光伏组件现场检测技术研究与经验分析

唐梓彭， 魏 超， 杨 雨， 张银龙， 张勇铭

发电技术

光伏组件现场检测技术研究与经验分析

唐梓彭， 魏 超， 杨 雨， 张银龙， 张勇铭

（华电电力科学研究院，浙江杭州 310030）

太阳能光伏发电技术的核心部件是光伏组件，其质量与性能也影响着光伏电站运营生命期的发电能力与经济收益。本文针对光伏组件的现场检测技术进行了研究，建立了一套实用性强的质量检测体系，并对现场检测中的常见组件缺陷进行了经验分析。

光伏组件； 现场检测技术； 缺陷经验分析

0 引言

光伏组件是太阳能光伏电站的最小发电单元，也是一座光伏电站中数量最多的部件，在光伏电站建设期中组件成本也占了电站总成本的很大部分。因此，光伏组件的质量不仅对电站的发电能力有着至关重要的影响，也在很大程度上决定了电站运营的经济效益。开展光伏组件的现场测试是光伏电站建设质量管控的重要一环，能够在电站建设前期发现到场组件中的问题，避免大量不合格组件入场安装，也能为运行期电站排查出破损或失效组件，避免这些发电能力低下或已失去发电能力的组件长期影响同一组串甚至几个组串中的正常组件，为电站的运营提供可靠保障。

光伏组件的现场检测包括四个内容：组件外观检查、组件EL检测、组件伏安特性（I-V特性）检测以及红外检测。外观检查主要对组件的外部结构、盖板、EVA夹层、电池片表层以及背板等进行检查，目的在于发现肉眼可视的明显缺陷处；组件EL检测时组件现场检测最重要的内容，其利用晶体硅电池片的电致发光特性[1]，采用近红外相机对光伏电池片进行内部探伤检测，目的在于检查组件电池片是否存在肉眼不可视的内部缺

陷；组件伏安特性检测则是对组件的功率以及伏安特性曲线进行检测，在建设期现场检测（到场检测）中是为了检验组件功率是否达标以及伏安特性曲线是否正常，而在运行期现场检测中是为了检验组件功率是否明显偏低，以发现问题组件或失效组件；最后，组件红外检测采用红外成像设备，检测运行中的组件是否存在热斑现象，并与EL检测以及伏安特性检测结果综合分析，排查问题组件。另外，若组件存在严重热斑，可能会引起组件封装材料损毁，影响组件使用寿命，甚至存在组件起火等安全隐患[2]。

1 检测技术研究

（1）组件外观检查：外观检查旨在发现存在肉眼可视的破损缺陷的组件，检测手段一般为直观目视检查，并无特殊的技术要求。常见的问题包括组件盖板划痕、电池片微小色差、电池片挂勾印、铝边框划痕等。这些一般性问题并不会影响到组件的发电能力，如挂勾印等问题多由现阶段电池片生产工艺，属于光伏组件的共性问题。而外观检查中的严重问题则包括盖板碎裂、背板破损、接线盒开裂、密封硅胶不紧实等，存在这些问题的组件均属于不合格组件，不允许入场安装。

（2）组件EL检测：EL检测的原理是晶体硅电池片的电致发光特性，属于半导体的晶体硅电池片在被加以反向电压的条件下，会因其内部载流子的辐射而产生发光现象，EL光强越差则表明该处存在质量缺陷[3]，如隐裂、碎片、断栅、杂质等。如电池片杂质、污染等缺陷会影响电池片寿命，而隐裂、碎片等破坏性缺陷则会造成电池片某部分甚至整片无法正常发电[4]。

现场检测对组件EL检测的要求是检测操作便捷、场地适用性强以及图像识别像素高。传统的实验室检测设备适于组件生产过程中的质量检测或进行实验室检测，在电站现场并不具备使用此类设备的条件。因此，在本文研究中采用了小型化的EL红外相机（3200万像素），并配备有伸缩三脚架、移动电源、与组件正负极接头配套的通电导线以及具有无线操作与数据传输功能的计算机终端。图1为本文研究中现场EL检测示意图。

