上海地區(qū)各種光伏組件戶外發(fā)電性能比較和衰減原因分析

■ 高兵 相海濤 邵亞輝 余友林 劉正新*

(1.中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所；2.蘇州中來民生能源有限公司)

0 引言

光伏組件作為光伏電站中的發(fā)電器件，是由數(shù)十片太陽電池封裝而成的發(fā)電單元。光伏組件的戶外發(fā)電性能和衰減原因研究可為光伏產業(yè)投資起到導向作用，同時可以將信息反饋給組件生產商用于改進電池和組件制備工藝等，具有重要的現(xiàn)實意義和科學價值。據文獻報道，光伏組件在戶外的工作情況與室內標定的結果有很大差異[1-3]，原因主要在于戶外與室內的太陽輻射、溫度條件、濕度變化、風速及風向等因素存在差異[4-6]；并且組件在戶外工作時還會產生許多缺陷，而這些缺陷可能會導致光伏組件壽命下降。目前，這些相關研究結果都是經驗性的。

由于光伏發(fā)電技術在國外起步得較早，歐、美、日等國在30多年前就開始了光伏組件的戶外實證測試研究，研究所涉及的組件種類眾多且設備精良，具有堅實的研究基礎。如美國國家可再生能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory，NREL)、美國桑迪亞(Sandia)實驗室、斯圖加特大學、德國聯(lián)邦物理技術研究所(PTB)、日本產業(yè)技術綜合研究所 (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology，AIST)、德國夫瑯和費研究所(Fraunhofer ISE)、德國TüV、美國UL、日本電氣安全環(huán)境研究所(Japan Electrical Safety and Environment Technology Laboratories，JET)、意大利JRC (Joint Research Center)和瑞士ECN等國際著名的光伏器件研究機構，都已建立自己的戶外測試平臺，并在各種光伏組件的戶外發(fā)電特性研究上獲得了很多寶貴的數(shù)據和經驗。通過文獻報道來看，國外的研究機構都至少在3個氣候區(qū)安裝了10種以上的光伏組件，光伏組件測試系統(tǒng)建立完善，并對試驗組件進行了長達20年以上的戶外實證監(jiān)測[7-10]。由于緯度不同的地區(qū)的日照和氣候條件差異較大，而光伏組件對日照條件非常敏感，因此在某一地點得出的實驗結論，在其他地點是否適用尚需進一步驗證。而我國作為光伏產品生產大國，應該在光伏組件的戶外實證發(fā)電性能測試方面有所建樹，為世界提供光伏組件在我國的發(fā)電性能的代表性數(shù)據，為光伏企業(yè)提供有力的數(shù)據支撐。但國內光伏組件戶外測試工作的基礎設施較為缺乏，研究開展的并不深入，目前缺乏高水平的戶外測試機構，并不能在國際光伏組件戶外測試領域占有一席之地。

本文利用中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所嘉定園區(qū)配置的光伏組件戶外測試系統(tǒng)，于2016年6月1日～2018年7月20日，針對各種光伏組件在上海地區(qū)應用時的衰減情況和戶外發(fā)電性能開展了戶外實證監(jiān)測，并進行了研究及分析。

1 實驗條件

1.1 光伏組件信息

本次研究監(jiān)測的光伏組件類型包括：多晶硅組件、n型單面和雙面組件、PERC單晶硅和多晶硅組件、12柵單晶硅組件、HIT單面和雙面組件、CIGS組件、CdTe組件，每種組件的數(shù)量不同。其中，對CIGS組件、多晶硅組件1和多晶硅組件2 ，持續(xù)監(jiān)測26個月；對n型單面組件、n型雙面組件1和n型雙面組件2，持續(xù)監(jiān)測19個月；對PERC單晶硅組件1、PERC單晶硅組件2、PERC多晶硅組件、12柵單晶硅組件、多晶硅組件4、HIT單面組件、HIT雙面組件和CdTe組件，持續(xù)監(jiān)測13個月；對多晶硅組件3，持續(xù)監(jiān)測10個月(注：同類組件中的1、2、3、4是為區(qū)分不同生產商的產品)。

