以西北荒漠地區(qū)組件運行所處環(huán)境條件為依據,通過比對不同方法下組件加速老化的結果,對組件25年內壽命進行分析研究。
1 光伏組件加速老化實驗條件分析
一般而言,不論是高分子材料老化分析或是半導體加速老化分析,都會引用IUPAC(InternationalUnion of Pure and Applied Chemistry)所定義的阿倫尼烏斯方程(Arrhenius)[2],其原本是用來定義反應速率的方程式,但進一步整理后可作為加速老化實驗分析方程式:
式中,Af為加速老化因子;E為活化能;K為波茲曼常數(shù)(8.623×10-5 eV/K);Tn為待測物品正常工作溫度;Ta為待測物品加速老化實驗溫度。
從上述方程可以看到,半導體材料的加速老化因子與加速老化實驗溫度、活化能等有關,通常加速老化實驗溫度越高,其加速老化因子越大;且活化能越大,加速老化因子也越大。對光伏組件加速老化而言,通常綜合老化實驗箱溫度越高,其組件衰減越快;而輻照強度越大(增加活化能),其組件衰減越快。
光伏組件的加速老化衰減情況與綜合老化箱的溫度、輻照有關,為此,們開展了3組組件加速老化實驗:第1組為相同濕度、相同輻照強度、不同溫度的環(huán)境對組件的老化實驗;第2組為相同溫度、相同濕度、不同輻照強度的環(huán)境對組件的老化實驗;第3組為以西北荒漠地區(qū)典型氣候環(huán)境為依據進行的模擬老化實驗。
2 實驗
2.1 不同溫度下的衰減實驗
整個實驗過程保障實驗的輻照和濕度條件不變,采用不同的溫度參數(shù)。整個實驗過程的實驗條件如下:輻照強度為3000 W/m2,濕度在40%~80%之間循環(huán),分別將3塊組件恒定在溫度為60 ℃、70 ℃及80 ℃下進行3組實驗。經過一段時間的運行,發(fā)現(xiàn)組件在不同溫度下表現(xiàn)出了不同的衰減特性,如圖2所示。從圖2可以看出,對比組件在60 ℃、70 ℃及80 ℃ 3個溫度下的衰減曲線,發(fā)現(xiàn)組件在初期階段衰減率較快,之后以較為穩(wěn)定的速率繼續(xù)衰減;但組件并不是在80 ℃的輻照下衰減速率最快,而是在70 ℃。課題組分析認為,在80 ℃條件下,有可能因為溫度太高,導致組件存在退火現(xiàn)象而使衰減的功率重新提升。
2.2 不同輻照強度的衰減實驗
實驗條件:保證70 ℃恒溫,濕度保持在40%~80%之間循環(huán),分別將3塊組件恒定在1000 W/m2、3000 W/m2、4000 W/m2的輻照強度下對組件進行測試,實驗結果如圖3所示。
從圖3可以看出,在3000 W/m2的輻照強度下,組件初始功率衰減的最快;其次為1000 W/m2時;而在4000 W/m2下,并非如預想是衰減最快的一組,反而在其他組件發(fā)生衰減的同時幾乎保持功率不變。分析認為,這種現(xiàn)象與材料自身的特性有關[3,4],組件生產廠家一般會將層壓工藝的EVA交聯(lián)度控制在80%~90%之間,以更好的發(fā)揮EVA的封裝性能,可保證組件具有良好的耐候性與可靠性。但大量研究表明,由于EVA內含有紫外交聯(lián)劑,初始交聯(lián)度低的EVA在老化后會繼續(xù)交聯(lián),提高了透光率,使得功率升高。但隨著交聯(lián)度的升高與長時間的輻照,使得EVA發(fā)生光降解反應,三維網狀結構發(fā)生了鏈斷,物理粘結點變少,導致EVA的拉伸強度、斷裂伸長率在紫外輻照的前后均出現(xiàn)急劇下降,EVA與玻璃/背板的剝離強度亦有明顯下降;加之組件在一個密閉空間,自身散熱較差,而對組件直接產生了破壞作用[5]。
2.3 加速老化模擬實驗
根據上述實驗結果,光伏組件在70 ℃恒溫和3000 W/m2的輻照強度下,其衰減特性與戶外測試結果更為吻合,因此采用如圖4所示的實驗條件:70 ℃恒溫、濕度保持在40%~80%之間循環(huán)、 3000 W/m2的輻照強度,開展光伏組件的加速老化模擬實驗。
為了更好的尋找組件在綜合實驗箱內的老化規(guī)律,在整個實驗過程中,每隔一定時間對組件功率進行測試,整體實驗結果如圖5所示。
3 結論
1)組件在綜合老化箱的衰減趨勢與NERL戶外組件長期測試衰減規(guī)律相似,都是在組件初期經過一個快速衰減,然后在運行后期以一個較為緩慢速率衰減,而且后期的衰減基本以穩(wěn)定的速率勻速進行。因此可以推斷,組件原輔材料在其有效年限內的衰減率是線性的。
2)光伏組件的功率衰減與短路電流的衰減基本一致,而在后期衰減過程中開路電壓基本保持不變,這表明組件的后期老化衰減主要與材料的光學損失有關。
原標題:光伏組件加速老化衰減測試研究