关于光伏组件功率衰减分析研究

李宁良罗婷吴月旺曹红亮周芬肖琳

（湖南兴业太阳能科技有限公司411201）

摘要：多晶硅光伏组件在使用过程中会出现不同程度的功率衰减现象。组件功率的衰减可分为三类：由破坏性因素导致的组件功率骤然衰减、组件初始的光致衰减、组件的老化衰减。本文主要研究分析了导致组件初始的光致衰减和组件的老化衰减原因，并通过试验结果得到验证，提出降低组件功率衰减的改进方案。

关键词：光伏组件；输出功率；初始衰减；老化衰减

随着光伏电站运营时间的不断增长，发电量会发生不同程度的减少，光伏组件是光伏发电的核心部件，光伏组件发电功率衰减直接影响到整个光伏电站的发电效率。目前，我国大多数集中式光伏电站未定期开展光伏组件功率衰减的测试工作，部分开展测试工作的光伏电站出于保密很少公开数据，这不利于光伏组件功率衰减特性的研究。相比德国、美国、日本等光伏应用较早的国家，我国在数据统计、长期跟踪、检测检验、加速老化测试等方面的研究相当匮乏。本文介绍了光伏组件发电功率衰减测试的标准及方法，并对光伏组件发电功率衰减测试工作进行了展望。

1.光伏组件发电功率衰减测试标准

按照光伏产业链来划分，光伏标准大致可以分为基础通用标准、光伏制造设备标准、光伏材料标准、光伏电池和组件标准、光伏部件标准、光伏系统标准和光伏应用标准七大类。中国现行有效的光伏标准共计120项，其中国家标准72项，行业标准41项，其他标准7项，已形成了光伏产业标准体系的基本框架，现行的光伏标准主要集中在太阳能电池和组件标准、电池基体材料标准以及应用标准方面，光伏设备标准、光伏材料标准、光伏部件标准和光伏应用标准以自主制定为主，而电池和组件标准以及光伏系统标准以转化IEC标准为主，光伏组件发电功率衰减测试标准主要参考国际电工委员会标准IEC60904、IEC61215与IEC61852。太阳能组件的产品标准和检测标准的制订、修订情况严重滞后于产业实际发展需求，衡量光伏质量关键因素的组件衰减率标准在中国仍处于缺失状态。

2.研究思路与测试方案

2.1研究思路

研究思路主要从考虑光伏组件受到多种环境因素的影响着手，如标准太阳光辐照、强紫外光辐照、温度、湿度等。因为环境因素太复杂，相互影响因素太多，获得有效评定光伏组件2年衰减率（甚至是25年使用质量保证）的模型公式是相当困难的，所以该方案引入类似IEC61215中设定一个标准条件来对组件功率进行测试的方式，同样对光伏组件的寿命制定一个“标准测试方法和程序”进行评定。建立一个统一的标杆（见测试程序）区分组件的质量，然后在后期的工作中考虑各种环境因素、各种材料因素，再通过实验室的模拟与户外数据的拟合来建立组件功率衰减率的模型。

2.2气候环境对光伏组件材料的影响

通过实验室内模拟各种复杂气候环境，同时结合业界相关机构与企业的经验积累，及国内外相关文献，得出气候环境对光伏原辅材料的影响因素主要为：1）太阳光曝晒：易造成电池片效率正常的光致衰减。2）紫外老化：易造成EVA黄变、密封胶脆化、背板老化等封装失效。3）动态机械载荷：易造成电池片隐裂。4）高低温变化：易造成焊接电路连接失效，电池片隐裂加剧，接线盒和组件连接失效。5）湿热和湿冻：易造成玻璃雾化、封装失效、腐蚀、接线盒和组件连接失效。6）电势诱导衰减PID：易造成湿热地区组件实际使用中的系统电压引起的电池片失效。7）热斑：易造成组件局部发热过大引起的热斑失效。8）二极管热性能：易造成二极管过热导致压降过大，漏电流过高。

