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編者按：針對(duì)光伏組件自然老化年度衰減問題,通過對(duì)32家主流光伏企業(yè)進(jìn)行了戶外老化測(cè)試, 兩個(gè)自然年內(nèi)組件衰減率和發(fā)電量測(cè)試得到的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和分析, 我國主流光伏組件的衰減率規(guī)律以及晶體硅組件在不同輻照下的性能的情況。

0 引言

經(jīng)過十幾年的發(fā)展, 光伏產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為中國為數(shù)不多的、可以同步參與國際競(jìng)爭、并有望達(dá)到國際領(lǐng)先水平的行業(yè), 是推動(dòng)中國能源變革的重要引擎.中國硅原料、硅片、電池、組件、逆變器等產(chǎn)品產(chǎn)量均位居全球首位, 并占據(jù)較大市場(chǎng)份額.同時(shí), 中國光伏發(fā)電應(yīng)用增長勢(shì)頭迅猛, 新增裝機(jī)連續(xù)4年位居全球第一位, 累計(jì)裝機(jī)連續(xù)2年位居全球第一位.面對(duì)這些大好形勢(shì), 在產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的同時(shí)必須提高產(chǎn)品的質(zhì)量, 以確保光伏產(chǎn)業(yè)的持續(xù)、健康發(fā)展.光伏產(chǎn)品的質(zhì)量是保證光伏電站長期有效運(yùn)營25年的關(guān)鍵, 組件作為光伏電站的核心部分, 其效率與衰減無疑是電站業(yè)主關(guān)注的重中之重, 也是事關(guān)25年發(fā)電量與收益率的重要因素.

因此, 研究組件功率衰減非常有必要.晶體硅太陽電池的早期光致衰減現(xiàn)象是在30多年前觀察到的, 隨后人們對(duì)此進(jìn)行了大量的科學(xué)研究.組件功率衰減包括組件初始光致衰減、組件材料老化衰減及外界環(huán)境或破壞性因素導(dǎo)致的組件功率衰減[1, 2]。

本文主要研究老化衰減, 此類衰減主要由于電池的緩慢衰減以及封裝材料的性能退化所造成的, 此類衰減可通過實(shí)驗(yàn)室模擬環(huán)境和相應(yīng)的加速老化實(shí)驗(yàn)[3, 4], 但實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證結(jié)果是否能反應(yīng)實(shí)際條件下的使用結(jié)果仍存在疑問, 為解決這個(gè)問題, 本文采用了戶外實(shí)證檢測(cè)的方法, 利用CTC國檢集團(tuán)在海南的實(shí)證老化基地, 對(duì)32家主流光伏組件企業(yè)進(jìn)行了戶外老化測(cè)試, 通過數(shù)據(jù)分析, 得到兩個(gè)自然年的光伏組件的衰減率規(guī)律, 為EPC、發(fā)電集團(tuán)等部門選擇組件提供了數(shù)據(jù)支持.

1 海南實(shí)證基地介紹

CTC國檢集團(tuán) (中國建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)股份有限公司) 在海南、吐魯番、北京建有三個(gè)國家級(jí)的戶外實(shí)證基地, 通過在這三個(gè)地點(diǎn)的典型氣候條件下進(jìn)行自然戶外老化測(cè)試, 對(duì)不同類型的光伏系統(tǒng)和不同企業(yè)的光伏產(chǎn)品的實(shí)際發(fā)電性能、衰減規(guī)律及使用壽命進(jìn)行實(shí)地驗(yàn)證和產(chǎn)品性能比對(duì)研究, 建立公正、全面、權(quán)威的數(shù)據(jù)庫, 為政府提供決策參考和我國光伏企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步提供支撐, 從而引導(dǎo)光伏制造行業(yè)加快轉(zhuǎn)型升級(jí), 推動(dòng)我國光伏產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展.

