光伏组件加速试验应用现状及发展趋势

■ 郑海兴 余荣斌 舒碧芬 沈辉

(1.广东产品质量监督检验研究院；2.南方电网综合能源有限公司；3.中山大学太阳能系统研究所)

一 引言

自光伏技术开始规模应用以来，光伏组件的质量一直是光伏行业关注的核心问题，光伏组件在户外工作中出现的各种失效现象及机理也一直是人们研究的对象。

光伏组件在户外工作期间常会遭受各种环境因素的影响，有：氧化腐蚀、电化学腐蚀、化学腐蚀，尤其是金属材料、接线盒内的化学腐蚀等；水蒸气侵蚀、其他导致封装材料老化的气体等，包括封装材料的起泡、脱层、老化、绝缘性降低等；风、冰雹、安装等造成的物理损坏，包括玻璃的破碎、表面的污染物、太阳电池的破碎、边框的扭曲等；热扩散、热膨胀系数不匹配、过热，包括背板材料的开裂、太阳电池的裂纹、接线盒的内二极管的过热、内部连接失效、热斑等；紫外辐射，包括封装材料的老化、变色、脆化、交联度升高、EVA机械性能降低、连接器的老化等；高电势差、电流，包括组件内太阳电池的极化等；打弧导致的开路或短路、EVA过热变黄、焊带融化等。受各种环境因素的影响，光伏组件会出现多种失效现象，如图1所示。

本文将光伏组件失效现象分为三大类：太阳电池失效，包括太阳电池、焊带；封装材料的失效，包括玻璃、EVA、背板材料；外部元件失效，包括接线盒、二极管。

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小，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，反馈给光伏组件的生产企业，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。自1994年开始，BP太阳能收集了来自于户外的4200多个小组件，并做了相应的失效分类，见表1[1]。

表1 失效类型

自1975年JPL开始发展光伏组件质量测试以来，全球多个光伏测试实验室以及光伏生产厂商努力在设计加速试验程序，发展地面光伏组件标准化加速试验测试程序，在尽可能重现光伏组件在现实中出现的现象上做了广泛的研究及努力。其中包括发展标准化的测试程序以发现组件设计的潜在缺陷以及失效机理，并促使这些测试程序成为国家级认可和国际认可的质量测试标准，如IEC 61215地面晶体硅光伏组件设计与鉴定标准[2]、IEC 61646 地面薄膜光伏组件设计与鉴定标准[3]、IEC 62108聚光太阳能接收器和组件之评估标准[4]。Hoffman 和 Ross认为，标准测试的目的是为了更快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[5]。

早期加速试验的开展并没有现实现象可观察、对比及验证，其中测试程序中包含某些起初认为很有必要的测试项目，然而随着时间的推移及经验的验证被证明是不必要的测试项目，如组件扭曲测试等。随着标准测试的发展，一些特殊加速测试方式也被用于筛选测试薄膜光伏组件、封装材料，甚至有些测试项目已经发展成为标准测试，如已经发展成为用于检测薄膜光伏组件独特失效现象和潜在问题的光老练测试。随着用于光伏的加速试验测试方法的发展，一些典型标准的测试参数也被用于光伏组件的寿命测试与评估，并试图寻找光伏组件在加速试验时间与实际运行时间的关系[6]。大多现有的寿命测试或可靠性测试是基于标准测试参数进行，如增加85℃/85DH 时间至3000h，增加热循环次数到400次等，这些测试在一定程度上能反映出光伏组件的可靠性情况，但是需要的时间更长。典型的IEC61215 地面晶体硅光伏组件质量测试程序如图3所示。现有光伏组件加速试验基本上都是基于IEC61215的试验参数[2]，某些环节并不能反应光伏组件在现实环境中经受的各种应力考验，仍需进一步改进。

在实际进行光伏组件材料的评估时，某些更加残酷的加速试验也被用于封装材料的性能测试——高加速测试，以便在更短时间内得到想要结果。光伏组件规模应用已经有30多年的时间，各种失效现象已证实现有光伏测试程序的可接受性，但是随着一些在组件生产、运送、运行中发现的新的失效现象，如组件在震动中的损坏、太阳电池在高电势差下的极化(电容效应)等，现有测试项目并不能完全覆盖所有失效情况，一些新的测试项目有必要加入测试程序来完善整个测试标准，光伏组件的加速试验测试更加基于现实来发展。同时，基于现实的计算机模拟技术也开始用于光伏组件的失效预测与寿命预测。

二 光伏组件加速试验研究现状

当今对光伏组件的加速试验研究主要集中在寿命测试、结合实际失效情况的加速试验、采用物理模型进行加速试验的仿真模拟。

1 寿命测试

光伏组件的寿命可定义为光伏组件性能(电性能、绝缘性能、外观等)不再具有继续满足实际生产需要的特性时所需时间或当其输出低于某一可接受值所需要的时间。对于光伏组件生产企业来说，光伏组件的寿命可认为是光伏组件生产企业所保证的性能输出低于某个限值，如原输出性能的80%所需时间，如果光伏组件超过这个年限，将不再具有经济性[7]。另一种加速寿命试验定义为对光伏组件进行应力加速直到其出现失效情况所需要的时间。Wohlgemuth J H等[8]描述了BP太阳能根据组件实时户外测试、组件户外工作情况反馈、加速试验测试来估计光伏组件的使用寿命。

