有關(guān)光伏產(chǎn)品質(zhì)保期的思考

朱強(qiáng)忠 朱琛 沈燦軍 陳令 呂俊

光伏組件功率質(zhì)保多為0.7%/年，部分對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量更有信心的企業(yè)將質(zhì)保提升至0.55%/年，產(chǎn)品質(zhì)保年限都為25年。本文從組件功率角度淺談質(zhì)保年限及衰減速率，組件功率的提升有助于降低組件工作溫度，減小聚合物及金屬老化速率，從而增加組件質(zhì)保。

組件的長(zhǎng)期老化主要分為：玻璃鍍層衰減，EVA黃變，焊接老化，以及PID、接線盒及玻璃破損等。其中與長(zhǎng)期老化相關(guān)的因素為鍍層衰減、EVA黃變、焊接老化。早期EVA黃變主要是添加劑的原因，目前通過配方改良已解決這一問題。玻璃鍍膜的影響較為微弱，而且帝斯曼等廠商通過膜液改良已經(jīng)開發(fā)出長(zhǎng)期耐候膜液，大幅降低玻璃鍍膜引起的功率衰減，并且可以通過防塵等設(shè)計(jì)增加產(chǎn)品發(fā)電能力。

圖1 中山大學(xué)順德太陽(yáng)能研究院對(duì)服役23年組件的研究情況

2012年NREL對(duì)光伏組件老化問題進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示，組件年衰減速率平均為0.7%/年，大部分廠商產(chǎn)品為0.5%/年。部分廠家產(chǎn)品由于質(zhì)量管控問題導(dǎo)致衰減率較高。比較有趣的現(xiàn)象是，單晶產(chǎn)品衰減率要低于多晶產(chǎn)品，筆者認(rèn)為是與多晶組件效率低以及工作溫度較高有關(guān)。溫度的升高容易加速EVA黃變，導(dǎo)致短路電流下降，同時(shí)會(huì)加速組件性能老化。封裝材料老化速率與溫度的關(guān)系也可以近似表示為，溫度每上升10攝氏度，老化速率翻倍。從歷史數(shù)據(jù)看，光伏組件年衰減率在0.5%/年～0.7%/年是合理的。

中山大學(xué)順德太陽(yáng)能研究院的董嫻團(tuán)隊(duì)對(duì)組件的長(zhǎng)期老化也作了詳細(xì)研究。他們發(fā)現(xiàn)在海南熱帶地區(qū)運(yùn)行了23年的組件，其衰減僅為6%，遠(yuǎn)低于目前廠商質(zhì)保值。證明光伏產(chǎn)品的使用壽命遠(yuǎn)高于25年。對(duì)組件進(jìn)行重新測(cè)試后，他們將這批組件繼續(xù)進(jìn)行實(shí)證，目前仍在正常運(yùn)行。

以上數(shù)據(jù)表明，大部分廠商早期生產(chǎn)的組件是可以滿足質(zhì)保0.7%/年的標(biāo)準(zhǔn)的，其年衰減能力在0.5%/年～0.7%/年；目前光伏材料標(biāo)準(zhǔn)大幅提升，大部分廠商都可以滿足這一質(zhì)保要求。

光伏組件發(fā)電能力比較公認(rèn)的定義為，組件在大氣質(zhì)量為1.5、輻照強(qiáng)度為1000瓦/平方米、氣溫在25攝氏度時(shí)的發(fā)電功率。目前的組件功率大多為300瓦（60片電池片，1.6平方米左右），2007年前同等規(guī)模產(chǎn)品功率大約為225瓦?？梢院?jiǎn)單地設(shè)想下，對(duì)于光伏組件而言，能量是守恒的，這意味著在1000瓦/平方米的能量中，187.5瓦/平方米的能量以電能的形式被導(dǎo)出，另外812.5瓦/平方米的能量轉(zhuǎn)化為熱能，提升了組件溫度（玻璃反射較小，可以忽略），如圖2所示。實(shí)際使用中，由于組件溫度上升，發(fā)電能力下降，轉(zhuǎn)化為熱能的能量會(huì)更多。目前普通多晶組件的功率溫度系數(shù)一般為0.42%/攝氏度，單晶大約為0.41%/攝氏度，PERC單晶為0.37%/攝氏度。

圖2 光伏組件能量守恒模型圖

一般來說組件溫度可以按照公式（1）描述

其中Tcell為電池溫度，Tair為環(huán)境溫度，NOCT為開壓下額定電池工作溫度，S為輻照強(qiáng)度；一般產(chǎn)品的NOCT為33～58攝氏度，大多數(shù)組件NOCT為48攝氏度，所以1000瓦/平方米輻照條件下，組件溫度一般較環(huán)境溫度高35攝氏度。這個(gè)模型中并未考慮組件工作時(shí)的溫度，不適合用來評(píng)估不同組件的溫度差異。組件工作時(shí)，溫度會(huì)較開壓時(shí)低5攝氏度左右，預(yù)估組件溫度與環(huán)境溫度差為30攝氏度；這個(gè)值會(huì)隨著組件功率而變化，組件功率越高，組件與環(huán)境的溫差越小。