2.3测试程序

根据上述主要环境影响因素，并参照IEC组件产品的相关标准，设计了测试方案（见表2），

注：表格中测试项目条件参数参考IEC61215、IEC61646、IEC62782、IEC61730-2标准的要求

以评定组件在多种环境条件下的寿命可靠性。每个序列的目的及意义说明如下：（1）第一序列为参考组件的控制序列，其他序列的组件衰减率是和参考组件比较得来。（2）第二序列主要考核的是材料老化与封装失效，IEC61215中规定紫外辐照量为15kwh/m2，湿冻试验的循环次数为10次，然而在大量试验后得出上述老化量不够，甚至不衰减。该方案考虑一定的严酷程度选择紫外辐照总量为30kwh/m2，湿冻试验循环20次。（3）第三序列主要考核的是电势诱导衰减PID衰减和耐受性，PID现象是近年来被广泛关注的光伏组件失效现象，是导致光伏组件衰减的很大诱因，测试要求为温度85℃，湿度85%，试验时间96h，1000V电压反向连接。所以有必要将该测试方法加入方案。使用IEC62782中的动态载荷试验，更能够符合组件运用的实际情况。

2.4实验室加速老化测试法

在常规户外环境下，环境应力因素对光伏组件性能的影响较缓慢，需长时间观察、测试、收集才能反馈组件存在的质量问题。为了在较短时间内，通过合理的方法、途径发现光伏组件存在的潜在问题，加速老化试验被引入到光伏组件的质量测试及寿命评估方面，并得到了不断发展。实验室加速老化测试方法是利用环境试验箱模拟户外实际运行时的辐照度、温度、湿度等环境条件，并对相关参数进行加严或者加倍等控制，以实现在较短时间内加速组件老化衰减的目的。加速老化测试完成后，在标准测试条件下，对试验组件进行功率测试，依据衰减率计算公式，得出光伏组件发电性能的衰减。

标准测试的目的是为了更快地发现在环境中可能出现的失效或者衰减现象，也反映了快速反馈设计方案在产品生产设计开发中的相对优势和可接受性。现有光伏组件加速试验基本上都是基于IEC61215的试验参数，某些环节的试验参数需根据实际情况进一步调整来反映光伏组件在现实环境中经受的各种应力考验。

3.结果与讨论

本次实验所用组件均来自国内知名品牌，共选取了3种组件以研究不同组件在加速模拟情况下的衰减情况，其中A系列为多晶156×72片组件，B系列为多晶156×60片组件，C系列为单晶125×72片组件。所有组件试验之前，均按照IEC61215标准进行了5kWh曝晒的预处理。本文以平均功率和衰减百分比来表示组件经过3组测试程序之后的衰减情况，其结果如表1所示。

在进行第三测试序列（即PID测试96h和机械动态载荷100次）测试时，发现经过PID测试之后A系列和B系列衰减较大，没有继续进行动态载荷测试，C系列组件进行了PID和动态载荷试验之后衰减仅为1.28%。表7数据表明，第三测试序列对组件衰减影响最大，尤其是A系列多晶硅组件。同时我们发现C系列单晶硅组件在三组序列测试过程中衰减均为最少，这与实际户外运行情况是不符的，后续需要继续验证。此外，在第二序列测试过程中，我们发现前期的紫外照射对组件衰减的贡献最大。

展望

目前，我国集中式光伏电站大都未开展光伏组件功率衰减的测试工作，部分开展测试工作的光伏电站出于保密很少公开数据，这不利于光伏电站光伏产业的健康发展。电网企业应引导光伏电站开展常态化光伏组件功率衰减测试工作。对于光伏组件发电功率衰减特性的研究，实验室加速老化测试方法有其自身的局限性，对光伏组件所处的自然环境不能有效模拟，不能真实的反映功率衰减特性。依托第三方检测实验机构进行实地测试，费用高、试验周期长，而且部分光伏电站管理松弛，不愿意或未开展常态化光伏组件功率衰减测试工作。十三五期间，我国光伏产业进入高速发展期，为了更好地研究光伏组件发电功率衰减特性，需要对运行光伏电站的光伏组件功率衰减特性进行长期跟踪、检验测试、数据统计分析。建议对光伏组件功率衰减测试的方法、流程、要求和衰减率指标进行统一规范，尽快出台国家或行业标准。光伏发电企业应加强光伏电站运维管理，组织自己的检测力量，或依托第三方检测机构，定期开展光伏组件衰减特性测试工作，建立光伏组件功率衰减试验数据库，促进数据资源共享，为开展衰减特性研究、促进光伏产业发展提供数据支撑。

参考文献：

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[2]王欢.IEC61853标准光伏组件测量方法研究〔D〕.北京：北京交通大学，2015.

[3]郑海兴，余荣斌，舒碧芬，等.光伏组件加速试验应用现状及发展趋势〔J〕.太阳能，2013（11）：45－49.