每種組件在進行戶外監(jiān)測前，都在STC條件(測試溫度25 ℃，AM 1.5模擬光源，光強1000 W/m2)下進行了室內標定。

1.2 光伏組件戶外測試系統(tǒng)介紹

本次戶外實證監(jiān)測使用的光伏組件戶外測試系統(tǒng)由中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所——新能源技術中心配置，坐落于上海市嘉定區(qū) (31°23′N、121°14′E)。本光伏組件戶外測試系統(tǒng)作為測試太陽電池發(fā)電特性與可靠性的設備，主要用于長時間在戶外測試光伏組件的工作情況，記錄不同環(huán)境下組件相應的電學參數(shù)，對光伏組件的真實發(fā)電能力與衰減狀況進行測試。

圖1 光伏組件戶外測試系統(tǒng)結構圖

光伏組件戶外測試系統(tǒng)是根據IEC 61924、IEC 61829、IEC6 2446等標準[11-12]建立的，對光伏組件在戶外的性能進行標準測試和性能評估，其結構圖和實景圖分別如圖1、圖2所示。本測試系統(tǒng)的測試對象為光伏陣列，共有24個通道(channel)，每個通道容許的電壓范圍為100～400 V，每個通道的組件采用串聯(lián)或并聯(lián)的連接方式，每個通道監(jiān)測一種光伏組串；每個光伏組串連接1個接線盒 (conversion box)；每6個通道用1個集線器 (Cable collection device)收集直流端電流，I-V數(shù)據采集器(I-Vtracer)收集的是直流端數(shù)據，所以本文后續(xù)發(fā)電量和PR值的計算都是采用組件直流端數(shù)據；每6個通道的直流端數(shù)據通過1臺多組串式逆變器 (invertor)轉換為交流電，本系統(tǒng)中共有4臺多組串式逆變器。

該光伏組件戶外測試系統(tǒng)的技術特點為：光伏陣列可通過陣列選擇器在多組串式逆變器與I-V數(shù)據采集器間切換測試，整個測試系統(tǒng)既能工作在真實并網環(huán)境中，也可以準確測試組件實際發(fā)電性能；多組串式逆變器的使用可以解決不同陣列共同并網的問題，并縮短組件在切換過程中恢復正常工作狀態(tài)的時間；所用I-V數(shù)據采集器為阻性，可測試大功率光伏陣列，1臺I-V數(shù)據采集器可拓展測試48個光伏陣列。

圖2 光伏組件戶外測試系統(tǒng)實物景觀圖

1.3 光伏組件戶外實證發(fā)電性能評價指標的確立

由于光伏發(fā)電系統(tǒng)在戶外運行，測試環(huán)境不像實驗室中那樣穩(wěn)定，對其進行性能評價需要采用行業(yè)公認的技術參數(shù)。本研究中采用等效發(fā)電時長和等效輻照時長這2個參數(shù)。

1)等效發(fā)電時長YF。由于不同類型光伏組件的功率不同，不同類型組件間的發(fā)電性能并無可比性。YF表示光伏組串每天在其額定功率下的發(fā)電時長，可以用來對比每種光伏組串每kW的發(fā)電性能。在不考慮輻照度的影響時，等效發(fā)電時長就可以代表不同類型組件發(fā)電性能的差異。

式中，∫PMAX為光伏組串每天的總發(fā)電量；Pnominal為對應光伏組串的額定功率。

2)等效輻照時長YR。同樣，YR表示在標準輻照度 (1 kW/m2)下，某一地點或位置每天的日照小時數(shù)，也就是峰值日照小時數(shù)，單位為h。

式中，∫G為某地點或位置每天的總輻照度；Gnominal為STC條件下的輻照度，取值為1000 W/m2。

1.4 本測試系統(tǒng)監(jiān)測使用的主要設備

1.4.1 數(shù)據采集系統(tǒng)

本戶外測試系統(tǒng)采用的數(shù)據采集系統(tǒng)為日本EKO生產的I-V數(shù)據采集系統(tǒng)MP165。其中，輻照度由1臺輻照度測試儀MI530監(jiān)測，熱電偶采集到的背板溫度由2臺溫度測試儀MI540監(jiān)測 (每臺MI540可監(jiān)測12個通道的熱電偶情況，本測試系統(tǒng)共有24個測試通道，所以需要2臺MI540)。組件端I-V測試結果先輸入4臺通道開關選擇器MP-303S (每臺連接6個通道)，MP-303S的輸出端口一部分直接連接逆變器，將直流電轉成交流電并網；另一部分連接MP165，進行每個組串I-V曲線的掃描。24個組串經過4臺MP-303S并入MP165，間隔2 mins進行下一次的循環(huán)掃描。由1臺MI530、2臺MI540和4臺MP-303S采集到的數(shù)據匯總傳遞給MP165。通過MP165的軟件控制界面，光伏組件的I-V曲線被實時監(jiān)控；同時，光伏組件的溫度、輻照量和發(fā)電量等信息也可以從MP165中獲得。

