽命，降低整串光伏組串發(fā)電效率。長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)熱斑情況或熱斑溫度過(guò)高，易出現(xiàn)火災(zāi)等安全隱患(見(jiàn)圖1)。

通過(guò)紅外測(cè)試儀對(duì)光伏組件進(jìn)行熱紅外測(cè)試，在測(cè)試過(guò)程中將存在局部溫度過(guò)高的光伏組件進(jìn)行圖像和編號(hào)記錄，通過(guò)記錄進(jìn)行相應(yīng)處理(見(jiàn)圖2)。

圖1 安全隱患圖例

圖2 組件熱斑圖例

4 EL隱裂檢測(cè)

電致發(fā)光(EL)又可稱(chēng)為電場(chǎng)發(fā)光，是通過(guò)加在兩電極的電壓產(chǎn)生電場(chǎng)，被電場(chǎng)激發(fā)的電子碰擊發(fā)光中心，而引致電子在能級(jí)間的躍遷、變化、復(fù)合導(dǎo)致發(fā)光的一種物理現(xiàn)象[2]。

隱裂測(cè)試原理：晶體硅太陽(yáng)電池外加正向偏置電壓，電源向太陽(yáng)電池注入大量非平衡載流子，電致發(fā)光依靠從擴(kuò)散區(qū)注入的大量非平衡載流子不斷地復(fù)合發(fā)光，放出光子；再利用CCD相機(jī)捕捉到這些光子，通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理后顯示出來(lái)；整個(gè)測(cè)試過(guò)程在暗室中進(jìn)行。

EL圖的亮度正比于電池片的少子擴(kuò)散長(zhǎng)度與電流密度，有缺陷的地方，少子擴(kuò)散長(zhǎng)度較低，所以顯示出的圖像亮度較暗。通過(guò)EL圖的分析可有效發(fā)現(xiàn)硅材料缺陷、印刷缺陷、燒結(jié)缺陷、工藝污染、裂紋等問(wèn)題[3]。

檢測(cè)缺陷類(lèi)型有：

1)隱裂，電池片中存在深色的線條；

2)黑心，電池中間存在明顯邊界的黑色噴墨狀區(qū)域；

3)斷柵，電池片細(xì)柵線方向有條狀的黑色線條或區(qū)域；

4)云片，電池中間存在明顯的灰黑色云霧狀區(qū)域；

5)破、碎片，電池片中存在有明顯邊界的黑色區(qū)域，并與周?chē)嬖诿黠@的碎痕和明暗對(duì)比；

6)明暗片，電池片整片顏色與同一組件的其他電池片顏色明暗不一；

7)主柵線區(qū)域明暗不一致，主柵線區(qū)域之間明暗等級(jí)不一致。

圖3 不同類(lèi)型缺陷EL圖

光伏組件在運(yùn)輸、搬運(yùn)、安裝等過(guò)程中，容易被踩踏、撞擊，或者自然環(huán)境下外力導(dǎo)致組件產(chǎn)生不易察覺(jué)的隱裂，極大影響組件輸出功率。

5 結(jié)束語(yǔ)

光伏電站應(yīng)在各階段對(duì)光伏組件的質(zhì)量進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)工作，每個(gè)階段的每一次檢測(cè)都是量身打造的一次體檢項(xiàng)目，也是電站今后運(yùn)行維護(hù)的第一手寶貴資料。發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理，確保電站成為優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定、高效可靠的精品工程，為光伏電站穩(wěn)定高效運(yùn)行提供指導(dǎo)性維護(hù)方向和建設(shè)性修正意見(jiàn)。

[1] 北京電子科技情報(bào)網(wǎng). 光伏電站頻繁“自燃” 中國(guó)制造遭遇質(zhì)疑[EB/OL]. http://www.ithowwhy.com.cn/auto/db/detail.as px?db=999011&rid=7448&agfi=0&cls=0&uni=True&cid=0&gp =3&showgp=True&prec=False&md=1&pd=12&msd=1&psd=1 2&mdd=7&pdd=213&count=10&reds=%d7%d4%c8%bc, 2012-06-25.

[2] 顧鑫. 低成本高效晶體硅材料及太陽(yáng)電池研究[D]. 浙江:浙江大學(xué), 2013-04-01

[3] 楊暢民, 張豪, 黃國(guó)鋒. 電致發(fā)光成像在晶體硅電池和組件質(zhì)量監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J]. 陽(yáng)光能源, 2009, (6): 42－44.

2016-06-23

李慶樂(lè)(1990—)，男，本科、中級(jí)工程師，主要從事光伏電站檢測(cè)方面的研究。liqingle@huntech.com.cn