光伏組件在光伏系統(tǒng)中的使用壽命和可靠性探討資料

1、光伏組件在光伏系統(tǒng)中的使用壽命和可靠性探討2015-12-14導(dǎo)讀光伏（PV）組件制造商、安裝商和系統(tǒng)業(yè)主在PV組件的長(zhǎng)期可靠性等方面有著共同的利 益。在評(píng)估PV系統(tǒng)的可靠性時(shí)，不能僅注重PV組件的性能，更重要的是把控整體系統(tǒng)性能。 只有當(dāng)從PV系統(tǒng)中的電池片到并網(wǎng)到電網(wǎng)中的其所有部件均能發(fā)揮預(yù)期性能，并且整套PV 系統(tǒng)得到可靠維護(hù)時(shí)，所安裝的PV系統(tǒng)才能達(dá)到預(yù)期水平。環(huán)境狀況、設(shè)備溫度、污染程度等PV系統(tǒng)安裝場(chǎng)所的具體特點(diǎn)等都會(huì)對(duì)既定裝置的性能 和預(yù)期使用壽命產(chǎn)生直接影響，并且會(huì)加速特定場(chǎng)地下的不同老化速率。此外，PV行業(yè)的持 續(xù)整合可能會(huì)導(dǎo)致一些制造商倒閉，從而使制造商的質(zhì)保承諾得不到保證

2、。為避免這些問(wèn)題， PV制造商應(yīng)采用全面的質(zhì)控方案，以解決樣品抽樣合格率、可靠性測(cè)試計(jì)劃和測(cè)試等效時(shí)間 等主要問(wèn)題。UL白皮書中探討了有助于制造商及客戶評(píng)估在真實(shí)條件下PV組件可靠性的各種測(cè)試方 法。白皮書首先闡述了組件在PV系統(tǒng)性能中的耐用性和可靠性狀況，并探討了在評(píng)估組件可 靠性時(shí)平均壽命理論模型的缺點(diǎn)。其次，白皮書還介紹了PV組件可靠性評(píng)估的框架，并展示 了三種不同的測(cè)試如何在持續(xù)質(zhì)檢程序環(huán)境下提供有意義的組件可靠性數(shù)據(jù)。一、使用壽命的理論估算方法PV組件的使用壽命或壽命周期建模是建立在一系列前提的基礎(chǔ)上。這些前提與實(shí)驗(yàn)室測(cè) 量數(shù)據(jù)相結(jié)合，在某些情況下，與通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐獲得的信息以及現(xiàn)場(chǎng)退

3、回的產(chǎn)品相關(guān)聯(lián)。然 而，光伏行業(yè)是一個(gè)相對(duì)較新且快速變化并注重提高效率（即：更高效的電池、新型材料、 新設(shè)計(jì)等）的行業(yè)。相比之下，PV的預(yù)期壽命可達(dá)到20至30年。這些因素嚴(yán)重限制了目前 可用于預(yù)測(cè)PV預(yù)期使用壽命的數(shù)據(jù)的可獲性和價(jià)值性。為解答與PV組件使用壽命有關(guān)的重大問(wèn)題，通常采用加速老化測(cè)試方案。通過(guò)這些測(cè)試， 可采用阿列紐斯法測(cè)定活化能（Ea）。通常情況下，針對(duì)溫度、濕度和紫外線（UV）的Ea測(cè) 量值在確定后，將用于首次使用壽命預(yù)測(cè)計(jì)算。與當(dāng)?shù)靥鞖鈹?shù)據(jù)相結(jié)合的Ea可為預(yù)期使用壽 命的計(jì)算提供依據(jù)。然而，這種方法所存在的基本問(wèn)題在于其僅取決于單一失效機(jī)制的觸發(fā)。而實(shí)際上，伴 隨著幾乎無(wú)法