1.4.2 氣象設備

本戶外測試系統(tǒng)中的氣象監(jiān)測設備從日本EKO采購，包括傾斜輻照計 (Pyranometer for Tilt:MS-802) 、水平輻照計 (Pyranometer for Horizontal plane:MS-802) 、風速監(jiān)控儀(Wind Monitor:A-110/MI-360)、溫濕度監(jiān)控儀(Temp.Humidity:MT-063A)、雨量監(jiān)測儀 (Rain Gauge:MW-010)、氣壓計(Barometer:MY-021)，分別對整個戶外測試系統(tǒng)的輻照量、風速風向、溫濕度、雨量和氣壓進行實時監(jiān)控，并將具體信息體現(xiàn)在氣象監(jiān)測軟件HIOKI中。

1.4.3 多組串式逆變器

本戶外測試系統(tǒng)采用的逆變設備是上海追日電氣生產的多組串式逆變器。該逆變器適用于小批量的薄膜、晶體硅太陽電池及組件測試，在光伏組件數(shù)量少、串聯(lián)電壓低 (小于100 V)的情況下，仍能達到最多6路輸入運行。將光伏組件串聯(lián)成組串后，經直流升壓器做MPPT最大功率跟蹤，并通過交流逆變器回饋電網。

1.4.4 光譜儀

本戶外測試系統(tǒng)同時配置了實時采集太陽光譜的光譜儀，型號分別為MS-711和MS-712，并利用軟件WSDac監(jiān)測戶外太陽光譜情況。

1.4.5 監(jiān)測時間和技術方案

戶外實證的監(jiān)測時間為2016年6月1日～2018年7月20日。各種光伏組件的安裝高度均為30 cm，安裝角度均為30°。本戶外實證實驗將不同類型的光伏組件分為若干個獨立的組串，每個測試通道監(jiān)測1種類型光伏組件的戶外發(fā)電性能。每種組件所在通道平均年累積輻照度為1293.37 kWh/m2，即 4656.13 MJ/m2。

2 結果與討論

2.1 通過室內標定對比各種光伏組件的衰減

本研究中最早的光伏組件安裝于2016年6月1日，后續(xù)為增加研究內容，相繼在不同時間增添了各種類型的光伏組件，所有組件于2018年1月22日在室內進行了重新標定。截止到2018年1月22日，每種組件的室內標定結果與此前未經過曝曬時的標定結果對比的變化值如表1所示。需要說明的是，由于目前國際上還沒有CIGS組件和CdTe組件的室內標準測試方法，因此即使進行了室內測試，其結果也并不準確，所以表1中未體現(xiàn)這2種組件的室內測試數(shù)據和衰減數(shù)據。

從表1中可以看出：

1)監(jiān)測20個月的多晶硅組件1和多晶硅組件2的功率衰減率分別為3.26%和3.09%，與文獻中報道的“光伏組件首年衰減2.5%，以后每年衰減0.7%”比較符合[13-15]?；究梢哉J為這2種多晶硅組件首年功率衰減了2.5%，后7個月分別衰減了0.76%和0.59%。

表1 各種光伏組件的室內標定結果比較

2)監(jiān)測13個月的n型單面組件、n型雙面組件1和n型雙面組件2的功率衰減率分別為0.86%、0.29%和0.75%，與文獻報道的“光伏組件首年衰減2.5%，以后每年衰減0.7%”相差較遠。目前的監(jiān)測結果表明，n型光伏組件的衰減確實較小，這與p型硅中含有B-O復合對，而n型硅的少子壽命長，使n型光伏組件的衰減較低有關。

