上海地区各种光伏组件户外发电性能比较和衰减原因分析

■ 高兵 相海涛 邵亚辉 余友林 刘正新*

(1.中国科学院上海微系统与信息技术研究所；2.苏州中来民生能源有限公司)

0 引言

光伏组件作为光伏电站中的发电器件，是由数十片太阳电池封装而成的发电单元。光伏组件的户外发电性能和衰减原因研究可为光伏产业投资起到导向作用，同时可以将信息反馈给组件生产商用于改进电池和组件制备工艺等，具有重要的现实意义和科学价值。据文献报道，光伏组件在户外的工作情况与室内标定的结果有很大差异[1-3]，原因主要在于户外与室内的太阳辐射、温度条件、湿度变化、风速及风向等因素存在差异[4-6]；并且组件在户外工作时还会产生许多缺陷，而这些缺陷可能会导致光伏组件寿命下降。目前，这些相关研究结果都是经验性的。

由于光伏发电技术在国外起步得较早，欧、美、日等国在30多年前就开始了光伏组件的户外实证测试研究，研究所涉及的组件种类众多且设备精良，具有坚实的研究基础。如美国国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory，NREL)、美国桑迪亚(Sandia)实验室、斯图加特大学、德国联邦物理技术研究所(PTB)、日本产业技术综合研究所 (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology，AIST)、德国夫琅和费研究所(Fraunhofer ISE)、德国TÜV、美国UL、日本电气安全环境研究所(Japan Electrical Safety and Environment Technology Laboratories，JET)、意大利JRC (Joint Research Center)和瑞士ECN等国际著名的光伏器件研究机构，都已建立自己的户外测试平台，并在各种光伏组件的户外发电特性研究上获得了很多宝贵的数据和经验。通过文献报道来看，国外的研究机构都至少在3个气候区安装了10种以上的光伏组件，光伏组件测试系统建立完善，并对试验组件进行了长达20年以上的户外实证监测[7-10]。由于纬度不同的地区的日照和气候条件差异较大，而光伏组件对日照条件非常敏感，因此在某一地点得出的实验结论，在其他地点是否适用尚需进一步验证。而我国作为光伏产品生产大国，应该在光伏组件的户外实证发电性能测试方面有所建树，为世界提供光伏组件在我国的发电性能的代表性数据，为光伏企业提供有力的数据支撑。但国内光伏组件户外测试工作的基础设施较为缺乏，研究开展的并不深入，目前缺乏高水平的户外测试机构，并不能在国际光伏组件户外测试领域占有一席之地。

本文利用中国科学院上海微系统与信息技术研究所嘉定园区配置的光伏组件户外测试系统，于2016年6月1日～2018年7月20日，针对各种光伏组件在上海地区应用时的衰减情况和户外发电性能开展了户外实证监测，并进行了研究及分析。

1 实验条件

1.1 光伏组件信息

本次研究监测的光伏组件类型包括：多晶硅组件、n型单面和双面组件、PERC单晶硅和多晶硅组件、12栅单晶硅组件、HIT单面和双面组件、CIGS组件、CdTe组件，每种组件的数量不同。其中，对CIGS组件、多晶硅组件1和多晶硅组件2 ，持续监测26个月；对n型单面组件、n型双面组件1和n型双面组件2，持续监测19个月；对PERC单晶硅组件1、PERC单晶硅组件2、PERC多晶硅组件、12栅单晶硅组件、多晶硅组件4、HIT单面组件、HIT双面组件和CdTe组件，持续监测13个月；对多晶硅组件3，持续监测10个月(注：同类组件中的1、2、3、4是为区分不同生产商的产品)。

每种组件在进行户外监测前，都在STC条件(测试温度25 ℃，AM 1.5模拟光源，光强1000 W/m2)下进行了室内标定。

1.2 光伏组件户外测试系统介绍

本次户外实证监测使用的光伏组件户外测试系统由中国科学院上海微系统与信息技术研究所——新能源技术中心配置，坐落于上海市嘉定区 (31°23′N、121°14′E)。本光伏组件户外测试系统作为测试太阳电池发电特性与可靠性的设备，主要用于长时间在户外测试光伏组件的工作情况，记录不同环境下组件相应的电学参数，对光伏组件的真实发电能力与衰减状况进行测试。