组件EL检测过程中要求测试环境足够黑暗，检测地点周围无热源光照射。由于电池片的电致发光强度与外界光源相比较弱，容易被环境光源，如日光、白炽灯光等热源光干扰，造成拍摄图像过亮，从而无法识别组件电池片是否存在缺陷。在研究实验中也发现，即使是在日间采用质地较厚的布料搭建临时的帐篷，也会由于布料孔隙以及与地面之间的缝隙漏光而造成图像拍摄不清。因此，在进行现场检测时应首先针对场地特点来获得合适的检测环境，具体如下：

1）夜间测试，夜间无太阳光影响，在排除检测地点周围人为光源的影响后，环境条件有利于开展EL测试。但某些电站现场地形复杂，夜间工作有一定危险性，且在冬季开展检测工作时夜间较为寒冷；

2）利用检测现场的房间布置暗室来进行检测，避免在夜间工作。但限于一些现场条件，可能无法找到合适的房间利用。

3）采用专业的检测帐篷以适应各类地形条件下的电站现场检测，但需要帐篷材质的遮光度以及帐篷尺寸符合检测需要。

4）当在电站运营期进行组件现场EL检测时，由于组件均以处于运行状态无法随意移动，因此只可选择在保证安全工作的前提下进行夜间测试。

（3）组安伏特性检测：伏安特性（I-V）检测是将组件置于稳定自然或模拟太阳辐照中，并使其保持一定的温度，连续测量电流（工作电流、短路电流）、电压（工作电压、开路电压）、功率参数、背板温度以及辐照度，再将实测参数修正到标准（STC）条件，最后描绘出组件的I-V特性曲线，并判断组件是否正常[5]。

在现场测试时，难以具备实验室中对太阳辐照度的稳定模拟条件，因此需要选择日照良好的时间进行测量。另外，在进行电站建设期检测时，由于组件尚未安装，需要近似按电站设计的阵列朝向、倾角放置被测组件，且应保证组件不受阴影遮挡。本文研究采用了现阶段的光伏现场测试中普遍使用的便携式的I-V特性测试仪，图2为组件伏安特性检测现场检测示意图。

研究实验中发现，检测期间的太阳辐照强度可能因云层遮挡而产生不规律变化，遮挡较严重时会引起被测组件I-V特性曲线中出现突变，但实际上组件的测试曲线应是平滑的。这样的现象与某些电池片存在缺

陷组件的检测结果有相似之处，容易引起误判。由于条件限制，现有的便携式I-V特性测试仪尚不能在现场条件下对组件的标称功率进行精确测量，仍需在现场初步检测后挑选部分组件送往权威测试机构进行实验室检测，并在综合现场与实验室检测结果后做出I-V特性检测结论。

另外应注意的是，不同生产商的光伏组件其电流、电压温度系数是不同的，虽然I-V特性测试仪可自动测量、记录与进行STC参数修正，需在测量前校验输入仪器的电流、电压温度系数预设值与被测组件是否相同，否则会造成STC修正误差变大。

（4）组件红外检测：红外检测针对组件热斑现象，一般采用手持式红外热像仪即可。通过对热成像图片即可直观地判别组件是否存在热斑，以及热斑情况是否严重。造成组件热斑现象的情况分为环境与组件内部因素两类。环境因素包括场区草木、组件积灰、鸟粪等杂物遮挡部分电池片；内部因素则包括电池片损坏、栅线焊接不良等。

在本文研究实验中获得的某电站运行中组件的红外成像图3中可以明显看到，该组件热斑电池片温度61.8℃，而正常部分温度仅有40℃，相差21.8℃。虽然60℃左右的温度不会造成组件结构的立即损坏，但若问题电池片继续运行，热斑问题会逐渐严重，最终可能导致问题电池片处的封装材料烧毁，甚至导致组件、组串起火，严重威胁电站安全生产。