3)通過分析監(jiān)測時間為7個月的光伏組件衰減數(shù)據可以看出，這些組件的功率衰減從大到小依次為：PERC多晶硅組件 (2.69%)＞12柵單晶硅組件(1.82%)＞多晶硅組件4(1.54%)＞HIT單面組件(1.24%)＞ PERC單晶硅組件2 (1.11%)＞PERC單晶硅組件1 (0.94%)＞HIT雙面組件(0.59%)。

還可以看出，HIT單面組件的功率衰減大于PERC單晶硅組件1和PERC單晶硅組件2，衰減主要體現(xiàn)在電壓上，即HIT單面組件的電壓衰減為0.65%，PERC單晶硅組件2和PERC單晶硅組件1的電壓衰減分別為0.23%和0.06%。從電池的制備工藝來看，可能是異質結界面沒有同質結界面穩(wěn)定，長期的戶外曝曬會使導致HIT界面性能受到影響，從而導致組件電壓的下降。

從表1還可以看出，HIT單面組件的功率衰減小于PERC多晶硅組件、12柵單晶硅組件和多晶硅組件4，但HIT單面組件的電壓衰減(0.65%)較12柵單晶硅組件(0.16%)和多晶硅組件4 (0.35% ) 而言還是較為明顯的，HIT單面組件的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在電流衰減較小。

除此之外可以看到，除了HIT單面組件和HIT雙面組件外，其他晶體硅組件的衰減主要都是由電流引起的。而2種HIT組件的衰減主要都是由開路電壓導致的，即HIT雙面組件的開路電壓衰減 (0.31%)＞電流衰減 (0.18%)，HIT單面組件的開路電壓衰減 (0.65%)＞電流衰減 (0.32%)，再次證明了對于HIT組件來說，開路電壓的衰減是影響其性能的主要因素。

2.2 通過戶外實證發(fā)電量對比各種光伏組件的戶外發(fā)電性能

因2017年6月29日在本戶外測試系統(tǒng)中新增了大量組件，所以以下關于戶外實證研究的時間范圍為2017年6月29日～2018年7月20日。其中，12柵單晶硅組件、PERC單晶硅組件1、PERC多晶硅組件、CdTe組件的曝曬時間為12個月，數(shù)據采集時間為12個月；CIGS組件的曝曬時間為24個月，數(shù)據采集為12個月，所以本研究中CIGS組件的等效發(fā)電時長是在已經衰減了1年的基礎上采集的數(shù)據；HIT單面組件因通道損壞，曝曬時間為12個月，數(shù)據采集時間為8.5個月；多晶硅組件4因組件更替，曝曬時間不足，故沒有進行戶外發(fā)電性能對比；4塊PERC單晶硅組件2組成了1個組串，但其中1塊組件出現(xiàn)了明顯隱裂，因此也沒有進行戶外發(fā)電性能對比。

由于光伏組件的戶外實證實驗環(huán)境因素多變，實驗的不確定度很大，因此系統(tǒng)的維護和組件的交替更換時有發(fā)生。表2和圖3對比了2017年6月29日～2018年7月20日各種光伏組件每天平均等效發(fā)電時長和所在通道平均等效輻照時長。

表2 2017年6月29日～2018年7月20日各種組件每天平均等效發(fā)電時長和所在通道平均等效輻照時長的比較

從表2和圖3的監(jiān)測各種光伏組件的戶外平均發(fā)電實證數(shù)據可以看出，各種光伏組件戶外平均等效發(fā)電時長的比較結果為：CIGS組件＞HIT單面組件＞ 12柵單晶硅組件＞ PERC單晶硅組件1＞ PERC多晶硅組件＞CdTe組件；并且，每種組件所在通道的平均等效輻照時長比較接近。由數(shù)據可以看出，CIGS組件的平均等效發(fā)電時長大于其平均等效輻照時長，造成這一現(xiàn)象是因為在晝夜交替的光照變化下，CIGS組件的實際發(fā)電功率較額定功率可能上升，所以出現(xiàn)了平均等效發(fā)電時長大于平均等效輻照時長的情況。

圖3 2017年6月29日～2018年7月20日各種光伏組件每天平均等效發(fā)電時長和所在通道平均等效輻照時長比較

2.3 光伏組件的衰減原因分析

根據近30年的研究結果，光伏組件衰減原因主要包括以下5個方面：1)封裝材料的衰減、封裝玻璃的破壞、旁路二極管的失效、封裝材料的變色、背板開裂及分層；2)組件各層材料粘結性的下降；3)電池和組件互聯(lián)部分的衰減，焊帶和焊接點的脫落；4)潮濕導致的組件衰減；5)作為半導體器件的太陽電池自身的衰減。已有不少學者分析了不同組件的衰減原因并給出了預防措施[16-20]。