光伏組件的溫度模型相對(duì)較為復(fù)雜。為了簡(jiǎn)化模型，估算光伏組件的溫度差異，我們作了簡(jiǎn)便處理。首先，組件功率差異引起的溫度變化非常小，導(dǎo)致熱輻射和對(duì)流相關(guān)熱阻基本不變，其次早期光伏組件正常工作時(shí)，其溫度約比環(huán)境溫度高30攝氏度。

早期光伏組件由于電池效率低、封裝電阻高等因素，產(chǎn)品功率普遍較低。目前，改善了背面鈍化效果，減少背面復(fù)合，同時(shí)降低了封裝串阻，使得光伏組件功率大幅提升，部分產(chǎn)品甚至采用半片設(shè)計(jì)，進(jìn)一步降低封裝串組，提升產(chǎn)品功率。為了簡(jiǎn)單估算早期產(chǎn)品與現(xiàn)在產(chǎn)品的工作溫度差，我們簡(jiǎn)單認(rèn)為2007年前后的60片組件功率為225瓦，目前PERC產(chǎn)品功率為310瓦。由于熱阻基本相近，兩者之間的溫差主要來源于輸出電能的差異。

根據(jù)公式，計(jì)算可得大型地面電站，PERC組件溫度與早期產(chǎn)品溫度差約為1.7攝氏度（假定早期產(chǎn)品溫度系數(shù)為0.42%/攝氏度，早期產(chǎn)品開壓較低，溫度系數(shù)會(huì)較高，這個(gè)溫度差的估算是相對(duì)保守的）。

根據(jù)IEC研究結(jié)果，屋頂環(huán)境安裝的組件通風(fēng)效果較差（組件緊貼彩鋼瓦），其工作溫度一般比大型地面組件高20攝氏度。根據(jù)此條件，計(jì)算可得屋頂安裝環(huán)境下，PERC組件溫度與早期產(chǎn)品溫差為2.6攝氏度。

組件溫度與產(chǎn)品的功率質(zhì)保有什么關(guān)系呢？很多機(jī)構(gòu)及公司在進(jìn)行組件長(zhǎng)期老化跟蹤時(shí)會(huì)考慮到功率測(cè)試儀的長(zhǎng)期穩(wěn)定性；一般選擇1～2塊組件，光衰后放置在室內(nèi)避光保存，用于定期檢測(cè)功率測(cè)試儀穩(wěn)定性。條件好的實(shí)驗(yàn)單位會(huì)選擇恒溫恒濕環(huán)境保存組件。這里主要是考慮到組件的長(zhǎng)期老化與溫濕度以及溫度變化相關(guān)性較高。

圖3顯示了不同溫度不同濕度下EVA/Cell/EVA樣品的功率衰減曲線?？紤]到水汽進(jìn)入模型一般在1年左右，嚴(yán)苛地區(qū)組件的電池正面的水汽已經(jīng)達(dá)到飽和，并且不隨環(huán)境溫濕度劇烈變化，所以采用EVA/Cell/EVA樣品模擬組件在不同溫濕度下的老化性能顯得更為合適；如果采用正常組件進(jìn)行長(zhǎng)期DH（Damp Heat）實(shí)驗(yàn)，容易發(fā)現(xiàn)電池背面老化嚴(yán)重，而正面衰減很低，與室外老化現(xiàn)象不符。我們可以看到樣品功率隨時(shí)間基本呈現(xiàn)線性衰減關(guān)系，而且不同溫濕度下，功率衰減差異明顯。

從圖3可以看到，溫度每上升10攝氏度，功率衰減速率加快1倍，1%相對(duì)濕度等效于1攝氏度，與聚合物老化關(guān)系式十分接近。這個(gè)規(guī)律主要是因?yàn)闃悠饭β仕p滿足PECK模型，R表示衰減速率。

DH下，組件衰減滿足PECK模型的原因在于，DH下組件的長(zhǎng)期老化主要與焊接性能相關(guān)（在Ag柵線性能較差時(shí)，才與細(xì)柵線老化相關(guān)）。焊接點(diǎn)Ag3Sn的生長(zhǎng)速率越快，材料性能越脆，電阻率越高。

Ag3Sn層的生長(zhǎng)可以用以下公式表示，其中x代表Ag3Sn層厚度，x0代表其初始厚度，D0代表指數(shù)因子，Q代表活化能，R為氣體常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，t為時(shí)間。

