晶硅組件檢測與分析

1、光伏電站晶硅組件如何檢測與分析？光伏電站的質(zhì)量問題由來已久，幾年前，一家權(quán)威認(rèn)證機(jī)構(gòu)對國內(nèi)已經(jīng)在運(yùn)行的多座大型晶硅組件光伏電站進(jìn)行了質(zhì)量檢測，調(diào)查發(fā)現(xiàn)光伏組件普遍存在各種質(zhì)量問題，如熱斑、隱裂和功率衰減等，對電站的發(fā)電量、KPI指標(biāo)、電站收益及日常運(yùn)行維護(hù)帶來嚴(yán)重影響。電站建成后，隨著時(shí)間的推移，組件本身首年光致衰減及逐年衰減率和其他衰減因素都客觀存在、不可避免，因此實(shí)際的裝機(jī)容量會(huì)逐年減少，那么基于原始裝機(jī)容量進(jìn)行理論發(fā)電量或理論功率輸出計(jì)算的發(fā)電性能指標(biāo)如PR、CPR和EPI等，其中包含的光伏電池板自身損耗部分會(huì)逐年增加，而且實(shí)際裝機(jī)容量的不確定性將對次年各個(gè)電站的計(jì)劃發(fā)電量的制定帶來一定

2、影響。因此文中基于現(xiàn)實(shí)存在的客觀情況，著重探討已并網(wǎng)電站的戶外組件電性能測試及功率修正方法、組件熱斑現(xiàn)象和原因分析以及晶硅組件PID功率衰減的快速甄別方法，由于篇幅有限，其他質(zhì)量問題的檢測將另起他文探討。通過相關(guān)的測試和分析手段，可對自有電站的實(shí)際情況有清楚的了解，如組件的衰減情況、熱斑組件的分布比例及是否存在PID組件等等。一、組件（方陣）I-V測試及功率修正方法筆者曾在某西部多家地面電站進(jìn)行考察，發(fā)現(xiàn)在某一隨機(jī)時(shí)段各個(gè)逆變器的發(fā)電量存在較大差異。如圖1所示，通過對電站逐級逐段分析，排除了逆變器本身及對應(yīng)方陣故障、設(shè)備停機(jī)等因素，發(fā)現(xiàn)電量差異的主要來源為各個(gè)組串工作電流的波動(dòng)性，整體離散率較

3、高，有的甚至超過20%。逆變器發(fā)電量的差異和組件的功率輸出情況有密切關(guān)聯(lián)，因此有必要從匯流箱側(cè)去查找低功率的組串或組件，一般的，戶外組件或方陣組串的電性能測試使用便攜式I-V測試儀，本部分首先介紹便攜I-V測試儀的原理、配套輻照度計(jì)量儀的類型和特點(diǎn)，接著介紹現(xiàn)場組件功率測試的一次修正和二次修正方法。· 圖1 某地面電站某一時(shí)段各個(gè)逆變器的發(fā)電對比1.1 便攜式I-V測試儀分類與測試原理據(jù)調(diào)研目前市場上常用的便攜式I-V測試儀主要有可變電子負(fù)載式和動(dòng)態(tài)電容式兩種，如圖2和圖3所示，可變電子負(fù)載式是儀器自身內(nèi)置了電子負(fù)載，當(dāng)電阻從0變到無窮大的時(shí)候，儀器通過采集上百個(gè)負(fù)載點(diǎn)所對應(yīng)的工作電

4、流和工作電壓值來構(gòu)成整條I-V曲線，并通過算法尋找到最大功率點(diǎn)。電容式I-V測試儀以充電式動(dòng)態(tài)電容作為光伏組件的動(dòng)態(tài)負(fù)載，實(shí)際測試時(shí)，光伏組件因有光生電流對電容充電，電容在開始充電時(shí)，阻抗很低幾乎為零，充電回路相當(dāng)于短路，當(dāng)充電結(jié)束，阻抗非常高，充電回路相當(dāng)于開路，那么在電容的充電過程中，電容的阻抗從0變到無窮大，相當(dāng)于光伏組件或陣列的負(fù)載電阻從0變化到無窮大，然后對電壓電流進(jìn)行采樣，這些采樣點(diǎn)構(gòu)成了光伏組件的I-V特性曲線。和可變電子負(fù)載式相比，動(dòng)態(tài)電容式測試方法的優(yōu)點(diǎn)是雖然測試速度較快，精度較高，但需要復(fù)雜的控制電路，而對于陣列型的I-V測試儀，就需要比較大的電容器，那么體積和重量就會(huì)增加