图1 光伏组件户外测试系统结构图

光伏组件户外测试系统是根据IEC 61924、IEC 61829、IEC6 2446等标准[11-12]建立的，对光伏组件在户外的性能进行标准测试和性能评估，其结构图和实景图分别如图1、图2所示。本测试系统的测试对象为光伏阵列，共有24个通道(channel)，每个通道容许的电压范围为100～400 V，每个通道的组件采用串联或并联的连接方式，每个通道监测一种光伏组串；每个光伏组串连接1个接线盒 (conversion box)；每6个通道用1个集线器 (Cable collection device)收集直流端电流，I-V数据采集器(I-Vtracer)收集的是直流端数据，所以本文后续发电量和PR值的计算都是采用组件直流端数据；每6个通道的直流端数据通过1台多组串式逆变器 (invertor)转换为交流电，本系统中共有4台多组串式逆变器。

该光伏组件户外测试系统的技术特点为：光伏阵列可通过阵列选择器在多组串式逆变器与I-V数据采集器间切换测试，整个测试系统既能工作在真实并网环境中，也可以准确测试组件实际发电性能；多组串式逆变器的使用可以解决不同阵列共同并网的问题，并缩短组件在切换过程中恢复正常工作状态的时间；所用I-V数据采集器为阻性，可测试大功率光伏阵列，1台I-V数据采集器可拓展测试48个光伏阵列。

图2 光伏组件户外测试系统实物景观图

1.3 光伏组件户外实证发电性能评价指标的确立

由于光伏发电系统在户外运行，测试环境不像实验室中那样稳定，对其进行性能评价需要采用行业公认的技术参数。本研究中采用等效发电时长和等效辐照时长这2个参数。

1)等效发电时长YF。由于不同类型光伏组件的功率不同，不同类型组件间的发电性能并无可比性。YF表示光伏组串每天在其额定功率下的发电时长，可以用来对比每种光伏组串每kW的发电性能。在不考虑辐照度的影响时，等效发电时长就可以代表不同类型组件发电性能的差异。

式中，∫PMAX为光伏组串每天的总发电量；Pnominal为对应光伏组串的额定功率。

2)等效辐照时长YR。同样，YR表示在标准辐照度 (1 kW/m2)下，某一地点或位置每天的日照小时数，也就是峰值日照小时数，单位为h。

式中，∫G为某地点或位置每天的总辐照度；Gnominal为STC条件下的辐照度，取值为1000 W/m2。

1.4 本测试系统监测使用的主要设备

1.4.1 数据采集系统

本户外测试系统采用的数据采集系统为日本EKO生产的I-V数据采集系统MP165。其中，辐照度由1台辐照度测试仪MI530监测，热电偶采集到的背板温度由2台温度测试仪MI540监测 (每台MI540可监测12个通道的热电偶情况，本测试系统共有24个测试通道，所以需要2台MI540)。组件端I-V测试结果先输入4台通道开关选择器MP-303S (每台连接6个通道)，MP-303S的输出端口一部分直接连接逆变器，将直流电转成交流电并网；另一部分连接MP165，进行每个组串I-V曲线的扫描。24个组串经过4台MP-303S并入MP165，间隔2 mins进行下一次的循环扫描。由1台MI530、2台MI540和4台MP-303S采集到的数据汇总传递给MP165。通过MP165的软件控制界面，光伏组件的I-V曲线被实时监控；同时，光伏组件的温度、辐照量和发电量等信息也可以从MP165中获得。

1.4.2 气象设备

本户外测试系统中的气象监测设备从日本EKO采购，包括倾斜辐照计 (Pyranometer for Tilt:MS-802) 、水平辐照计 (Pyranometer for Horizontal plane:MS-802) 、风速监控仪(Wind Monitor:A-110/MI-360)、温湿度监控仪(Temp.Humidity:MT-063A)、雨量监测仪 (Rain Gauge:MW-010)、气压计(Barometer:MY-021)，分别对整个户外测试系统的辐照量、风速风向、温湿度、雨量和气压进行实时监控，并将具体信息体现在气象监测软件HIOKI中。

1.4.3 多组串式逆变器

本户外测试系统采用的逆变设备是上海追日电气生产的多组串式逆变器。该逆变器适用于小批量的薄膜、晶体硅太阳电池及组件测试，在光伏组件数量少、串联电压低 (小于100 V)的情况下，仍能达到最多6路输入运行。将光伏组件串联成组串后，经直流升压器做MPPT最大功率跟踪，并通过交流逆变器回馈电网。

1.4.4 光谱仪

本户外测试系统同时配置了实时采集太阳光谱的光谱仪，型号分别为MS-711和MS-712，并利用软件WSDac监测户外太阳光谱情况。

1.4.5 监测时间和技术方案

户外实证的监测时间为2016年6月1日～2018年7月20日。各种光伏组件的安装高度均为30 cm，安装角度均为30°。本户外实证实验将不同类型的光伏组件分为若干个独立的组串，每个测试通道监测1种类型光伏组件的户外发电性能。每种组件所在通道平均年累积辐照度为1293.37 kWh/m2，即 4656.13 MJ/m2。