圖3 不同溫濕度下EVA/Cell/EVA樣品的功率衰減情況

所以我們認(rèn)為組件老化主要發(fā)生在溫度較高的時(shí)間段，而在恒溫恒濕環(huán)境中存放組件，尤其是濕度控制在55%以下時(shí)，其老化速率大幅縮減至原先的（1/2）6=1/64，所以控制件可以很好地評(píng)估測(cè)試儀的穩(wěn)定性。目前PERC產(chǎn)品溫度與早期組件溫度差異在2攝氏度左右，其老化速率之間的差異為1.15倍，作簡(jiǎn)單換算，PERC產(chǎn)品使用年限可以提升25×1.15=28.75年，其年衰減速率可以下降至0.5%/1.15年～0.7%/1.15年=0.43%/年～0.6%/年。

組件老化除了與溫度相關(guān)外，與溫差的關(guān)聯(lián)性也很高，溫度沖擊下組件的老化模式主要表現(xiàn)在焊接處的微裂紋，如圖2所示，少部分廠商主柵與細(xì)柵交界處處理不當(dāng)，也容易在此引起斷柵，增加額外功率衰減。

焊接點(diǎn)在溫度沖擊下的性能，一般與非彈性形變能量積累相關(guān)，可以用經(jīng)驗(yàn)公式（5）進(jìn)行描述，RD代表衰減速率，△T代表溫差，r（T）是一個(gè)與溫度速率相關(guān)的參數(shù)，一般可以忽略。Q代表活化能，kb是玻爾茲曼常數(shù)。

目前IEC標(biāo)準(zhǔn)62892草案正在定義TC（Thermal cycle）循環(huán)數(shù)與溫度之間的關(guān)系，基本也是來源于這個(gè)公式，其表示如公式（6）所示。目前普遍認(rèn)為TC 500循環(huán)以上才能代表產(chǎn)品25年使用壽命，所以這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同溫度下組件受溫沖能力影響作了定義，將其等效到-40～85攝氏度下的循環(huán)數(shù)?？梢钥吹阶罡邷囟仍礁撸刃аh(huán)數(shù)越少，這也為處于飽和狀態(tài)的環(huán)境老化帶來了福音，可以預(yù)見未來TC老化箱的最高溫度會(huì)越做越高，以縮短研發(fā)時(shí)間。

表1 PERC組件與多晶組件溫度差異及其影響

將PERC組件與常規(guī)組件溫度差代入以上公式，可以看到兩者相差1.06倍，即PERC產(chǎn)品質(zhì)保年限可以提升為1.06×25=26.5 年，衰減率可以降低為 0.47%/年～0.66%/年。

表1對(duì)目前兩種安裝環(huán)境下PERC組件與常規(guī)多晶組件溫度差異及其影響作了簡(jiǎn)單歸總。

沙漠地區(qū)組件散熱條件與屋頂相似，其長(zhǎng)期老化受溫度及溫沖影響最為嚴(yán)苛，組件質(zhì)保多以此類地區(qū)為主。所以戶外組件長(zhǎng)期老化受溫度和溫沖綜合影響，而紫外線引起的老化也受到溫度影響而加速。綜上所述，溫度帶來的老化影響要遠(yuǎn)高于表1所列出來的值，筆者認(rèn)為0.5%/年是對(duì)目前高效單晶產(chǎn)品合理的估算值。目前雙玻產(chǎn)品大范圍受到客戶青睞，雙玻組件由于隔絕水汽，可以等效為濕度減少帶來的功率衰減降低，可以預(yù)見其衰減速率可以進(jìn)一步降低。

結(jié)論

光伏產(chǎn)品的設(shè)計(jì)使用年限，從20年以上組件實(shí)證結(jié)果來看是遠(yuǎn)高于25年的，質(zhì)量好的產(chǎn)品衰減率可以遠(yuǎn)低于目前廠商給出的質(zhì)保值。組件的長(zhǎng)期年衰減率與組件工作溫度相關(guān)，功率高的產(chǎn)品可以多輸出電能，降低組件工作溫度，從而降低組件衰減速率。如果組件廠商可以通過背板、鍍膜等設(shè)計(jì)進(jìn)一步增加組件散熱能力，降低組件溫度，可以預(yù)見組件質(zhì)保能夠進(jìn)一步提升。本文是在假設(shè)組件設(shè)計(jì)不變的情況下，推導(dǎo)組件功率帶來的變化對(duì)組件溫度及可靠性的影響。然而組件溫度與板型設(shè)計(jì)、邊框設(shè)計(jì)、背板選擇等都有關(guān)系，通過設(shè)計(jì)額外降溫2～3攝氏度是比較容易實(shí)現(xiàn)的，從而可以帶來衰減率的進(jìn)一步降低；例如采用分體式接線盒使得盒體遠(yuǎn)離電池片，可以減小接線盒下電池片熱阻，從而降低此塊電池片溫度，降低衰減速率，提升產(chǎn)品可靠性。■