在现场检测中，红外检测主要依靠手持红外热像仪完成，一般应选择在正午太阳辐照度最好，即组件实时发电量最高、问题电池片发热量最大时进行检测，对于其余检测条件并无严格技术要求。但由于现阶段光伏电站专业检测或运维人员较少，而光伏场区范围广、组件多，难以进行规律性的全面覆盖检测，对于发现的热斑严重组件应及时进行维修或更换，降低组件事故发生率。

2 检测经验分析

光伏组件的现场检测以发现问题组件为目的，所涉及的组件问题多样化，且常常相互关联。本节结合对建设期光伏电站与运营期光伏电站的实测情况，对光伏组件现场检测的一些实际问题、组件的缺陷实例进行经验分析。

组件现场检测的外观检查中最常见的问题是电池片挂勾印、微小色差（如图4所示），此类问题多由电池片生产、蚀刻工艺造成，但并不影响电池片发电能力；盖板与铝边框变形（如图5所示）多由于电站建设期施工安装不规范，磕碰组件造成，或由于运营期内组件遭遇意外碰撞造成；组件背板缺陷或损伤在电站建设期检测中极少发现，但在运营期内由于组件长期处于室外环境，会产生黄变、破损甚至毁坏等问题，但这一自然老化周期较长，新建成电站可能不会出现除意外损

伤之外的组件背板问题。

光伏组件的现场EL检测能够直观、准确地反映组件状态，一般可将发现的问题分为非损伤性缺陷与损伤性缺陷两类。非损伤类缺陷包括电池片污染、夹带杂质、黑斑以及黑边等（如图6所示）。此类缺陷一般是在硅电池片原料生产过程中产生的。由于原料硅锭或硅棒中某些部分带有杂质物，而杂质物的扩散区域不同，在切割电池片时就会产生一些电池片带有不同面积的污染痕，或是某些电池片在同一位置存在黑斑等现象。而黑边现象多产生在化学蚀刻过程中，硅电池片一边或几边受到坩埚边缘扩散的杂质影响而颜色加深。对于单晶硅电池片，还有可能产生黑芯片现象，同样是在生产工艺中混入杂质而产生。此类缺陷虽然并非电池片本身受到损伤破坏而产生，但若污染影响面积过大、影响深度较深（颜色较深）也会导致电池片有效发电面积减少、发电量降低，严重的会组件实际运行中导致问题电池片成为低效或失效片，造成热斑效应。

另外，由于组件生产时误将不同级别的电池片混装，会造成电池片混档，在EL检测图像上就是亮片或暗片的现象（如图7所示）。若某组件混档严重，在运行时组件中的低档位电池片的电流较小，会形成电流倒灌，电池片失去发电能力而成为发热的电阻，进而导致热斑现象。

损伤性缺陷包括电池片隐裂、碎裂、碎角以及断栅等，如图8所示。在建设期电站的组件现场检测中，对碎裂、碎角的组件均应作不合格组件处理，因为存在此类问题的组件内，一块或多块电池片已经完全或部分失效，在运行时不仅不会发电，相反的会引起其所在电池串发电量降低，进而造成组件整体发电量降低，甚至会

导致整个组串或阵列的发电能力受影响。

而存在隐裂情况的组件则应该根据检测与判定标准的允许值进行判别。以图9为例，因某些情况下，隐裂较浅，裂痕长度和扩散程度小（图9中右侧图像），对电池片的影响有限，在相关检测判定标准中可被视为合格。但若隐裂痕贯穿两条以上的主栅线，甚至贯穿电池片（图9中左侧图像），或呈闪电或树根状大面积扩散，则该块电池片破损程度较大，即使仍可以运行发电，也应被视为不合格组件，这是因为组件在工作中，受外界和内部因素影响，隐裂程度可能会逐步加深，直至电池片失效。