2006年，一篇文献报道了BP太阳能500次热循环和1250h85/85 DH(damp and heat)试验结果，文章参考了JPL的腐蚀加速模型[9]，认为1000h85/85 DH 试验等同于迈阿密20年的户外暴晒，但是对一种新的光伏组件背板材料的测试显示，湿度和温度分别是65/85和85/85的实验条件并没有遵循JPL加速模型的预测[10]，如把光伏组件在加速试验经历的时间同光伏组件实际应用的寿命相联系，需加速因子相关的知识，然而涉及该领域的文献少之又少。

1983年，Otth D H等[11]试图采用85/85 DH试验时间同在潮湿气候下实际工作时间相关联的模型，并且该模型影响了1000h作为标准测试时间的选择，然而该模型仅适用于单个失效机理：由聚合物绝缘材料的电阻率驱动的金属触点的腐蚀，其他失效机理的加速因子尚且未知。

因此，不能够说明如果一个光伏组件通过了标准质量测试就能生产电力达到一定年数，并且，标准测试也不能用来决定光伏组件的寿命，因为它并不能测试所有的失效机理。Czanderna A W等[12，13]讨论开发光伏新技术的早期阶段引入加速寿命测试的必要性，阐述结合加速试验以及户外实时监测的重要性，利用大量样本并采用寿命预测方法预测采用现有或新的光伏技术的光伏组件的寿命，随后，阐述了预测光伏组件服务寿命的重要性，并提出对光伏组件寿命预测的方法。

2 结合实际失效情况的加速试验

加速试验不应该脱离现实环境，采用加速试验对光伏组件的可靠性及寿命评估预测应该基于现实的实测数据。Herrmann W等[14]认为热循环作为测试晶体硅光伏组件IEC61215的一部分，主要用来评估由于热-机械应力冲击导致光伏组件性能衰退，迄今为止，定义的温度梯度和循环时间超过实际自然界的气候冲击。根据标准测试IEC61215的200～800次循环的试验数据，对比同一型号7个不同厂家的晶体硅光伏组件的实验室测试结果和3年不通气候的户外测试结果，评估对输出功率、绝缘性、组件内部互联等衰退的影响，通过收集不同地区的温度梯度，提出了由于材料的热膨胀系数不匹配导致热机械应力的模型。Wohlgemuth J H等[15]列举在户外光伏组件出现的失效现象以及实验室中采用加速试验光伏组件出现的失效现象，提出针对光伏组件组成部分的特定测试程序来评估新型低成本组件的可靠性和耐久的评估方法。

Xia Z Y等[16]尝试通过Arrhenius方程联系实际加速试验的时间与实际户外时间的相关性，认为经过85℃/85RH 1000h的试验时间与65℃/85RH EVA老化14年相等同、PET老化19年等同；以85℃/85RH为基准，通过测试EVA透过率以及PET结晶度，计算85℃/95RH、124℃/0.14MPa、90℃/0.7W/m2UV老化的加速因子。Wohlgemuth J H 等[17]利用长期的户外数据以及失效返回情况同加速试验相结合来预测光伏组件的寿命及失效机理。根据户外光伏组件的失效情况，BP发展了自己的光伏组件测试程序，在IEC61215的基础上增加了250h的85℃/85RH和1000次的机械载荷试验。Laronde R等[18]利用Arrhenius和威布尔寿命分布提出一个模拟温度参数对光伏组件可靠性的影响，根据实测光伏组件的温度数据，对组件寿命进行了模拟，认为寿命可达29年。 V‡zquez M等[19]通过对户外光伏组件光电性能的衰减数据的收集和整理，采用数理统计的方法，提出根据光伏组件衰减率来预测光伏组件寿命及失效率的模型，认为该模型在设定光伏组件的保证期是有效的。

3 基于现实环境或试验的计算机数值模拟

采用户外测试的数据与计算机数值模拟来预测户外环境对光伏组件的影响近年也得到一定发展。2006年，Reisner E U等[20]采用数值模拟的方法模拟水蒸气渗透晶体硅光伏组件的过程，计算了开放背板和密封的BIPV晶体硅组件的聚合物分子水解降解率。以BIPV为例，作者估计1000h85/85 DH试验对应16年的热带环境时间，100年的德国柏林时间；以开放背板为例，作者发现湿热试验时间与外部环境的时间无任何相关性，因此湿热试验的老化结果与外部环境的老化情况几乎无任何相关性。 Koehl M等[21]根据户外收集的气候数据，结合光伏组件出现的现象及 Arrhenius 方程，提出仅依赖于温度和活化能的湿气进入组件背板和玻璃模型，并根据此模型及环境参数模拟湿气在组件内扩散、组件在小气候、组件在标准加速试验下对光伏组件的影响，提出模拟光伏组件寿命预测的方法。

三 总结

现有加速试验或物理模型还是基于早期的IEC61215 测试框架，并未进行多种环境应力耦合及重现现实的环境情况，尤其是在缺少光照这一应力情况下，所得实验结果是否正确还需商讨。本项目结合当前发展方向及研究热点，采用全光谱高低温循环环境试验箱对光伏组件进行寿命预测预评估，结合计算机仿真模拟光伏组件处于复杂环境因素条件下的老化机理，并通过全光谱高低温环境实验对光伏组件进行寿命评估。这样不但可模拟现实环境中的温度湿度变化，还可还原光伏组件在耦合300～3000nm波长的光照情况下出现的各种失效情况，对光伏组件进行性能、寿命等评估，这样更接近于现实环境，更具有说服力，并且通过物理模型对光伏组件的失效机理进行分析，更能对光伏组件耐候性、可靠性进行进一步研究。

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