機(jī)械載荷對(duì)光伏組件性能長(zhǎng)期潛在影響

文/董雙麗 林榮超 曾嬋娟 戴穗 胡振球

（廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 廣東省佛山市 528300）

1 引言

光伏組件的運(yùn)行可靠性決定了光伏發(fā)電系統(tǒng)的長(zhǎng)期收益，抗風(fēng)壓、雪壓和冰雹等載荷以及抵御安裝過程中的機(jī)械損壞是對(duì)光伏組件可靠性最基本的要求?，F(xiàn)行的機(jī)械載荷測(cè)試方法主要有靜態(tài)機(jī)械載荷測(cè)試和動(dòng)態(tài)機(jī)械載荷測(cè)試。靜態(tài)機(jī)械載荷測(cè)試依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為IEC 61215-2:2016[1]，動(dòng)態(tài)機(jī)械載荷測(cè)試依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為IEC TS 62782-1:2015[2]。無(wú)論是靜態(tài)機(jī)械載荷測(cè)試還是動(dòng)態(tài)機(jī)械載荷測(cè)試，機(jī)械載荷對(duì)光伏組件性能的影響都只是通過機(jī)械載荷作用完畢后隨即測(cè)試得到。而事實(shí)上，機(jī)械載荷作用后光伏組件在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，環(huán)境溫度變化、環(huán)境濕氣侵入、以及長(zhǎng)期的電流流過，將導(dǎo)致機(jī)械載荷作用后沒有呈現(xiàn)缺陷的電池片薄弱點(diǎn)，出現(xiàn)裂紋增加、裂紋引發(fā)熱斑、裂紋擴(kuò)展成裂片、焊帶和匯流條被腐蝕或接觸不良等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致太陽(yáng)電池失效面積逐漸變大，進(jìn)而對(duì)光伏組件的電性能影響也越來越大，即機(jī)械載荷對(duì)光伏組件性能的影響具有長(zhǎng)期性。本文通過特定的加速老化試驗(yàn)?zāi)M長(zhǎng)期運(yùn)行過程中環(huán)境因素對(duì)光伏組件性能的影響，快速呈現(xiàn)機(jī)械載荷對(duì)光伏組件性能的長(zhǎng)期潛在影響；借助電致發(fā)光圖像，直觀演示在實(shí)際運(yùn)行過程中光伏組件內(nèi)部缺陷的發(fā)展過程，有效揭示了機(jī)械載荷對(duì)光伏組件性能影響的長(zhǎng)期性。

2 研究依據(jù)及方法

2.1 研究依據(jù)

在戶外環(huán)境下，環(huán)境因素對(duì)光伏組件性能的影響需要經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的觀察和測(cè)試，為了在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)光伏組件因機(jī)械載荷作用而產(chǎn)生的潛在問題，加速老化試驗(yàn)被引入到本研究中[3]。在常規(guī)戶外環(huán)境下，影響光伏組件性能的外界因素主要有兩點(diǎn)：一是環(huán)境溫度變化，二是環(huán)境濕氣，分別是熱循環(huán)試驗(yàn)和濕凍試驗(yàn)所模擬的環(huán)境條件。本研究的加速老化試驗(yàn)程序?yàn)橄冗M(jìn)行200次熱循環(huán)試驗(yàn)(TC200)，而后進(jìn)行濕凍試驗(yàn)(HF10)，試驗(yàn)方法分別參照IEC 61215-2:2016[1]之4.11.3和IEC 61215-2:2016[1]之4.12.3。

光伏組件電致發(fā)光（EL）測(cè)試原理是根據(jù)半導(dǎo)體輻射復(fù)合釋放光子的特點(diǎn)，對(duì)組件施加正向電壓注入非平衡載流子，并通過光子探測(cè)器接收非平衡載流子輻射復(fù)合釋放的光子，非平衡載流子濃度越高（正常區(qū)域）釋放的光子越多，EL顯示圖像越亮，非平衡載流子濃度越低（缺陷區(qū)域）釋放的光子越少，EL圖像越暗，通過圖像明暗關(guān)系即可反映組件內(nèi)部電池缺陷情況[4]。本研究借助光伏組件最大功率和電致發(fā)光測(cè)試，分析加速老化試驗(yàn)過程中光伏組件的最大功率和內(nèi)部缺陷變化情況。

2.2 研究方法

為方便試驗(yàn)、節(jié)約研究成本，本研究所采用的樣品均為由4塊156×156多晶硅電池片封裝而成的小組件，見圖1。具體研究過程如下：

圖1：組件外觀

圖2：樣品最大功率隨累計(jì)加速老化試驗(yàn)時(shí)間的變化

（1）選取24塊完全相同的組件，其中4塊作為空白，20塊作為試驗(yàn)樣品；

（2）對(duì)試驗(yàn)樣品施加機(jī)械載荷作用，而后對(duì)試驗(yàn)樣品和空白樣進(jìn)行外觀、最大功率和電致發(fā)光測(cè)試；