断栅现象多由电池片栅线印刷工艺问题造成，主要原因是生产中栅线浆料或印刷丝网不良。与电池片破损类似，断栅现象会导致电池片发电能力降低，从而影响组件、组串发电能力，也会引起局部热斑现象。

组件伏安特性检测主要关注组件的功率以及组件的I-V特性曲线是否合格。但现场检测中诸多的环境因素限制，如组件工作温度难以控制、太阳辐照强度的不规则变化等，导致采用便携式I-V特性测试仪检测组件的功率会出现一定不可控偏差。因此，一般需将现场被检组件抽样，并送实验室进行进一步检测，以确定组件功率是否合格。但在现场测试中，可以根据组件的I-V特性曲线来初步判断组件是否正常。对正常组件的I-V特性曲线要求其总体变化趋势应与标准曲线相符，不得出现电流提早衰减、多峰等畸变情况，且曲线应过渡平滑，无局部突变。图10为异常的组件I-V特性曲线。

安装旁路二极管会引起组件I-V特性曲线出现台阶等异常[6]，但在实际检测中发现的组件I-V特性曲线出现电流提早衰减、畸变等问题的原因主要为组件电池片损伤、组件栅线印刷焊接不良以及低电流电池片混档等缺陷造成。在现场检测中，异常I-V特性曲线在运行期电站中较为常见。由于一些建设较早的光伏电站缺乏建设期内的光伏组件质量管控，导致一部分损伤组件、电池片混档组件进入场区。而运营期内的维

护力度不足，也导致部分组件在运行中受损，或损伤加重，最终导致I-V特性曲线严重异常。这部分组件在光伏阵列中对阵列整体发电能力起负面作用，须及时更换，以保证电站的整体发电质量。

在现场检测中发现的组件热斑现象，一部分是由于组件电池片破损失效或混入低功率电池片引起，另一部分则是由于现场草木遮挡、积灰覆盖引起，而因其他组件内部构造引起的热斑现象由于现阶段尚缺乏分析手段，较难在现场确认。图11所示，为现场检测中常见的热斑现象组件。通过对一些运行中的光伏电站的现场检测发现，杂草遮挡、组件积灰以及鸟粪等杂物遮挡普遍存在。其中，积灰与鸟粪遮挡是光伏电站运行中难以避免的问题，应定期对光伏组件进行清洗以保证组件正常、高效运行。而在植被生长条件较好地区的光伏电站，在不破坏自然生态的前提下，应组织定期的杂草、灌木清理，保证组件，尤其是各组串下排组件不受遮挡，避免产生热斑现象。对于因组件电池片破损而产生热斑现象的组件则应及时更换，既保证电站的发电量，也避免因组件问题引起的火灾等安全事故。

3 存在的问题

在近年来我国光伏电站大规模建设的背景下，光伏组件的现场检测工作对光伏电站质量管理提供了重要的支持，也是光伏电站稳定运行、高效运行的重要保证。但在现阶段，我国针对光伏组件的现场检测体系仍存在一些问题。

（1）专业检测人员不足。我国的光伏发电产业正迅速发展，“十二五”规划中到2015年底我国的光伏发电装机容量将达21GW以上。而国家能源局也明确指出了我国到2020年的光伏发电装机容量目标为100GW[7]。在这样的背景下，我国的专业光伏检测队伍却仍不多，仅有少数国内专业检测机构以及电力研究机构拥有相应的实验室与现场检测人员，但面对今后愈加庞大的投产光伏发电工程规模，现有的测试人员并不足以为所有电站提供全面的现场质量检测。同时，由于实验室仅能检测极少量抽样组件样本，无法为光伏电站进行全覆盖式的性能检测，培养更多的专业现场检测人员就显得尤为重要。