5、，所以帶到戶外進(jìn)行測試會(huì)比較笨重。圖2 可變電子負(fù)載式圖3 動(dòng)態(tài)電容式1.2 太陽輻照數(shù)據(jù)采集介紹便攜式I-V測試儀在測試過程中需要對實(shí)時(shí)的輻照數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，輻照采集目前常用的儀器是總輻射表，它分為熱電型（Thermopile Pyranometers）和光電型（Silicon Pyranometers）兩種，如圖4所示為熱電型，圖5為光電型。熱電型一般為兩層玻璃罩結(jié)構(gòu)，由玻璃罩下黑色感應(yīng)面與內(nèi)部的熱電堆等感應(yīng)器件組成。一般感應(yīng)元件表面涂有高吸收率的黑色涂層，感應(yīng)元件的熱接點(diǎn)在感應(yīng)面上，而冷接點(diǎn)位于儀器的機(jī)體內(nèi)，雙層石英玻璃罩結(jié)構(gòu)的作用是防止熱接點(diǎn)單方向通過玻璃罩與環(huán)境進(jìn)行熱交換，提高測量精度

6、。同時(shí)為了避免太陽輻射對冷接點(diǎn)的影響，增加了一個(gè)白色防輻射盤用來反射陽光的熱輻射。它的原理很簡單，當(dāng)太陽輻射透過玻璃罩到達(dá)熱電表感應(yīng)面時(shí)，冷熱結(jié)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生溫差，由此產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出，那么這個(gè)輸出信號與感應(yīng)面上所接收到的太陽輻照度成正比（在線性誤差范圍內(nèi)），根據(jù)毫伏表或電位差計(jì)測出的熱電勢就可以進(jìn)行讀數(shù)。目前光電型輻照計(jì)一般使用硅光電二極管傳感器，也有使用標(biāo)準(zhǔn)太陽電池（Reference cells）作為輻照度傳感器件，它的原理是利用其短路電流與投射在電池片上的太陽輻照度的線性關(guān)系來測定太陽輻照度，分為電壓輸出型和電流輸出型兩種，對于電流輸出型，一般可在電路設(shè)計(jì)上增加小的負(fù)

7、載電阻，通過測量負(fù)載電阻之間的電壓來間接得到短路電流。圖4 熱電表（熱電堆型）2 圖5 光電型輻照計(jì)（晶硅電池片式）當(dāng)前我國的太陽輻射觀測網(wǎng)所選用的總輻射表大部分都是熱電型，熱電型總輻射表的光譜范圍較寬，一般大致為太陽全譜段的280nm至3000 nm（參考圖6，來源于荷蘭Kipp&Zonen公司），響應(yīng)時(shí)間一般小于60s，價(jià)格較高。而光電型總輻射表的光譜范圍大致為400nm至1100nm，響應(yīng)時(shí)間一般小于 10s，其光譜響應(yīng)范圍與太陽能電池板的工作光譜范圍十分接近，且主要特點(diǎn)是其響應(yīng)時(shí)間快、價(jià)格低廉。因此光電表的光譜選擇性完全取決于其自身的光電感應(yīng)器件硅光電二極管（含標(biāo)準(zhǔn)電池），具有

8、一定的光譜選擇特性，而熱電表中的熱電堆，屬于中性寬帶感應(yīng)器件，并沒有明顯的光譜選擇性。圖6 光譜響應(yīng)曲線（藍(lán)色：太陽輻射光譜 綠色：晶硅電池片的光譜響應(yīng) 紅色：熱電表的光譜響應(yīng)）表1為兩者的特點(diǎn)對比，其中溫度特性是環(huán)境溫度發(fā)生改變后，表的靈敏度所發(fā)生的變化。光電表一般都沒有溫度補(bǔ)償電路，因此需要在實(shí)際使用中確定光電表觀測數(shù)據(jù)的溫度系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。由于在測量過程中的溫度變化引入的測量偏差較大，熱電型則擁有質(zhì)量更高的玻璃罩，對溫度變化所做的溫度修正精度也更高。一般來說，熱電型總輻射表主要用來測量水平面太陽總輻射，也可用來測量入射到方陣斜面上的太陽總輻射，因此在評價(jià)電站的PR能效比和EPI一般采用熱電