4、預(yù)測(cè)的隨機(jī)且地域性很強(qiáng)的相關(guān)天氣事件（風(fēng)、狂風(fēng)、暴風(fēng)雨、積雪、結(jié)冰和 冰雹），會(huì)產(chǎn)生不同的并發(fā)退化機(jī)制。圖1展示了針對(duì)某一類PV組件所觀察到的不同功率損耗曲線（虛線），以及可能發(fā)生的 階段保修曲線（藍(lán)色和橙色線條）。綠色和紅色曲線顯示的是任意組合的退化曲線，并且每 條曲線都是三種不同因素共同作用的結(jié)果。本圖所揭示的主要問(wèn)題是兩個(gè)階段保修曲線中的 哪一條（橙色或藍(lán)色）更緊密地關(guān)系到實(shí)際壽命性能。為改善PV使用壽命的理論估算方法，有必要了解各種環(huán)境條件之間的相互作用，以及所 觀察到的這些具體條件對(duì)PV組件所產(chǎn)生的影響。因此，必須從不同場(chǎng)所采集性能數(shù)據(jù)，并開(kāi) 展數(shù)據(jù)分析，以確定可能導(dǎo)致故障發(fā)生的根本

5、原因。表1中列出了各種環(huán)境參數(shù)，并展示了 所觀察到的導(dǎo)致PV組件故障的一些影響。圖1：任意時(shí)間范圍內(nèi)不同退化速率與保修承諾的對(duì)比蕾茂at-舞】茂Mt性圜化倍.45瑚 - m茂璋博道化燈.仍H由年:，算1次菲Ji程攜位 痍】我暮改怪直化 邑和1育盒說(shuō)latBttp京次善噓性1 尊KKITESU茂燭村第1次若晚珍） 就1汽井步厚嶺表1：環(huán)境因素以及所觀察到的PV組件現(xiàn)象列表二、實(shí)現(xiàn)可靠性PV組件的耐用性取決于其設(shè)計(jì)。另一方面，PV組件的可靠性取決于組件制造工藝的品質(zhì) 和完整性。即使材料質(zhì)量或制造工藝方面的細(xì)小變化都會(huì)影響部件的可靠性。按照既定標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)PV組件進(jìn)行的測(cè)試及認(rèn)證，通常重在關(guān)注驗(yàn)證是否

6、已達(dá)到基本的設(shè) 計(jì)要求?，F(xiàn)擬采用一種驗(yàn)證針對(duì)不同電池的長(zhǎng)期應(yīng)力測(cè)試和壽終時(shí)間測(cè)定的組件耐用性方案。 通常假設(shè)此類長(zhǎng)期測(cè)試亦可評(píng)估PV組件的可靠性，但可靠性測(cè)試的目的是驗(yàn)證某種產(chǎn)品是否 始終在原始設(shè)計(jì)參數(shù)的范圍內(nèi)生產(chǎn)?？煽啃詼y(cè)試提高了人們對(duì)生產(chǎn)品質(zhì)的信心，并且其所耗 用的時(shí)間和成本均少于耐用性測(cè)試。為保證測(cè)試效果，可靠性測(cè)試必須檢測(cè)多個(gè)樣品。ISO2859-1等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)能為如何選取 和評(píng)估生產(chǎn)樣品提供指導(dǎo)，而且該標(biāo)準(zhǔn)可用于確定某批次測(cè)試產(chǎn)品是否合格。根據(jù)樣品驗(yàn)收 及判定樣品不合格方面的實(shí)際情況，可采用更嚴(yán)格或更寬松的抽樣方案。然而，考慮到其在PV系統(tǒng)可靠運(yùn)行方面的重要性，當(dāng)涉及PV組件時(shí)，有必要

7、開(kāi)展更復(fù) 雜的質(zhì)檢。表2展示了 ISO2859-1測(cè)試的范圍，包括：1）不同檢測(cè)等級(jí)（S1-S4和G1-G3）所需的樣品數(shù)量及電站規(guī)模2）允收質(zhì)量等級(jí)（AQL）3）所允許的失效樣品百分比即將評(píng)估的樣品數(shù)量將實(shí)施統(tǒng)計(jì)學(xué)層面的產(chǎn)品差異分配。AQL確定了在驗(yàn)收或判定某既 定批次樣品不合格方面的可信度。對(duì)于安全性等一些關(guān)鍵測(cè)試，較低的AQL （如：0.1）即視 為無(wú)法容忍的故障（零故障容忍度）。而是旨在評(píng)估失配電池等表觀缺陷的其它測(cè)試中，亦 可接受較高的AQL。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通常規(guī)定了判定產(chǎn)品合格與否的基準(zhǔn)。表2：適用于可靠性測(cè)試的選定測(cè)試fa7 LFM&5rWW5 電 如0.2154310企|知 M 20