（2）部分光伏电站重视程度较低。在我国光伏电站建设中普遍存在年底抢工期，忽视建设期质量管理，以及运营期投入人力不足，运行维护不到位的现象。由于部分光伏电站建设方、运营方在光伏组件质量管理认识与重视程度上的不足，会导致一部分光伏电站投产后发电能力低于预期值，也会导致在复检中发现大批光伏组件破损、功率不足以及热斑现象严重等问题，严重影响电站实际发电能力与经济效益，对我国光伏发电产业的整体发展也有不利影响。

（3）缺乏国家统一的检测判定标准。目前，光伏组件现场检测工作仍多依据检测方、委托方与被检测组件生产商协商制定的组件缺陷判定标准进行，存在对不同生产商检测标准不统一的问题，且针对组件电池片某些缺陷问题的判定也较为模糊，如电池片黑边、污染等。从产业可持续良性发展的角度来看，建立一套统一、全面、可操作性强的组件现场检测判定标准，可以更好地指导我国未来的光伏组件现场质量检测工作，也有利于未来光伏产品质量的管控与提升。

4 结语

光伏组件的现场检测技术将实验室检测技术进行了设备小型化、操作便捷化以及方案多样化的改进，在环境条件无法控制的户外对光伏组件进行质量检测，并且为已投产的光伏电站进行站内光伏组件的问题排查与故障诊断。在我国光伏产业快速发展，大型集中式光伏电站、中小型分布式光伏电站大规模建设投产的背景下，光伏组件的现场质量检测具有重要的意义。但现阶段，该领域仍然存在一些亟待解决的问题，如专业检测人员缺口、电站建设运营方不重视以及缺乏国家统一的质量检测判定标准等。在未来，解决现有问题，并不断推进现场检测技术、操作方案以及检测体系的改进能够为我国光伏发电产业提供可靠、高效的质量检测服务，提升光伏电站的建设质量与运营效益。

[1]郭占苗.EL测试在光伏太阳能电池检测中的应用[J].电子设计工程，2012，20（13）：131～134.

[2]吴春华，周笛青，李智华，等.光伏组件热斑诊断及模糊优化控制方法[J].中国电机工程学报，2013，33（36）：50～61.

[3]李艳华，潘淼，庞爱锁，等.电致发光成像技术在硅太阳能电池隐性缺陷检测中的应用[J].发光学报，2011，32（4）：378～382.

[4]王超，蒋晓瑜，柳效辉.基于电致发光成像理论的硅太阳电池缺陷检测[J].光电子激光，2011，22（9）：1332～1336.

[5]冯志诚，王亚辉，田瑞，等.便携式光伏组件I-V特性测试系统研究[J].能源工程，2013，（1）：52～55.

[6]孔凡建.太阳电池组件I-V特性曲线异常[J].电源技术，2010，34（2）：181～185.

[7]胡云岩，张瑞英，王军.中国太阳能光伏发电的发展现状及前景[J].河北科技大学学报，2014，35（1）：69～72.

Study and Empirical Analysis of the Field Testing Technology For Solar Photovoltaic Modules

TANG Zi-peng， WEI Chao， YANG Yu， ZHANG Yin-long， ZHANG Yong-ming

（Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

Solarphotovoltaic modulesarekeystothesolarphotovoltaic technology.Theirqualityhasagreatinfluence onphotovoltaicpowerstations'powergenerationcapacityandeconomic benefitsduringthelifecycle.Thispaperstudiedthe fieldtestingtechnologyforsolarphotovoltaicmodulesandestablishedaqualitytestingsystemwithgoodapplicability.Meanwhile，thispaperdidanempirical analysisofcommondefectsofsolarphotovoltaicmodulesbasedonourfieldtestingexperiences.

solarphotovoltaicmodules； fieldtestingtechnology； empirical analysisofcommondefects

TM615

B

2095-3429（2016）03-0024-06

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.03.005

2016-02-22

修回日期：2016-04-18

唐梓彭（1989-），男，江苏徐州人，硕士，工程师，主要从事光伏电站及组件检测、新能源工程技术研究等工作。