CTC國檢集團(tuán)海南戶外基地是國內(nèi)第一個(gè)通過中國合格評(píng)定國家認(rèn)可委員會(huì) (CNAS) 認(rèn)可的國家級(jí)光伏戶外實(shí)證基地, 除了戶外實(shí)證基地的基礎(chǔ)設(shè)施之外, 還購買了多臺(tái)檢測(cè)設(shè)備, 搭建了一個(gè)組件實(shí)驗(yàn)室, 可以完成實(shí)驗(yàn)室I-V測(cè)試、現(xiàn)場(chǎng)I-V測(cè)試、濕漏電流測(cè)試、絕緣耐壓測(cè)試、電致發(fā)光測(cè)試 (EL) 、紅外測(cè)試、組件環(huán)境實(shí)驗(yàn)等項(xiàng)目.

海南島是我國最具熱帶海洋性氣候特色的地方, 全年暖熱, 雨量充沛, 干濕季節(jié)明顯, 常風(fēng)較大, 熱帶風(fēng)暴和臺(tái)風(fēng)頻繁, 氣候資源多樣.海南島年太陽總輻射量約1279~1628kWh/m2, 年日照時(shí)數(shù)為1750~2650h, 年平均氣溫在23℃~25℃之間, 全年無冬;大部分地區(qū)降雨充沛, 全島年平均降雨量在1600mm以上.在這種典型的濕熱、強(qiáng)紫外的氣候條件下進(jìn)行戶外實(shí)證測(cè)試, 得到的數(shù)據(jù)非常有代表性.

2 組件衰減率測(cè)試過程

2.1 年度衰減率定義

光伏組件年度衰減率是指光伏組件運(yùn)行一段時(shí)間后 (通常為一個(gè)自然年) , 在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下 (AM1.5, 組件溫度25℃, 輻照度1000 W/m2) 測(cè)試最大輸出功率與投產(chǎn)運(yùn)行初始最大輸出功率差值和投產(chǎn)運(yùn)行初始最大輸出功率的比值.

2.2 場(chǎng)地要求

曝露試驗(yàn)場(chǎng)應(yīng)具備并網(wǎng)條件, 滿足試樣的并網(wǎng)運(yùn)行測(cè)試要求, 四周開闊, 附近沒有遮擋試樣或影響主導(dǎo)風(fēng)向的建筑物或樹木, 遠(yuǎn)離洪水等危險(xiǎn)源.試驗(yàn)場(chǎng)地面應(yīng)為平整、無積水、定期修剪草坪.草坪地面修剪后, 試樣表面沒有枝葉、草漿殘留.場(chǎng)地遠(yuǎn)離大氣污染源.

2.3 監(jiān)控設(shè)備要求

試驗(yàn)場(chǎng)地需要必備的監(jiān)控裝置, 以便監(jiān)控并記錄環(huán)境溫度、風(fēng)速、風(fēng)向、各個(gè)角度的輻照度、組件溫度、降水量等參數(shù), 監(jiān)控設(shè)備的精度等級(jí)要滿足一定要求:如輻照度監(jiān)測(cè)裝置在100~1500 W/m2, 輻照度范圍內(nèi)不確定度≤3%;環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)裝置分辨率應(yīng)≤0.1℃, 不確定度≤1℃;風(fēng)速監(jiān)測(cè)裝置應(yīng)可以測(cè)到0.25m/s的風(fēng)速.同時(shí), 各類參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置的校準(zhǔn)周期不應(yīng)超過12個(gè)月.戶外實(shí)證電站需要有專門的程序進(jìn)行電氣性能參數(shù)監(jiān)控.監(jiān)控的參數(shù)包括但不限于逆變器直流和交流側(cè)的電流、電壓、功率、發(fā)電量等數(shù)據(jù).

2.4 測(cè)試過程

a) 第1年衰減率測(cè)試

試驗(yàn)開始前, 所有被測(cè)晶體硅組件需要進(jìn)行預(yù)處理, 試驗(yàn)方法和要求按照IEC 61215:2005條款5, 開路狀態(tài)下在實(shí)際陽光或模擬陽光下照射, 使累計(jì)輻射量達(dá)到5.0~5.5kWh/m2.

