单晶组件使用20年 其功率衰减如何了？

　　摘要：选取在我国已经使用20年、质量可靠的一批单晶组件, 对其使用寿命末期的功率衰减情况进行分析研究.对132块1996年Siemens Solar生产的单晶组件SM55,进行EL以及功率的相关测试, 发现其功率平均衰减为26.7%, 年平均衰减率为1.54%;采用简单的线性拟合函数方法, 对功率的衰减与电流的衰减及填充因子的衰减进行拟合, 发现功率的减少主要由填充因子的减少造成;研究分析组件电池片中隐裂和碎片的分布规律, 发现隐裂和碎片不是引起组件功率衰减的主要因素;结合组件之前服役的环境条件, 分析推断组件功率衰减主要来源于串联电阻的增加.

 

 

　　引言

 

　　近年来，随着国家政策对光伏产业的大力支持，光伏发电逐渐成为混合电力系统的稳定组成部分．光伏组件的质保寿命一般在20～30年，组件的可靠性和耐用性直接决定光伏系统的整体性能．光伏组件实际使用寿命如何?组件质保寿命间的功率衰减如何?这都需要大量的实证性数据作为支撑．

 

　　对32家主流光伏组件进行了户外老化测试，分析了两个自然年内组件衰减情况，并依据NERL实验室提出的组件功率衰减与时间成线性关系的模型，模拟出这些组件在25年的功率衰减率在8%～14%．文献[4]以西北荒漠地区组件运行所处环境条件为依据，对光伏组件进行加速老化模拟实验，发现组件在老化箱的衰减趋势与NERL户外组件长期监测衰减规律一致．文献[5]采取湿-冻加速试验分析其失效模式，并提出了湿-冻加速试验条件下的光伏组件威布尔 (Weibull) 寿命分布模型．通过软件模拟计算和加速老化试验，对预测光伏组件稳定性和可靠性有重要意义，但其并不能完全准确地反映光伏组件在服役过程中的真实衰减情况．

 

　　本文选取在我国运行时间最早、产品质量可靠的一批单晶组件，对其寿命末期功率的衰减情况进行研究，探索分析造成组件功率衰减的主要原因．这些单晶组件已在户外实际发电运行20年，其在使用寿命末期的实证性数据将对组件衰减机理的研究及建模具有一定的参考价值．

 

　　1 Siemens Solar单晶组件

 

　　Siemens Solar单晶组件SM55于1996年生产，1997年安装于深圳沿海地区 (距离海洋不到500m) ，总计2051块．2014年由顺德中山大学太阳能研究院全部收集，用于组件衰减相关研究．其中的132块组件于2016年1月份又重新安装于信阳师范学院，作为暖温带组件户外衰减实证基地，主要用来研究暖温季风气候条件下旧组件的再使用寿命以及末期衰减规律．到2018年，这批单晶组件户外正常运行已有20年，使用年限接近25年商业质保，目前组件仍能继续正常工作，未出现影响安全使用的问题．

 

　　这批单晶组件外观 (图1a) 良好，表面无损伤，EVA无变色，接线盒完好，部分组件引出线因MC4接头损坏已被换新，组件背板无损伤及鼓泡．但组件存在一些外观缺陷: (1) 玻璃表面附着一层冲洗不掉的污渍 (图1b) ， (2) 焊带附近有白斑，可能是EVA气泡或助焊剂脱落 (图1c) ， (3) 背板粉化 (图1d) ， (4) 铝边框有明显盐雾腐蚀 (图1e) ．缺陷 (1) 和 (2) 会引起光学损失影响组件的输出性能，缺陷 (3) 和缺陷 (4) 可能会影响组件的安全使用性能．

 

　　2 组件内部缺陷及功率衰减

 

　　2.1 组件EL测试

 

　　户外运行的组件由于受到搬运、安装、施工等人工因素或者周围环境温度骤变的影响，通常会造成两种内部缺陷:隐裂和碎片，但这两种缺陷一般肉眼观察不到，只能通过太阳能组件EL缺陷检测仪才能检测出来．2018年EL测试发现，132块组件中隐裂组件有38块，碎片组件有21块，分别占组件总数量的28.8%和15.9%．进一步统计隐裂和碎片区域及对应的组件数量，隐裂和碎片区域划分为2个区域 (如图2所示) ，两种区域内隐裂和碎片组件数量如表1.

 

 

　　单晶组件SM55共有36片电池，区域1内电池片数量是26片，区域2内是10片，若隐裂或碎片在每片电池内出现的概率一致，则区域1和区域2内出现隐裂或碎片组件数量比应接近于26∶10但由表1可知，区域1和区域2内隐裂组件数量比为26∶12，碎片组件数量比为14∶7，都小于26∶10，这说明隐裂或碎片的位置容易发生在区域2内，也就是说组件中间部位的电池片在受到外力因素或环境温度影响下更容易出现隐裂或碎片．

 

　　进一步分析组件隐裂和碎片的情况，发现隐裂造成的失效面积不超过每片电池面积的1/8，碎片造成的失效面积不超过1/4，并且组件中隐裂和碎片的电池数量不超过2片，图3给出了几种造成失效面积较大的隐裂和碎片．

 

 

　　2.2 组件功率测试

 

　　对这批组件STC条件下的电性能进行测试，采用的是瑞士Pasan光伏组件功率测试仪 (3A+级太阳能模拟器) ．由于缺少组件功率的实测原始数据，本文以组件铭牌参数作为参考．由于功率测试过程中标准组件的选取以及测试仪器本身的精度和测试环境的影响，相对于铭牌参数会给功率测试的结果带来一定的系统误差和人为误差，因此本文通过多次测量取平均值的方法来保证测试结果的准确性．

 

　　2018年测试结果显示:组件功率Pm平均衰减为26.7%，最大衰减为35.9%，最小衰减为19.6%，组件电性能参数的平均值与标称值对比如表2.