9、表來計(jì)量方陣斜面總輻射量（POA），而由于光電表的光譜響應(yīng)和電池的光譜響應(yīng)較為接近，所以光伏組件或方陣的實(shí)時(shí)輸出功率測試可使用光電表。但是電池片型光電表也存在一些問題，如電池片的衰減特性、易受環(huán)境污染和溫度影響、余弦誤差和方向誤差偏高、校準(zhǔn)難度大、以及測量精度和電池片封裝玻璃的透射率都有關(guān)系等，特別是光電表的溫度修正、余弦誤差和方位誤差的測量和控制在校準(zhǔn)的時(shí)候需要注意的。表1 兩種輻射表的特點(diǎn)對比1.3 組件背板溫度采集組件背板溫度數(shù)據(jù)的采集操作有下面兩種，圖7為膠帶粘接式測試，其探頭分為金屬或者環(huán)氧樹脂探頭，圖8為吸盤式。一般情況下，若溫度數(shù)據(jù)的采集精度不夠，還需使用高精度IR熱成像儀進(jìn)行輔

10、助測試以確定實(shí)際的組件背板溫度，需要注意的一點(diǎn)是很多廠家將背板溫度當(dāng)成電池片的結(jié)溫，這是不正確的，根據(jù)美國Sandia實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)驗(yàn)值，一般地面電站上的晶硅電池片結(jié)溫在組件背板溫度值的基礎(chǔ)上再加上2-3?；蛘咭部梢愿鶕?jù)國標(biāo)GBT18210-2000 晶體硅光伏方陣IV特性的現(xiàn)場測量推薦的開路電壓法來推算結(jié)溫，但是其過程較為繁瑣，不適用于實(shí)際戶外操作。圖7 膠帶粘貼式測試（環(huán)氧樹脂探頭）圖8 吸盤式溫度傳感器探頭1.4 功率測試值的修正方法便攜式I-V曲線測試儀可以測試單片組件、組串和單臺(tái)匯流箱直流電路的I-V曲線。一般儀器自身也可以將實(shí)際自然光照條件下的實(shí)測功率數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)修正，即修正到標(biāo)準(zhǔn)測試

11、條件（STC）下的峰值功率。測試儀修正的內(nèi)容為溫度和光強(qiáng)這兩項(xiàng)修正，并未考慮到實(shí)際組件的灰塵遮擋損失、組串匹配損失及儀器自身的測試精度，另外如果在匯流箱的輸入端進(jìn)行測量，方陣的各個(gè)組串到達(dá)匯流箱的線纜長度不盡相同，也會(huì)存在電纜損耗，同樣影響對組件或方陣真實(shí)功率的判斷，因此還需要進(jìn)行第二次修正，將上述損耗補(bǔ)償?shù)綄?shí)際功率值當(dāng)中，具體參考如下幾點(diǎn)：1.灰塵遮蔽損失補(bǔ)償損失Ls需要根據(jù)電站所處的地理位置和自然環(huán)境，測試期間天氣狀況及組件表面積灰狀況，可在現(xiàn)場實(shí)際測試和計(jì)算，一般可以嘗試這兩種方法：在現(xiàn)場選取典型的兩塊組件進(jìn)行對比，一塊擦除掉表面灰塵，另一塊不做處理，可通過I-V測試功率，確定灰塵遮擋損

12、失。選擇兩個(gè)組串，一串不清洗，另一串清洗，一般組串電流和太陽輻照可認(rèn)為是線性正比關(guān)系，對于組串式逆變器，可監(jiān)測組串的電流、實(shí)時(shí)輻照和環(huán)溫，將實(shí)時(shí)電流換算到STC下的電流進(jìn)行對比。對于集中式，可用過智能匯流箱監(jiān)測每一串的工作電流進(jìn)行分析。2.光伏電纜線損補(bǔ)償損失Lc4mm2光伏電纜電阻為4.375/km，假設(shè)取每一組串電纜平均長度40米，工作電流值最大8A，可計(jì)算出每一組串線損為組串功率的0.28%左右，具體值還需要根據(jù)實(shí)際線纜長度來計(jì)算。3.串聯(lián)失配損失Lm組串當(dāng)中各個(gè)組件實(shí)際工作電流不一致導(dǎo)致木桶效應(yīng)，一般經(jīng)驗(yàn)值可取1%。當(dāng)然實(shí)際值可對組串的每一塊組件進(jìn)行測試，獲取Im值的最小值，以此計(jì)算串

