王 冬，王 黎，黃 靜

(1.中國建材檢驗認證集團股份有限公司，北京 100024；2.信陽師范學院 建筑節(jié)能材料河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 信陽 464000)

0 引言

經(jīng)過十幾年的發(fā)展，光伏產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為中國為數(shù)不多的、可以同步參與國際競爭、并有望達到國際領先水平的行業(yè)，是推動中國能源變革的重要引擎.中國硅原料、硅片、電池、組件、逆變器等產(chǎn)品產(chǎn)量均位居全球首位，并占據(jù)較大市場份額.同時，中國光伏發(fā)電應用增長勢頭迅猛，新增裝機連續(xù)4年位居全球第一位，累計裝機連續(xù)2年位居全球第一位.面對這些大好形勢，在產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的同時必須提高產(chǎn)品的質量，以確保光伏產(chǎn)業(yè)的持續(xù)、健康發(fā)展.光伏產(chǎn)品的質量是保證光伏電站長期有效運營25年的關鍵，組件作為光伏電站的核心部分，其效率與衰減無疑是電站業(yè)主關注的重中之重，也是事關25年發(fā)電量與收益率的重要因素.

因此，研究組件功率衰減非常有必要.晶體硅太陽電池的早期光致衰減現(xiàn)象是在30 多年前觀察到的，隨后人們對此進行了大量的科學研究.組件功率衰減包括組件初始光致衰減、組件材料老化衰減及外界環(huán)境或破壞性因素導致的組件功率衰減[1,2]，本文主要研究老化衰減，此類衰減主要由于電池的緩慢衰減以及封裝材料的性能退化所造成的，此類衰減可通過實驗室模擬環(huán)境和相應的加速老化實驗[3,4]，但實驗室驗證結果是否能反應實際條件下的使用結果仍存在疑問，為解決這個問題，本文采用了戶外實證檢測的方法，利用CTC國檢集團在海南的實證老化基地，對32家主流光伏組件企業(yè)進行了戶外老化測試，通過數(shù)據(jù)分析，得到兩個自然年的光伏組件的衰減率規(guī)律，為EPC、發(fā)電集團等部門選擇組件提供了數(shù)據(jù)支持.

1 海南實證基地介紹

CTC國檢集團(中國建材檢驗認證集團股份有限公司)在海南、吐魯番、北京建有三個國家級的戶外實證基地，通過在這三個地點的典型氣候條件下進行自然戶外老化測試，對不同類型的光伏系統(tǒng)和不同企業(yè)的光伏產(chǎn)品的實際發(fā)電性能、衰減規(guī)律及使用壽命進行實地驗證和產(chǎn)品性能比對研究，建立公正、全面、權威的數(shù)據(jù)庫，為政府提供決策參考和我國光伏企業(yè)的技術進步提供支撐，從而引導光伏制造行業(yè)加快轉型升級,推動我國光伏產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展.

CTC國檢集團海南戶外基地是國內第一個通過中國合格評定國家認可委員會(CNAS)認可的國家級光伏戶外實證基地，除了戶外實證基地的基礎設施之外，還購買了多臺檢測設備，搭建了一個組件實驗室，可以完成實驗室I-V測試、現(xiàn)場I-V測試、濕漏電流測試、絕緣耐壓測試、電致發(fā)光測試(EL)、紅外測試、組件環(huán)境實驗等項目.海南島是我國最具熱帶海洋性氣候特色的地方，全年暖熱，雨量充沛，干濕季節(jié)明顯，常風較大，熱帶風暴和臺風頻繁，氣候資源多樣.海南島年太陽總輻射量約 1279～1628 kWh/m2，年日照時數(shù)為1750～2650 h，年平均氣溫在23 ℃～25 ℃之間，全年無冬；大部分地區(qū)降雨充沛，全島年平均降雨量在 1600 mm以上.在這種典型的濕熱、強紫外的氣候條件下進行戶外實證測試，得到的數(shù)據(jù)非常有代表性.

2 組件衰減率測試過程

2.1 年度衰減率定義

光伏組件年度衰減率是指光伏組件運行一段時間后(通常為一個自然年)，在標準測試條件下(AM1.5，組件溫度25 ℃，輻照度1000 W/m2)測試最大輸出功率與投產(chǎn)運行初始最大輸出功率差值和投產(chǎn)運行初始最大輸出功率的比值.

2.2 場地要求

曝露試驗場應具備并網(wǎng)條件，滿足試樣的并網(wǎng)運行測試要求,四周開闊，附近沒有遮擋試樣或影響主導風向的建筑物或樹木，遠離洪水等危險源.試驗場地面應為平整、無積水、定期修剪草坪.草坪地面修剪后，試樣表面沒有枝葉、草漿殘留.場地遠離大氣污染源.