（3）對(duì)試驗(yàn)樣品和空白樣進(jìn)行50熱循環(huán)試驗(yàn)，而后進(jìn)行外觀、最大功率和電致發(fā)光測(cè)試，外觀檢查合格的才能繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)；

（4）重復(fù)步驟（3）3次；

（5）對(duì)試驗(yàn)樣品和空白樣進(jìn)行濕凍試驗(yàn)，而后進(jìn)行外觀，最大功率和電致發(fā)光測(cè)試；

（6）每一塊樣品得到5個(gè)最大功率值和5個(gè)EL圖像，繪制各樣品的測(cè)試時(shí)間-歸一化功率曲線，分析試驗(yàn)樣品和空白樣最大功率和內(nèi)部缺陷變化情況。

表1：樣品經(jīng)歷環(huán)境試驗(yàn)后EL圖像變化情況

外觀和最大功率測(cè)試方法分別參照IEC 61215-2:2016之4.1、IEC 61215-2:2016之4.2。EL測(cè)試，根據(jù)樣品信息設(shè)置電流參數(shù)不小于0.6倍標(biāo)稱短路電流，檢測(cè)設(shè)備的空間分辨率應(yīng)達(dá)到T/CPIA 0009—2019中規(guī)定的A級(jí)及以上。

3 結(jié)果分析

3.1 最大功率

所有樣品基本有相同的最大功率變化趨勢(shì)，本文以空白樣、試驗(yàn)樣品1-4的測(cè)試數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析，如圖2所示。

（1）隨著累計(jì)加速老化時(shí)長(zhǎng)的增加，所有樣品的最大功率都有減小趨勢(shì)，空白樣1、試驗(yàn)樣品1、試驗(yàn)樣品3和試驗(yàn)樣品4在HF10試驗(yàn)后有拐點(diǎn)。

（2）（2）TC200+HF10試驗(yàn)后最大功率衰減率：試驗(yàn)樣品4>試驗(yàn)樣品3>試驗(yàn)樣品2>試驗(yàn)樣品1>空白樣。

3.2 電致發(fā)光圖像

電致發(fā)光圖像的明暗關(guān)系可以反映組件內(nèi)部電池缺陷情況，本文給出了初始、TC100后、TC200后以及TC200+HF10后，樣品的電致發(fā)光圖像，如表1所示。由列表可知，隨著熱循環(huán)累計(jì)時(shí)長(zhǎng)的增加，所有樣品內(nèi)部電池缺陷逐漸變得嚴(yán)重，主要表現(xiàn)在：

（1）斷柵；

（2）裂紋交叉處變成裂片；

（3）焊帶接觸不良，與裂紋組成的區(qū)域發(fā)電能力失效；

（4）裂片由灰色變成黑色，發(fā)電能力由低效變成失效。

濕凍試驗(yàn)后，試驗(yàn)樣品2電致發(fā)光圖像呈現(xiàn)黑色的失效面積增加，而空白樣、試驗(yàn)樣品1、試驗(yàn)樣品3和試驗(yàn)樣品4電致發(fā)光圖像變化不明顯。上述電致發(fā)光圖像變化有效解釋了，最大功率隨加速老化時(shí)長(zhǎng)的增加逐漸減小的現(xiàn)象，空白樣、試驗(yàn)樣品1、試驗(yàn)樣品3和試驗(yàn)樣品4在濕凍試驗(yàn)后的拐點(diǎn)推測(cè)是由濕凍試驗(yàn)引起的最大功率降低值小于測(cè)試誤差所致。試驗(yàn)樣品1和試驗(yàn)樣品2初始電致發(fā)光圖像相似，試驗(yàn)樣品3和試驗(yàn)樣品4初始電致發(fā)光圖像相似，由于篇幅限制，本文僅給出了試驗(yàn)樣品1和試驗(yàn)樣品3的電致發(fā)光圖像。由圖可知，在各個(gè)測(cè)試時(shí)間試驗(yàn)樣品3的失效面積都比試驗(yàn)樣品1的失效面積大，這有效解釋了試驗(yàn)樣品3在TC200+HF10試驗(yàn)后的最大功率衰減率大于試驗(yàn)樣品1的現(xiàn)象。

4 研究結(jié)論

由上述試驗(yàn)可知，機(jī)械載荷作用后光伏組件在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，受到溫度變化、濕氣浸入、電流通過等共同作用，會(huì)逐漸出現(xiàn)諸如斷柵、裂紋增加、裂紋引發(fā)熱斑、裂紋擴(kuò)展成裂片、焊帶和匯流條被腐蝕或接觸不良等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致太陽(yáng)電池失效面積逐漸變大，進(jìn)而對(duì)光伏組件的電性能影響也越來越大，即機(jī)械載荷對(duì)光伏組件性能的影響具有長(zhǎng)期性。