8、D Cj ITSQA) Q b| C4) 0AjQ鄙1切2c) 2的1對(duì)C）舟2 旨；G-1m卻 問(wèn)皿,I cbt Q 5命。利0聊4時(shí)#21的J34 %命i027 KVa tlOCWmAi| 11M MCl to0000:?5血 的i 燈2ifc Elan KMKUTFtlMi-l釁a(J u00D000J露喜00Q0Qg 1 c) 1b) 1 時(shí)i卻由00D0Drt5)bj JOOCl痕0CoaQ0G-1J)機(jī)1 功so 句m0也4 r-海旨鄂1S 54 4!cj T注：上表顯示了擬采用的檢測(cè)等級(jí)、每項(xiàng)測(cè)試所需的樣品數(shù)量，以及根據(jù)ISO2859-1標(biāo) 準(zhǔn)所允許的組件失效次數(shù)等。其中，“a）

9、 ”指的是發(fā)電容量為1MW的一所電廠，“b） ”指的 是發(fā)電容量為10MW的一所電廠，“c） ”指的是采用240W組件的發(fā)電容量為50MW的一所電 廠）。表3：關(guān)于UL為滿足質(zhì)量和耐用性要求而提供的測(cè)試服務(wù)概覽以上標(biāo)準(zhǔn)也可以根據(jù)客戶的要求，采用更嚴(yán)格或?qū)捤傻臈l件。然而，在項(xiàng)目及其測(cè) 試開(kāi)始前，需要明確用于判定合格與否的具體標(biāo)準(zhǔn)。UL自己的測(cè)試項(xiàng)目包括上述短期質(zhì)量測(cè) 試，以及各項(xiàng)測(cè)試的持續(xù)性測(cè)試，從而評(píng)估長(zhǎng)期耐用性或失效性測(cè)試的范圍。表3總體簡(jiǎn)要 介紹了各項(xiàng)測(cè)試以及各項(xiàng)測(cè)試所適用的PV工藝技術(shù)。三、選定測(cè)試的詳情下述章節(jié)探討了 PV組件的選定可靠性測(cè)試，并展示了其在評(píng)定PV組件可靠性時(shí)的潛在 價(jià)

10、值。請(qǐng)務(wù)必注意，盡管這些測(cè)試并不耗時(shí)或成本高昂，但必須對(duì)最少數(shù)量的必要樣品加以 評(píng)估，從而獲得具有統(tǒng)計(jì)意義的測(cè)試結(jié)果，這一點(diǎn)很重要。1電性能測(cè)試電性能測(cè)試是一種可在既定的不確定性范圍內(nèi)驗(yàn)證PV組件輸出功率的有效方法。這種不確 定性主要來(lái)自某個(gè)既定PV組件的光譜靈敏度、舊光源以及校正鏈上一般的測(cè)量不確定性等。最后一個(gè)不確定性通常是恒定的，但前兩個(gè)可能會(huì)對(duì)絕對(duì)測(cè)量值產(chǎn)生重大影響，尤其是 對(duì)于薄膜技術(shù)而言。除了這些限制外，電性能測(cè)試還可用于考察與組件可靠性相關(guān)的下述幾個(gè)方面：1）確定由于預(yù)處理所導(dǎo)致的初始功率損耗2）生產(chǎn)電性能列表的驗(yàn)證3）銘牌額定值驗(yàn)證這三個(gè)因素對(duì)于任何有效估產(chǎn)而言均至關(guān)重要。為在

11、估產(chǎn)方面達(dá)到更高的可信度，最好 利用來(lái)自于將用于安裝的實(shí)際PV組件所獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)。該目的可通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)挑選測(cè)試樣品 的方法予以實(shí)現(xiàn)。根據(jù)既定PV組件中所采用的減振器技術(shù)，太陽(yáng)能電池存在初始功率損耗。多晶電池的平 均初始退化一般均低于1%，而單晶電池則可能高達(dá)5%。圖2a展示了實(shí)際初始功率損耗值的 電勢(shì)分布。然而，在安裝上千塊組件時(shí)，這種分布平均出現(xiàn)在所有組件上。生產(chǎn)電性能列表的驗(yàn)證對(duì)選擇PV組件制造商而言是很重要的第一步。生產(chǎn)電性能列表的 驗(yàn)證用于與通過(guò)按標(biāo)簽數(shù)值生產(chǎn)所測(cè)得的功率損耗參數(shù)，以及通過(guò)第三方測(cè)量值所獲得的數(shù) 據(jù)進(jìn)行對(duì)比。這項(xiàng)驗(yàn)證工作驗(yàn)證了 PV組件制造商的校正鏈。通常對(duì)至少20個(gè)單