2 结果与讨论

2.1 通过室内标定对比各种光伏组件的衰减

本研究中最早的光伏组件安装于2016年6月1日，后续为增加研究内容，相继在不同时间增添了各种类型的光伏组件，所有组件于2018年1月22日在室内进行了重新标定。截止到2018年1月22日，每种组件的室内标定结果与此前未经过曝晒时的标定结果对比的变化值如表1所示。需要说明的是，由于目前国际上还没有CIGS组件和CdTe组件的室内标准测试方法，因此即使进行了室内测试，其结果也并不准确，所以表1中未体现这2种组件的室内测试数据和衰减数据。

从表1中可以看出：

1)监测20个月的多晶硅组件1和多晶硅组件2的功率衰减率分别为3.26%和3.09%，与文献中报道的“光伏组件首年衰减2.5%，以后每年衰减0.7%”比较符合[13-15]。基本可以认为这2种多晶硅组件首年功率衰减了2.5%，后7个月分别衰减了0.76%和0.59%。

表1 各种光伏组件的室内标定结果比较

2)监测13个月的n型单面组件、n型双面组件1和n型双面组件2的功率衰减率分别为0.86%、0.29%和0.75%，与文献报道的“光伏组件首年衰减2.5%，以后每年衰减0.7%”相差较远。目前的监测结果表明，n型光伏组件的衰减确实较小，这与p型硅中含有B-O复合对，而n型硅的少子寿命长，使n型光伏组件的衰减较低有关。

3)通过分析监测时间为7个月的光伏组件衰减数据可以看出，这些组件的功率衰减从大到小依次为：PERC多晶硅组件 (2.69%)＞12栅单晶硅组件(1.82%)＞多晶硅组件4(1.54%)＞HIT单面组件(1.24%)＞ PERC单晶硅组件2 (1.11%)＞PERC单晶硅组件1 (0.94%)＞HIT双面组件(0.59%)。

还可以看出，HIT单面组件的功率衰减大于PERC单晶硅组件1和PERC单晶硅组件2，衰减主要体现在电压上，即HIT单面组件的电压衰减为0.65%，PERC单晶硅组件2和PERC单晶硅组件1的电压衰减分别为0.23%和0.06%。从电池的制备工艺来看，可能是异质结界面没有同质结界面稳定，长期的户外曝晒会使导致HIT界面性能受到影响，从而导致组件电压的下降。

从表1还可以看出，HIT单面组件的功率衰减小于PERC多晶硅组件、12栅单晶硅组件和多晶硅组件4，但HIT单面组件的电压衰减(0.65%)较12栅单晶硅组件(0.16%)和多晶硅组件4 (0.35% ) 而言还是较为明显的，HIT单面组件的优势主要体现在电流衰减较小。

除此之外可以看到，除了HIT单面组件和HIT双面组件外，其他晶体硅组件的衰减主要都是由电流引起的。而2种HIT组件的衰减主要都是由开路电压导致的，即HIT双面组件的开路电压衰减 (0.31%)＞电流衰减 (0.18%)，HIT单面组件的开路电压衰减 (0.65%)＞电流衰减 (0.32%)，再次证明了对于HIT组件来说，开路电压的衰减是影响其性能的主要因素。

2.2 通过户外实证发电量对比各种光伏组件的户外发电性能

因2017年6月29日在本户外测试系统中新增了大量组件，所以以下关于户外实证研究的时间范围为2017年6月29日～2018年7月20日。其中，12栅单晶硅组件、PERC单晶硅组件1、PERC多晶硅组件、CdTe组件的曝晒时间为12个月，数据采集时间为12个月；CIGS组件的曝晒时间为24个月，数据采集为12个月，所以本研究中CIGS组件的等效发电时长是在已经衰减了1年的基础上采集的数据；HIT单面组件因通道损坏，曝晒时间为12个月，数据采集时间为8.5个月；多晶硅组件4因组件更替，曝晒时间不足，故没有进行户外发电性能对比；4块PERC单晶硅组件2组成了1个组串，但其中1块组件出现了明显隐裂，因此也没有进行户外发电性能对比。

由于光伏组件的户外实证实验环境因素多变，实验的不确定度很大，因此系统的维护和组件的交替更换时有发生。表2和图3对比了2017年6月29日～2018年7月20日各种光伏组件每天平均等效发电时长和所在通道平均等效辐照时长。