 

 

　　由表2知，单晶组件SM55的电流Isc和Im、最大功率点电压Vm和填充因子FF衰减严重，而开路电压Voc基本保持不变．由于组件已户外运行20年，可以计算出各个电性能参数的年平均衰减率，Pm、Im、Vm、Isc、Voc和FF年平均衰减率分别为1.54%、0.68%、0.87%、0.58%、0.02%和0.89%．

 

　　2.3 功率衰减与电流及填充因子衰减

 

　　为进一步分析Pm衰减与Isc及FF衰减之间的关系，采用简单的线性拟合函数来分别拟合Isc衰减和FF衰减对Pm衰减的影响，获得的相关系数R2作为判断关系优劣的判据，如图4所示．

 

 

　　从图4可以看出，Pm衰减与FF衰减呈显著正相关，相关系数为0.63，说明Pm的减少主要是由于FF的减少造成，最可能的原因是串联电阻的增加[6]．从图2也可以看到，组件EL成像有很多“亮斑”，并且都分布在焊带上，很可能是焊带脱层以及Ag电极腐蚀导致这些点的串联电阻增大，所以在EL测试中大电流通过时，串联电阻增大的点会瞬间过热而呈现“亮斑”．

 

　　2.4 隐裂及碎片对功率衰减的影响

 

　　针对隐裂和碎片是否对组件功率造成衰减，下文分析了有隐裂或碎片的组件、无隐裂和碎片的组件以及所有组件的功率衰减情况，如表3所示．

 

 

　　从表3可以看出，这三种组件功率衰减程度基本一致，表明:在功率测试过程中，隐裂和碎片并不是单晶组件SM55功率衰减的主要原因，可能是因为隐裂和碎片造成的失效面积还不足以引起组件功率的衰减．但从组件长期运行来看，电池片中的隐裂会在户外环境的影响下，不断循环热胀冷缩后，变成碎片，最终导致组件热斑，直接影响组件的输出性能，降低光伏电站的系统效率．

 

　　3 组件功率衰减原因分析

 

　　文献[6, 7]从组件封装的角度，来阐述引发组件光学损失和电学损失的因素以及如何优化工艺来降低这两种损失，其中光学损失种类很多，包括界面的反射、封装材料的吸收、栅线及焊带的遮挡和非电池片区域;电学损失包括电池片本身电阻、焊带电阻以及接线盒电阻所引起的功率损耗．对于户外长期运行的组件，文献[8]指出组件的光学损失主要来源于EVA封装材料的变色和玻璃表面污染，最终表现为组件电流Isc和Im的减少;电学损失主要来源于电池本身或电池连接部分内阻变化．由于组件功率测试结果中电学损失表现比较复杂，所以下面将对电学损失与光伏电池功率之间的关系进行阐述．

 

　　3.1 模型参数对光伏输出特性影响分析

 

　　光照条件下，光伏电池的输出可近似为二极管特性[9, 10]，图5为光伏电池的单二极管输出模型．

 

 

　　由单二极管模型可知，光伏电池的输出电流表达式:

 

 

　　其中:Ip为光生电流，ID为二极管正向电流，ID0为二极管反向饱和电流，q为电子电荷，A为二极管常数因子，K为玻尔兹曼常数，T为电池结温，Rs为串联电阻，Rsh为并联电阻．

 

　　短路条件下，V=0, I=Isc，低电压下二极管未导通，所以ID近似为0，则有

 

 

　　二极管常数因子A是个常数，一般取值范围是[1, 1.5]，所以图6只给出了模型参数Rs和Rsh对I-V曲线的影响．

 

 

　　串联电阻Rs对I-V曲线在最大功率点附近处的形状影响较大 (图7a) ，且光伏电池的效率随着串联电阻Rs的增大呈近似指数衰减，正常情况下，串联电阻较小，只影响填充因子FF，对开路电压和短路电流则无影响[11];并联电阻Rsh则是光伏电池的漏电程度和导电离子玷污而引入的线性电阻，影响I-V曲线在短路电流处的斜率 (图7b) ，并联电阻越大，曲线在短路点附近越平行于电压轴，正常情况下，并联电阻较大，只影响填充因子FF，对开路电压和短路电流则没有影响[12]．

 

　　3.2 单晶组件SM55功率衰减原因

 

　　单晶组件SM55功率衰减严重，电流Isc和Im、最大功率点电压Vm和填充因子FF衰减严重，而开路电压Voc基本保持不变，这说明组件的功率衰减主要来源于电学损失，主要由组件的串联电阻Rs增加导致，同时电流的衰减也有一部分是来源于光学损失，因为测试过程中发现组件玻璃表面有一层擦洗不掉的污渍．由于单晶组件SM55的前18年是在深圳沿海地区 (距离海洋不到500 m) 户外运行，在信阳地区户外运行才2年 (截止到2018年) ，所以这批组件主要是受沿海地区盐雾侵蚀严重，导致串联电阻增加的．

 

　　4 结论

 

　　SM55组件的外观缺陷暂时不影响其安全使用;组件中间部位的电池片在受到外力因素或环境温度影响下更容易出现隐裂或碎片，但是隐裂和碎片暂时未对SM55组件功率造成影响．SM55组件的功率衰减主要来源于电学损失，也有一小部分来源于光学损失;由于SM55组件长期运行于深圳沿海地区，所以受沿海地区盐雾侵蚀严重，导致串联电阻增加．