組件預(yù)處理后, 組件按照?qǐng)D1的試驗(yàn)序列進(jìn)行試驗(yàn).在試驗(yàn)中, 操作人員應(yīng)該嚴(yán)格遵照制造廠商的要求進(jìn)行組件的貯運(yùn)、安裝和線纜連接.


b) 第2年衰減率測(cè)試

戶外實(shí)證試驗(yàn)以一個(gè)自然年為一個(gè)周期, 進(jìn)行組件衰減率測(cè)試.樣品從2015年4月到2016年4月在CTC海南實(shí)證基地實(shí)際并網(wǎng)發(fā)電的狀態(tài)下戶外自然老化一年后, 試驗(yàn)人員將所有組件在盡可能短的時(shí)間內(nèi)同時(shí)從樣品架上取下, 在戶外基地的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行外觀、EL、絕緣、濕漏和最大功率的測(cè)試, 所有組件測(cè)試結(jié)束后, 在盡可能短的時(shí)間內(nèi)同時(shí)將組件重新安裝在樣品架上進(jìn)行下一年度的自然老化.

2.5 發(fā)電量測(cè)試

海南戶外老化測(cè)試包括32家組件企業(yè)的共300多塊組件測(cè)試樣品, 其中包括3組單晶樣品和29組多晶樣品, 單晶和多晶樣品均包含60片和72片兩種規(guī)格.連接方式是采用若干組件連接成組串, 若干組串接入逆變器, 若干逆變器接入交流開關(guān)箱, 若干交流開關(guān)柜接入隔離變壓器, 若干變壓器接入主開關(guān)柜, 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)并網(wǎng).每個(gè)組串容量約2.5kWp, 接入一臺(tái)陽光電源的SG3KTL型3kW組串逆變器.通過監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)每一組串的發(fā)電性能進(jìn)行適時(shí)監(jiān)控, 同時(shí)監(jiān)控包括輻照度、溫度、風(fēng)力風(fēng)向等氣象參數(shù).

3 結(jié)果分析

3.1 32家組件第一年衰減率結(jié)果及對(duì)比分析

第一個(gè)自然年組件戶外老化功率衰減率測(cè)試結(jié)果及分布見圖2和圖3.


經(jīng)檢測(cè), 有2家企業(yè)的2種型號(hào)的多晶硅組件功率衰減率不符合《光伏制造行業(yè)規(guī)范條件》 (2015年本) [6]多晶組件首年衰減率不超過2.5%的規(guī)定.其中一家企業(yè)的一片組件失效, 功率衰減高達(dá)37%;大多數(shù)組件企業(yè)的功率年衰減率分布在1%~2%的區(qū)間, 中位數(shù)衰減率為1.3%, 算數(shù)平均衰減率為1.4%, 均符合《光伏制造行業(yè)規(guī)范條件》 (2015年本) 的要求.按照平均衰減率最優(yōu)排名:30、12、29、22、31, 按照最大衰減率最優(yōu)排名:30、22、13、19、8, 其中平均衰減率和最大衰減率均排名第一的為某廠家的單晶組件.

3.2 32家組件第二年衰減率及衰減規(guī)律分析

所有樣品測(cè)試完成后重新安裝, 開始第二年功率年衰減率的測(cè)試, 第二年戶外實(shí)證功率衰減率測(cè)試結(jié)果及分布見下圖4.


從圖4中可以看出, 與第一年32家組件衰減率高低不均相比, 第二年32家光伏組件的衰減率表現(xiàn)均衡, 平均衰減率沒有出現(xiàn)大的偏差.每家組件的衰減率均分布在一個(gè)適當(dāng)?shù)膮^(qū)間內(nèi), 沒有出現(xiàn)第一年中某家組件衰減率過于集中或過于分散的情況.而且所有組件第二年的衰減率均低于0.7%, 符合《光伏制造行業(yè)規(guī)范條件》2013版[7]以及2015版的要求.從圖5第二年衰減率分布圖中可以更清楚地看出, 衰減率總體分布均勻, 在0.3%~0.6%的區(qū)間內(nèi)分布頻率較高, 中位數(shù)衰減率和算術(shù)平均衰減率均約為0.4%.