12、獨(dú)組件開(kāi)展 電性能列表驗(yàn)證，以確保缺陷的正常分布并減少不確定性。一般而言，如果所測(cè)試的組件較 少，則應(yīng)考慮更高的測(cè)量不確定性。圖2：電性能測(cè)試驗(yàn)證示例。嵌J刷字您tSEa通常根據(jù)PV組件銘牌額定值出售PV組件。PV組件銘牌上的額定功率用于模擬能量輸出， 即準(zhǔn)確的銘牌信息對(duì)于實(shí)現(xiàn)既定安裝的能量輸出而言是一個(gè)關(guān)鍵因素。按照EN50380和UL4730,等標(biāo)準(zhǔn)的要求，銘牌上的額定值必須考慮所有初始退化或光輻照的影響。因此，PV 組件在測(cè)量之前必須先穩(wěn)定下來(lái)，并且應(yīng)對(duì)比測(cè)量值與銘牌上的額定值。a）預(yù)處理后的組件功率損耗。b）功率偏差與銘牌上的額定功率。圖2b中顯示了銘牌額定值的一個(gè)示例。在此情況下，實(shí)

13、際測(cè)得的功率與規(guī)定的銘牌額定 值相比，約小2.2%。這種不一致很有可能導(dǎo)致預(yù)期與實(shí)際功率輸出之間出現(xiàn)差異。2電致發(fā)光：失效檢測(cè)與映射第二種評(píng)估方法即電致發(fā)光（EL）成像法，主要用于晶體硅PV組件，因?yàn)槿舨捎眠@種方 法，普遍認(rèn)為會(huì)出現(xiàn)明顯的各種組件缺陷。通過(guò)EL成像，能確定各種不同類型的缺陷，每種 都有其根本原因和性能影響。根據(jù)常規(guī)方法評(píng)估EL圖像可提供與PV組件可靠性有關(guān)的有用 信息。圖3顯示了兩種組件，每種都存在不同數(shù)量、嚴(yán)重程度各不相同的裂縫。與組件編號(hào)1 中所述情況相類似的組件通常尚可接受，并能以可靠的方式發(fā)電。與組件編號(hào)2中所述情況 相類似的組件通常會(huì)在較短時(shí)間后顯示出失效區(qū)域，該區(qū)域

14、會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的功率損耗。圖3：兩個(gè)組件的EL圖像；組件編號(hào)1顯示了一些不太嚴(yán)重的裂縫，而組件編號(hào)2則顯 示了一些非常嚴(yán)重的缺陷。組件編號(hào)1組件編號(hào)？通過(guò)評(píng)估單個(gè)批次中的多個(gè)圖像，通過(guò)缺陷數(shù)量與分布情況確定大致的質(zhì)量水平成為可 能。圖4顯示了此類評(píng)估的一個(gè)示例。每個(gè)批次都包括相同數(shù)量的組件。在第1批中，僅發(fā)現(xiàn)了少量隨機(jī)分布的缺陷，這表明測(cè)試通過(guò)。然而，在第2批中，缺陷組件的數(shù)量顯著增加， 并且缺陷和電池裂縫主要集中在I4和J5區(qū)域。阪4| fl帛戎/國(guó)廈的好效購(gòu)岬*瞻蹲用個(gè)挫長(zhǎng)定例的堆產(chǎn)更比,_ . L ,1融8市出務(wù)觸確李*晚待布址之下，微1言號(hào)：hmE勺牌】推息示盅$僖之#眨濁話.一蜀工存在媽

