光伏组件全生命周期的检测分析

■ 陈伟徐军陆元明李庆乐李晓瑞董志超

（1.上海电力新能源发展有限公司；2.北京金鸿泰科技有限公司）

光伏组件全生命周期的检测分析

■ 陈伟1徐军1陆元明1李庆乐2*李晓瑞2董志超2

（1.上海电力新能源发展有限公司；2.北京金鸿泰科技有限公司）

重点研究在光伏系统25年全生命周期中应在各个阶段对光伏组件进行的检测项目。光伏组件应通过检测手段从根源了解已出现的问题和潜在问题，及时进行更换和维护，使其在全生命周期中高效运行，创造更高的价值和财富。

全生命周期；光伏组件；EL测试；标称功率；PID；红外热斑

0 引言

大型地面集中式光伏电站占地面积大，运行设备多。电站一旦竣工再进行二次整改会造成很多麻烦，且经常会导致整个组串、逆变器甚至整个方阵停止运行，造成经济损失。因此在电站建设期间，就应对设备质量严格把关，避免潜在隐患在后期对电站造成影响。

电站在运行后的不同时段，会出现工程隐患、设备老化、环境影响等因素造成的发电不良或设备损坏，类似此类故障应及时处理，避免事态严重，造成更大损失。通过检测结果记录的积累，可建立电站健康档案，对经常出现问题的设备进行重点观察和维护工作；还可通过这些记录和档案对下一次的采购与选型提供有价值性的参考。所以，光伏电站应从建设期开始，即对站内的关键设备特别是光伏组件进行检测。

1 光伏电站组件测试

大型地面光伏电站的装机容量和系统规模虽然会有所不同，但主要组成结构大体相同，其主要设备为光伏组件、直/交流汇流箱、逆变器、升压箱式变压器、关口计量表，主流光伏电站还应配有环境监测仪等设备。其中，光伏组件在整个光伏系统中，数量和造价所占比例均为最高，所以本次主要针对光伏组件进行分析讨论。

光伏发电的能量来源于太阳能，光伏电站把光能转化为电能的唯一设备就是光伏组件，所以光伏组件的性能尤为重要。

光伏电站组件测试过程为：

1)在光伏组件的生产制造阶段应对组件进行标称功率标定和EL测试，确保出厂时对组件已做好分类且无隐裂等影响功率的问题；

2)在组件运送到项目施工现场后应进行EL测试排查，确保运输过程无损坏；

3)在安装施工完成后进行组件标称功率现场测试、红外测试和EL测试，确保施工过程中未对组件造成影响，并验证组件性能与可研和技术协议要求是否吻合；

4)在电站的运行过程应每隔半年进行一次组件标称功率测试、红外测试和EL测试，以对比分析组件在全生命周期中随着时间的推移所发生的性能变化。

2 组件标称功率现场检测

目前市面主流光伏组件的功率在180～300 W之间，电压约为37 V，电流在10 A以内。只有在标准测试条件(简称STC，辐照度1000 W/m2、电池温度25 ℃)下，光伏组件的输出功率才为“标称功率”。当辐照度和温度发生变化时，功率会发生变化。另外，功率误差为±3%，说明组件的实际功率为标称功率数值±3%，属正常。随着光照时间的增加，组件输出功率不断呈下降趋势。将光伏组件在标准环境下的发电功率除以标称功率得到的值转换成百分数，再用1减去该百分数可得到光伏组件的衰减率。依据IEC 60891-2009，实测I-V特性的修正公式为：

式中，I0为STC下的电流值，A；I为实测电流值，A；Isc为实测短路电流值，A；V0为STC下的电压值，V；V为实测电压值，V；G1为实测辐照度，W/m2；G2为STC下的辐照度，为常数，取G2=1000 W/m2；α为组件电流温度系数，为常数，℃-1；T0为STC下的电池温度，为常数，取T0=25℃；T为实测电池温度，℃；β为组件电压温度系数，为常数，℃-1；K为曲线修正系数，为常数；Rs为组件内阻，Ω。

光伏组件的衰减率会随着运营时间的增加而逐渐增加。光伏组件的衰减现象主要由4个方面诱发和生成：

1)未开封即未见光的组件在首次暴露在阳光充分的环境条件下，会出现初始光衰减现象；

2)光伏组件背板的EVA材料和封装外观等相关材料虽具有抗氧化、耐高温等特性，但在长期的腐蚀、风化和恶劣环境的影响下，还会出现设备或线路老化现象，导致光伏组件发电功率下降；

3)电站平时运行维护处理问题不及时，方法不当，造成光伏组件损坏或功率衰减；

4)光伏组件光电转换主要是由p-n结这种特性结构产生，在出厂前制造工艺或其他方面的质量问题也会导致光伏组件功率衰减。

另外，电位诱发衰减效应(PID)也是诱发组件衰减的关键因素。单个组件正常工作，电压在37～40 V，大型光伏电站会根据设计要求将20或22块组件进行串联形成组串，此时组串电压为700～800 V。组件长时间在该量级电压下，会在玻璃封装材料之间产生漏电流，大量电荷堆积在组件表面，使得组件表面的钝化效果恶化，导致组件性能低于设计标准。PID现象越严重，组件衰减将会随之增加，从而影响组串的输出功率。若此现象普遍出现，将会影响电站整体发电量，造成一定损失。高温、高湿、高盐碱的沿海地区极易发生PID现象。组件功率衰减直接关系到光伏组件的发电效率，因此，研究组件功率衰减非常有必要。