表2 2017年6月29日～2018年7月20日各种组件每天平均等效发电时长和所在通道平均等效辐照时长的比较

从表2和图3的监测各种光伏组件的户外平均发电实证数据可以看出，各种光伏组件户外平均等效发电时长的比较结果为：CIGS组件＞HIT单面组件＞ 12栅单晶硅组件＞ PERC单晶硅组件1＞ PERC多晶硅组件＞CdTe组件；并且，每种组件所在通道的平均等效辐照时长比较接近。由数据可以看出，CIGS组件的平均等效发电时长大于其平均等效辐照时长，造成这一现象是因为在昼夜交替的光照变化下，CIGS组件的实际发电功率较额定功率可能上升，所以出现了平均等效发电时长大于平均等效辐照时长的情况。

图3 2017年6月29日～2018年7月20日各种光伏组件每天平均等效发电时长和所在通道平均等效辐照时长比较

2.3 光伏组件的衰减原因分析

根据近30年的研究结果，光伏组件衰减原因主要包括以下5个方面：1)封装材料的衰减、封装玻璃的破坏、旁路二极管的失效、封装材料的变色、背板开裂及分层；2)组件各层材料粘结性的下降；3)电池和组件互联部分的衰减，焊带和焊接点的脱落；4)潮湿导致的组件衰减；5)作为半导体器件的太阳电池自身的衰减。已有不少学者分析了不同组件的衰减原因并给出了预防措施[16-20]。

表3对8种光伏组件的衰减原因进行了总结。其中，封装材料的衰减、组件各层材料粘结性的下降、电池和组件互联部分的衰减、潮湿导致的组件衰减，可能在测试前已经存在于组件中，但由于户外监测时间不足，并未体现出来。但表1中的n型单面组件在经过了18个月的户外曝晒后，肉眼已经可以看到组件边缘出现电池老化和褪色现象，猜测造成这一现象的原因是湿气从组件边缘进入，导致了组件边缘发白。

表3 本研究中组件衰减原因分析

在对以上8种组件进行的户外监测中，封装玻璃的破坏、旁路二极管的失效、背板开裂和分层，以及焊带或焊接点的脱落等衰减原因并未监测到；但CdTe组件因安装压块不牢固，在上海台风期间，组件封装玻璃发生了明显破裂，认为这与组件的安装压块选择有关。除此之外，作为半导体器件的太阳电池自身的衰减是光伏组件衰减的主要原因，其中，HIT单面组件中晶体硅和非晶硅界面的衰减是致使该组件衰减的主要原因，在前文已进行过详细分析；其他组件的衰减均是由于光照导致的电池自身衰减，这可能是导致光伏组件衰减的重要原因。

3 结论

本研究主要利用光伏组件户外测试系统，对在上海地区应用的各种光伏组件的户外实证发电量及衰减原因进行了分析，得到如下结果：

1)在光伏组件衰减方面：多晶硅组件1和2在户外曝晒20个月后的功率衰减约为3%，与文献报道的“光伏组件首年衰减2.5%，以后每年衰减0.7%”比较符合。n型单面组件和2种n型双面组件在户外曝晒13个月后的功率分别衰减了0.86%、0.29%和0.75%，目前的监测结果表明n型组件的衰减确实较小。通过7个月的户外曝晒，几种光伏组件的功率衰减从大到小的顺序为：PERC多晶硅组件(2.69%) ＞ 12栅单晶组件(1.82%) ＞多晶硅组件4 (1.54%) ＞HIT单面组件(1.24%) ＞ PERC单晶硅组件2 (1.11%) ＞ PERC单晶硅组件1 (0.94%) ＞HIT双面组件 (0.59%)。其中，开路电压的降低是导致HIT组件衰减的主要因素。

2)在光伏组件户外发电性能方面：CIGS组件＞HIT单面组件＞12栅单晶硅组件＞ PERC单晶硅组件1＞ PERC多晶硅组件＞CdTe组件。其中，由于在昼夜交替的光照变化下，CIGS组件的实际发电功率较额定功率可能会上升，因此CIGS组件出现了平均等效发电时长大于平均等效辐照时长的情况。

3)在光伏组件衰减原因方面：首先，封装材料的衰减、组件各层材料粘结性的下降、电池和组件互联部分的衰减、潮湿导致的组件衰减，可能在测试前已存在于组件中，但由于户外监测时间不足，并未来体现出来；其次，封装玻璃的破坏、旁路二极管的失效、背板的开裂和分层，以及焊带或焊接点的脱落等衰减原因，目前并未监测到；第三，由于光照导致的电池自身的衰减，也许是导致光伏组件衰减的重要原因。

因为光伏组件的户外实证监测实验条件多变，实验的不确定性很大，因此系统的维护和组件的交替更换时有发生，在长年的工作中并不是每一种光伏组件的监测时间和条件都完全一致。后续需要延长监测时间，使数据积累充足并具有统计性，持续监测各种光伏组件的户外发电性能。