15、的阪。露事舸h階F電誠(chéng)識(shí)批 1QQK1DHnv - 總之，這些觀察結(jié)果均說(shuō)明制造過(guò)程或組件成品運(yùn)輸過(guò)程、或兩個(gè)過(guò)程都存在重要問(wèn)題。 無(wú)論如何，第2批的測(cè)試結(jié)果無(wú)法接受，并且通過(guò)進(jìn)一步的調(diào)查將能找出根本原因。更多措 施可以包括在安裝前對(duì)所有組件開(kāi)展EL檢測(cè)或更頻繁的檢測(cè)，并對(duì)在用的PV系統(tǒng)開(kāi)展測(cè)試。3電勢(shì)誘導(dǎo)退化目前，電勢(shì)誘導(dǎo)退化（PID）主要與晶硅組件相關(guān)。盡管一些c-Si組件制造商目前可提 供據(jù)稱具有避免PID抗性的PV組件，但PID仍是一個(gè)尚待解決的問(wèn)題。由于采用了不同的測(cè) 試程序和可比性指標(biāo)，但缺乏關(guān)于PID和恢復(fù)效應(yīng)之間關(guān)聯(lián)性方面的數(shù)據(jù)，因此為解決PID 問(wèn)題所做的工作變得更為復(fù)雜。遺

16、憾的是，薄膜PV組件并不始終能抵御對(duì)地電勢(shì)。早期薄膜組件表現(xiàn)出了一些與透明導(dǎo) 電氧化層（TCO）腐蝕（亦稱為“條形圖腐蝕”）有關(guān)的問(wèn)題，這是一種非常明顯的缺陷。但 今天的薄膜組件也會(huì)表現(xiàn)出嚴(yán)重的PID，這是一種無(wú)法在早期通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方案檢測(cè)出來(lái)的 問(wèn)題。PID測(cè)試重點(diǎn)可能各有不同，具體取決于對(duì)其的期望結(jié)果。然而，一些選項(xiàng)包括：1）針對(duì)PID磁化率的映射PV組件2）針對(duì)PID磁化率的逐批次驗(yàn)證3）組件材料（電池和封裝劑）的篩選4）標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件（STC）及PID測(cè)試后的低輻照度性能測(cè)試本列表上的第一項(xiàng)看似很明顯，但額外選項(xiàng)可為組件的長(zhǎng)期可靠性提供更多依據(jù)，從而 能通過(guò)更迅速的措施確定并解決PID問(wèn)

17、題。圖5顯示了來(lái)自三家不同制造商的三種組件的PID篩選測(cè)試結(jié)果。隨著時(shí)間的推移，第 1種組件表現(xiàn)出了具有不同磁化率的近似線性的退化。圖5：對(duì)不同組件的PID磁化率的調(diào)查（具有三種不同的退化率類型）上圖所顯示的第2種組件實(shí)際上是第1種組件的一種極端案例，因?yàn)樗煽焖龠_(dá)到100% 的退化，并且不會(huì)再隨著時(shí)間的推移而進(jìn)一步退化。第3種組件在PID測(cè)試的第一個(gè)階段通 常比較穩(wěn)定，但一旦當(dāng)其達(dá)到了電勢(shì)應(yīng)用的一定閾值后，就會(huì)迅速開(kāi)始退化。必須查明連續(xù) 實(shí)驗(yàn)室電壓應(yīng)力測(cè)試下的一般行為（第1種或第3種），并調(diào)查組件的恢復(fù)情況以及可能與 系統(tǒng)有關(guān)的選項(xiàng)，這一點(diǎn)至關(guān)重要。由于PV組件可產(chǎn)生此類天差地別的結(jié)果，因此必須設(shè)置合理的測(cè)試參數(shù)，這一點(diǎn)很重要。 可能有必要根據(jù)前期對(duì)組件類型的了解或測(cè)試的實(shí)際范圍來(lái)選擇參數(shù)，例如質(zhì)量檢查或耐用 性調(diào)查等。UL自身的默認(rèn)測(cè)試方案是通過(guò)導(dǎo)電箔產(chǎn)生電勢(shì)，從而使組件在兩周時(shí)間內(nèi)經(jīng)受系 統(tǒng)電壓測(cè)試，從而對(duì)整個(gè)組件及其所有的太陽(yáng)能電池實(shí)施均勻篩選?？筛鶕?jù)既定項(xiàng)目的具體 要求調(diào)整并定制這種默認(rèn)的參數(shù)集。四、總結(jié)與結(jié)論在競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的市場(chǎng)環(huán)境中，制造商們必須為客戶提供符合所承諾的性能規(guī)格的