按照国家标准，晶体硅太阳电池第1年组件衰减不能超过2.5%，其后每年递减0.7%。但有很多厂家的光伏组件达不到国家标准，要通过组件性能测试进行验证和分析。

通过使用I-V曲线测试仪对光伏组件进行测试，得到光伏组件的短路电流、开路电压；实测最大功率、最大功率点电流、最大功率点电压，并记录测试时的温度和辐照度。根据STC修正公式，将组件功率转换成STC标准条件下的功率值，得到组件的衰减率。

通过对大量的组件电流、电压、功率、衰减率进行点分析和曲线分析，得到光伏组件现运行阶段下的状态。

3 组件红外检测

光伏组件通常安装在地域开阔、阳光充足的地带，在长期运行使用中，难免落上飞鸟排泄物、尘土、落叶等遮挡物。这些遮挡物在光伏组件上就形成了阴影，在大型光伏组件方阵间，行间距不合适也能导致互相遮挡形成阴影。由于局部阴影的存在，光伏组件中某些电池单片的电流、电压发生了变化，致使光伏组件局部电流与电压之积增大，从而在这些光伏组件上产生了局部温升现象。光伏组件中某些电池单片的本身缺陷也可能使组件在工作时局部发热，发生热斑效应。

在实际使用太阳电池时，如果热斑效应引起的温度超过了一定极限，将会使光伏组件上的焊点熔化并毁坏栅线，进而导致整个光伏组件的报废。据国外权威统计，热斑效应导致光伏组件的实际使用寿命至少减少10%[1]。这种热斑效应会严重破坏太阳电池板，且减少光伏组件寿命，降低整串光伏组串发电效率。长时间出现热斑情况或热斑温度过高，易出现火灾等安全隐患(见图1)。

通过红外测试仪对光伏组件进行热红外测试，在测试过程中将存在局部温度过高的光伏组件进行图像和编号记录，通过记录进行相应处理(见图2)。

图1 安全隐患图例

图2 组件热斑图例

4 EL隐裂检测

电致发光(EL)又可称为电场发光，是通过加在两电极的电压产生电场，被电场激发的电子碰击发光中心，而引致电子在能级间的跃迁、变化、复合导致发光的一种物理现象[2]。

隐裂测试原理：晶体硅太阳电池外加正向偏置电压，电源向太阳电池注入大量非平衡载流子，电致发光依靠从扩散区注入的大量非平衡载流子不断地复合发光，放出光子；再利用CCD相机捕捉到这些光子，通过计算机进行处理后显示出来；整个测试过程在暗室中进行。

EL图的亮度正比于电池片的少子扩散长度与电流密度，有缺陷的地方，少子扩散长度较低，所以显示出的图像亮度较暗。通过EL图的分析可有效发现硅材料缺陷、印刷缺陷、烧结缺陷、工艺污染、裂纹等问题[3]。

检测缺陷类型有：

1)隐裂，电池片中存在深色的线条；

2)黑心，电池中间存在明显边界的黑色喷墨状区域；

3)断栅，电池片细栅线方向有条状的黑色线条或区域；

4)云片，电池中间存在明显的灰黑色云雾状区域；

5)破、碎片，电池片中存在有明显边界的黑色区域，并与周围存在明显的碎痕和明暗对比；

6)明暗片，电池片整片颜色与同一组件的其他电池片颜色明暗不一；

7)主栅线区域明暗不一致，主栅线区域之间明暗等级不一致。

图3 不同类型缺陷EL图

光伏组件在运输、搬运、安装等过程中，容易被踩踏、撞击，或者自然环境下外力导致组件产生不易察觉的隐裂，极大影响组件输出功率。

5 结束语

光伏电站应在各阶段对光伏组件的质量进行相应的检测工作，每个阶段的每一次检测都是量身打造的一次体检项目，也是电站今后运行维护的第一手宝贵资料。发现问题及时处理，确保电站成为优质稳定、高效可靠的精品工程，为光伏电站稳定高效运行提供指导性维护方向和建设性修正意见。

[1] 北京电子科技情报网. 光伏电站频繁“自燃” 中国制造遭遇质疑[EB/OL]. http://www.ithowwhy.com.cn/auto/db/detail.as px?db=999011&rid=7448&agfi=0&cls=0&uni=True&cid=0&gp =3&showgp=True&prec=False&md=1&pd=12&msd=1&psd=1 2&mdd=7&pdd=213&count=10&reds=%d7%d4%c8%bc, 2012-06-25.

[2] 顾鑫. 低成本高效晶体硅材料及太阳电池研究[D]. 浙江:浙江大学, 2013-04-01

[3] 杨畅民, 张豪, 黄国锋. 电致发光成像在晶体硅电池和组件质量监测中的应用[J]. 阳光能源, 2009, (6): 42－44.

2016-06-23

李庆乐(1990—)，男，本科、中级工程师，主要从事光伏电站检测方面的研究。liqingle@huntech.com.cn