表3對8種光伏組件的衰減原因進行了總結。其中，封裝材料的衰減、組件各層材料粘結性的下降、電池和組件互聯(lián)部分的衰減、潮濕導致的組件衰減，可能在測試前已經存在于組件中，但由于戶外監(jiān)測時間不足，并未體現(xiàn)出來。但表1中的n型單面組件在經過了18個月的戶外曝曬后，肉眼已經可以看到組件邊緣出現(xiàn)電池老化和褪色現(xiàn)象，猜測造成這一現(xiàn)象的原因是濕氣從組件邊緣進入，導致了組件邊緣發(fā)白。

表3 本研究中組件衰減原因分析

在對以上8種組件進行的戶外監(jiān)測中，封裝玻璃的破壞、旁路二極管的失效、背板開裂和分層，以及焊帶或焊接點的脫落等衰減原因并未監(jiān)測到；但CdTe組件因安裝壓塊不牢固，在上海臺風期間，組件封裝玻璃發(fā)生了明顯破裂，認為這與組件的安裝壓塊選擇有關。除此之外，作為半導體器件的太陽電池自身的衰減是光伏組件衰減的主要原因，其中，HIT單面組件中晶體硅和非晶硅界面的衰減是致使該組件衰減的主要原因，在前文已進行過詳細分析；其他組件的衰減均是由于光照導致的電池自身衰減，這可能是導致光伏組件衰減的重要原因。

3 結論

本研究主要利用光伏組件戶外測試系統(tǒng)，對在上海地區(qū)應用的各種光伏組件的戶外實證發(fā)電量及衰減原因進行了分析，得到如下結果：

1)在光伏組件衰減方面：多晶硅組件1和2在戶外曝曬20個月后的功率衰減約為3%，與文獻報道的“光伏組件首年衰減2.5%，以后每年衰減0.7%”比較符合。n型單面組件和2種n型雙面組件在戶外曝曬13個月后的功率分別衰減了0.86%、0.29%和0.75%，目前的監(jiān)測結果表明n型組件的衰減確實較小。通過7個月的戶外曝曬，幾種光伏組件的功率衰減從大到小的順序為：PERC多晶硅組件(2.69%) ＞ 12柵單晶組件(1.82%) ＞多晶硅組件4 (1.54%) ＞HIT單面組件(1.24%) ＞ PERC單晶硅組件2 (1.11%) ＞ PERC單晶硅組件1 (0.94%) ＞HIT雙面組件 (0.59%)。其中，開路電壓的降低是導致HIT組件衰減的主要因素。

2)在光伏組件戶外發(fā)電性能方面：CIGS組件＞HIT單面組件＞12柵單晶硅組件＞ PERC單晶硅組件1＞ PERC多晶硅組件＞CdTe組件。其中，由于在晝夜交替的光照變化下，CIGS組件的實際發(fā)電功率較額定功率可能會上升，因此CIGS組件出現(xiàn)了平均等效發(fā)電時長大于平均等效輻照時長的情況。

3)在光伏組件衰減原因方面：首先，封裝材料的衰減、組件各層材料粘結性的下降、電池和組件互聯(lián)部分的衰減、潮濕導致的組件衰減，可能在測試前已存在于組件中，但由于戶外監(jiān)測時間不足，并未來體現(xiàn)出來；其次，封裝玻璃的破壞、旁路二極管的失效、背板的開裂和分層，以及焊帶或焊接點的脫落等衰減原因，目前并未監(jiān)測到；第三，由于光照導致的電池自身的衰減，也許是導致光伏組件衰減的重要原因。

因為光伏組件的戶外實證監(jiān)測實驗條件多變，實驗的不確定性很大，因此系統(tǒng)的維護和組件的交替更換時有發(fā)生，在長年的工作中并不是每一種光伏組件的監(jiān)測時間和條件都完全一致。后續(xù)需要延長監(jiān)測時間，使數(shù)據積累充足并具有統(tǒng)計性，持續(xù)監(jiān)測各種光伏組件的戶外發(fā)電性能。