13、聯(lián)失配損失。4.測試儀器誤差Le對于I-V特性曲線測試儀，如產(chǎn)品供應(yīng)商給出的測試最大誤差范圍±5%，可根據(jù)實(shí)際情況取正偏差的1.5-2.5%。因此根據(jù)上述可簡單得到功率修正公式：Px=Pc*（1000/G）/（1+（*（Tc-25）*（1-Ls）*（1-Lc）*（1-Lm）*（1-Le）（其中Px為修正功率，Pc為實(shí)測功率，G為方陣斜面實(shí)時(shí)輻照度，組件功率負(fù)溫度系數(shù)，Ls灰塵遮擋損失，Lc線損，Lm匹配損失，Le設(shè)備誤差損失）。二、熱斑問題分析組件上的熱斑效應(yīng)，一般由外部原因和內(nèi)部原因兩類造成。常見的外部原因有：組件表面積灰嚴(yán)重且厚薄不均，鳥糞、污物、落葉、方陣組件前部的草木以及周邊

14、建筑物或電線桿等陰影遮擋，以及場地不平整、方陣東西設(shè)計(jì)間距不足造成的自陰影等，使得組件局部光照低于其他正常部位，被遮擋的電池或組件被置于反向偏置狀態(tài)，消耗其他電池的功率，而功率以熱能形式釋放，導(dǎo)致該電池片溫度較其他正常電池片的溫度高。外在因素導(dǎo)致的熱斑問題在光伏電站中普遍存在，可在日常運(yùn)維工作中采取清洗等措施進(jìn)行消除。內(nèi)部原因和組件的生產(chǎn)制造工藝（特別是焊接和層壓）、電池片質(zhì)量（反向特性、邊緣漏電流過大）、接線盒中二極管的長期可靠性、EVA和背板的耐高溫及阻燃能力等因素都有關(guān)系，內(nèi)部原因造成的熱斑由于是先天性不足，在電站的運(yùn)行期間將長期存在，對電站的可靠性帶來嚴(yán)重安全隱患，任何一個(gè)熱斑點(diǎn)造成的

15、功率損耗將限制了組串的輸出功率。圖9-圖14列舉了西部地面電站的部分熱斑效應(yīng)案例，如圖9所示，組件有多個(gè)熱斑點(diǎn)且隨機(jī)分布：由于或者電池片本身的問題，互聯(lián)條不清潔造成的污染和虛焊、隱裂、裂片或斷柵等原因造成。熱斑導(dǎo)致組件局部的高溫較高，有的甚至高達(dá)100以上，而其周邊溫度僅30多，尤其在我國西北地區(qū)，在夏日午后持續(xù)強(qiáng)烈光照和高溫環(huán)境下，組件局部溫度將持續(xù)升高，其結(jié)果可能導(dǎo)致玻璃爆裂，組件背板局部老化，嚴(yán)重的甚至?xí)鸹鹑紵D10為焊接不良問題導(dǎo)致的熱斑灼傷，背板燒穿，原因源于組件工藝問題。那么在焊接時(shí)，就要在工藝上嚴(yán)格控制起焊點(diǎn)，避免起焊點(diǎn)V型隱裂。在串焊接時(shí)，也同樣要控制起焊點(diǎn)，避免重壓及溫度

16、過高產(chǎn)生V型隱裂。圖12可能為組件生產(chǎn)時(shí)混入一串低效電池片導(dǎo)致。圖14為二極管發(fā)熱，可能為二極管的質(zhì)量問題或者連接松動(dòng)。圖9 多個(gè)熱斑隨機(jī)分布圖圖10 焊接問題導(dǎo)致的熱斑灼傷痕跡圖11 裂片造成熱斑效應(yīng)圖圖12 低效電池片的混用圖13 虛焊問題引起的熱斑圖圖14 接線盒發(fā)熱三、PID組件快速檢測PID（Potential Induced Degradation電勢誘導(dǎo)衰減）是在高溫高濕環(huán)境中，因晶硅組件負(fù)極和邊框玻璃之間存在較高的負(fù)電壓而產(chǎn)生的電性能衰減現(xiàn)象，如果電站中發(fā)生了PID，一般各個(gè)組串都有可能發(fā)生，其衰減程度也不盡相同，但隨著時(shí)間的推移，輕微PID組件的衰減程度會(huì)逐漸增加，同時(shí)PID