3.3 32家組串發(fā)電量對(duì)比分析

本文分別選取了2015—2016年度冬季三個(gè)月的發(fā)電量數(shù)據(jù)以及10月份的發(fā)電量數(shù)據(jù), 并換算成每日的發(fā)電量進(jìn)行對(duì)比, 如圖6所示.海南冬季日發(fā)電量均在3kWh以上, 平均值為3.1kWh, 發(fā)電水平正常.從冬季輻照情況一般和10月份輻照較好情況下發(fā)電量對(duì)比可以看出, 32家晶硅組件的發(fā)電量在不同輻照情況下呈現(xiàn)相同的發(fā)電走勢(shì), 即十月份發(fā)電量高的組串在冬季較低輻照下的相對(duì)發(fā)電量仍較高.從圖7單日高輻照及低輻照的發(fā)電量對(duì)比也可以看出同樣的趨勢(shì).另外根據(jù)發(fā)電量數(shù)據(jù)還得出了32家光伏組件在海南戶外曬場(chǎng)的發(fā)電量數(shù)據(jù)排行, 不同廠家組件顯示出不同的發(fā)電量.


3.4 衰減模型趨勢(shì)分析

從32家組件中分別選取衰減率為大、中、小的5家光伏企業(yè) (單晶2家, 多晶3家) , 見圖8.


圖8 (a) 和 (b) 是從多晶組件廠家中選取的衰減率最大的兩家;圖9 (c) 為所有組件中衰減率居中的多晶組件;圖8 (d) 和圖8 (e) 是選取的2家單晶組件廠家, 其中圖8 (e) 的組件衰減率在所有32家中最小.從圖8可以看出, 第一年衰減率普遍高于第二年衰減率.同時(shí), 由于所有組件在進(jìn)行戶外實(shí)證試驗(yàn)前均經(jīng)過了預(yù)處理, 消除了LID衰減影響, 單晶組件反而表現(xiàn)出相對(duì)更低的衰減率特性.


由NREL對(duì)全球2000多組件的戶外衰減分析得到的光伏組件的衰減規(guī)律可知, 在組件正常老化衰減的狀況下, 組件第二年以后的衰減率將呈線性變化, 在25年質(zhì)保期內(nèi), 每年的衰減率基本與第二年的衰減率持平.按照這個(gè)規(guī)律對(duì)上述典型組件的壽命進(jìn)行了模擬, 如圖9所示, 所有組件正常老化的情況下, 25年的衰減率在8%~14%之間, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于25年衰減率20%的要求.

4 結(jié)論

本文針對(duì)光伏組件自然老化年度衰減問題, 搭建了首個(gè)國家級(jí)的戶外老化實(shí)證基地, 首次在國內(nèi)進(jìn)行了第三方的全國主流光伏組件的戶外老化實(shí)證測(cè)試.經(jīng)過兩個(gè)自然年的戶外實(shí)證測(cè)試, 分析了不同光伏組件廠家的組件年度衰減率規(guī)律、不同輻照度對(duì)發(fā)電量的影響.實(shí)驗(yàn)表明:1.不同組件廠家的組件年度衰減率在第一年高低不均, 差異較大, 但是組件衰減率在第二年表現(xiàn)均衡;2.不同輻照度下, 相同廠家組件發(fā)電量不同, 同時(shí), 在某一輻照度下發(fā)電量高的組件, 在不同輻照度下的發(fā)電量也高.但總體差別很小, 說明國內(nèi)主流光伏企業(yè)的產(chǎn)品都有較高的質(zhì)量品質(zhì).

原標(biāo)題：光伏組件是如何自然老化衰減的？