17、組件由于內(nèi)部電池片的失配嚴(yán)重，因此將存在較大的熱斑隱患，對于PID衰減嚴(yán)重的組件可通過測試開路電壓進(jìn)行檢驗(yàn)，而輕微PID的組件還需要在低輻照下檢測，本部分列舉了在電站現(xiàn)場快速檢驗(yàn)PID組件的方法，以供業(yè)內(nèi)人士參考。3.1 測試方法（1）便攜式I-V測試法晶硅組件發(fā)生PID后，其I-V曲線形狀會(huì)出現(xiàn)異常，電性能參數(shù)表現(xiàn)為Rsh、填充因子和開路電壓Voc的降低。PID越嚴(yán)重，其曲線移動(dòng)的趨勢就如圖15箭頭所示。而對于輕微PID組件，其IV曲線的異常特征不太明顯，還需結(jié)合下面的方法（開路電壓法、EL）進(jìn)行綜合分析。圖15 單片電池片PID衰減后的I-V曲線（2）開路電壓（Voc）測試法由于PID組件

18、電性能參數(shù)有一個(gè)明顯特征，即并聯(lián)電阻值會(huì)下降很多，甚至低到個(gè)位數(shù)，正常組件的Rsh值一般在幾百兆歐以上。并聯(lián)電阻值的大小對組件的弱光效應(yīng)有較大的影響，如果Rsh值較低，在輻照度較高時(shí)，開路電壓值和正常組件差異會(huì)較小，所以難以辨別，而在低輻照度下，Rsh值較低的組件，開路電壓值會(huì)隨著輻照的降低而出現(xiàn)大幅下降。因此開路電壓法測試需要選擇低輻照時(shí)間，便于和正常組件進(jìn)行明顯區(qū)分。特別對于PID衰減不明顯的組件（功率衰減10%），通過I-V測試難以判斷的情況下，可以用該法進(jìn)行判斷。（3）便攜式EL測試法需要使用便攜式EL設(shè)備，PID組件在EL下的明顯特征為邊框四周電池片發(fā)黑（因電池PN結(jié)失效）。如下圖1

19、6所示，PID越嚴(yán)重，那么發(fā)黑的區(qū)域會(huì)增多，一般從邊框四周開始，逐漸蔓延到組件中間區(qū)域。圖16 左：功率衰減27% 中：功率衰減42% 右：功率衰減52%3.2 組串排查方法（1）在低輻照情況下（建議輻照度低于400W/m2），通過監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)或現(xiàn)場測試，對每個(gè)匯流箱側(cè)的每一路的組串開路電壓進(jìn)行測試，查找低電壓組串。（2）對于低電壓組串，一般PID容易發(fā)生在組串的負(fù)極側(cè)，如20片一串的，要重點(diǎn)測試負(fù)極側(cè)第一片到第十片，并一直測試到出現(xiàn)正常組件為止。（3）根據(jù)I-V測試曲線或者開路電壓測試法判斷。3.3 需要注意的地方若存在非PID引起的低電壓組件，可能為其他原因造成，如旁路二極管失效、電池片失效等

20、，對于此類低電壓組件可利用PID組件的弱光效應(yīng)進(jìn)行測試排除。另外由于PID組件也會(huì)存在熱斑現(xiàn)象，使用紅外相機(jī)拍照雖然也是一種方法，但是很難和非PID造成的熱斑組件進(jìn)行區(qū)分。四、總結(jié)鑒于目前國內(nèi)電站質(zhì)量參差不齊，電站運(yùn)行一段時(shí)間后，業(yè)主也無法知曉實(shí)際的裝機(jī)容量以及衰減情況，因此為掌握電站組件的實(shí)際總功率，一般以匯流箱為一個(gè)單元逐個(gè)檢測，由于各個(gè)組串到匯流箱的距離不同，除光強(qiáng)和溫度修正外，還需要考慮方陣的匹配損失、線纜損耗、灰塵遮擋損耗、儀器測試誤差等因素并進(jìn)行補(bǔ)償，才能得到較為準(zhǔn)確的電站組件總功率，和組件標(biāo)稱峰值功率相比較，即可計(jì)算實(shí)際的衰減率。同時(shí)文中介紹了常用I-V測試儀的原理和特點(diǎn)，并介紹輻照采集、溫度采集、修正方法相關(guān)內(nèi)容。輻照采集目前主要是熱電型總輻射表和硅基光電二極管型光電表（包括使