2.3 監(jiān)控設備要求

試驗場地需要必備的監(jiān)控裝置，以便監(jiān)控并記錄環(huán)境溫度、風速、風向、各個角度的輻照度、組件溫度、降水量等參數(shù)，監(jiān)控設備的精度等級要滿足一定要求：如輻照度監(jiān)測裝置在100～1500 W/m2，輻照度范圍內不確定度≤3%；環(huán)境溫度監(jiān)測裝置分辨率應≤0.1 ℃，不確定度≤1 ℃；風速監(jiān)測裝置應可以測到0.25 m/s的風速.同時，各類參數(shù)監(jiān)測裝置的校準周期不應超過12個月.戶外實證電站需要有專門的程序進行電氣性能參數(shù)監(jiān)控.監(jiān)控的參數(shù)包括但不限于逆變器直流和交流側的電流、電壓、功率、發(fā)電量等數(shù)據(jù).

2.4 測試過程

a)第1年衰減率測試

試驗開始前，所有被測晶體硅組件需要進行預處理，試驗方法和要求按照IEC 61215:2005條款5，開路狀態(tài)下在實際陽光或模擬陽光下照射，使累計輻射量達到 5.0～5.5 kWh/m2.

組件預處理后，組件按照圖1的試驗序列進行試驗.在試驗中，操作人員應該嚴格遵照制造廠商的要求進行組件的貯運、安裝和線纜連接.

圖1 試驗序列Fig. 1 The test sequence

b)第2年衰減率測試

戶外實證試驗以一個自然年為一個周期，進行組件衰減率測試.樣品從2015年4月到2016年4月在CTC海南實證基地實際并網(wǎng)發(fā)電的狀態(tài)下戶外自然老化一年后，試驗人員將所有組件在盡可能短的時間內同時從樣品架上取下，在戶外基地的實驗室進行外觀、EL、絕緣、濕漏和最大功率的測試，所有組件測試結束后，在盡可能短的時間內同時將組件重新安裝在樣品架上進行下一年度的自然老化.

2.5 發(fā)電量測試

海南戶外老化測試包括32家組件企業(yè)的共300多塊組件測試樣品，其中包括3組單晶樣品和29組多晶樣品，單晶和多晶樣品均包含60片和72片兩種規(guī)格.連接方式是采用若干組件連接成組串，若干組串接入逆變器，若干逆變器接入交流開關箱，若干交流開關柜接入隔離變壓器，若干變壓器接入主開關柜，進而實現(xiàn)并網(wǎng).每個組串容量約2.5 kWp，接入一臺陽光電源的SG3KTL型3 kW組串逆變器.通過監(jiān)控系統(tǒng)對每一組串的發(fā)電性能進行適時監(jiān)控，同時監(jiān)控包括輻照度、溫度、風力風向等氣象參數(shù).

3 結果分析

3.1 32家組件第一年衰減率結果及對比分析

第一個自然年組件戶外老化功率衰減率測試結果及分布見圖2和圖3.

圖2 32家組件戶外老化第一年衰減率Fig. 2 Degradation rate of 32 kind of PV modules after the first year of outside aging

經(jīng)檢測，有2家企業(yè)的2種型號的多晶硅組件功率衰減率不符合《光伏制造行業(yè)規(guī)范條件》(2015年本)[6]多晶組件首年衰減率不超過2.5%的規(guī)定.其中一家企業(yè)的一片組件失效，功率衰減高達37%；大多數(shù)組件企業(yè)的功率年衰減率分布在1%～2%的區(qū)間，中位數(shù)衰減率為1.3%，算數(shù)平均衰減率為1.4%，均符合《光伏制造行業(yè)規(guī)范條件》(2015年本)的要求.按照平均衰減率最優(yōu)排名：30、12、29、22、31，按照最大衰減率最優(yōu)排名：30、22、13、19、8，其中平均衰減率和最大衰減率均排名第一的為某廠家的單晶組件.

圖3 第一年衰減率分布區(qū)間Fig. 3 Distribution of degradation rate of PV modules after the first year of outside aging

3.2 32家組件第二年衰減率及衰減規(guī)律分析

所有樣品測試完成后重新安裝，開始第二年功率年衰減率的測試，第二年戶外實證功率衰減率測試結果及分布見下圖4.

圖4 32家光伏組件戶外實證第二年衰減率Fig. 4 degradation rate of 32 kind of PV modules afterthe second year of outside aging

從圖4中可以看出，與第一年32家組件衰減率高低不均相比，第二年32家光伏組件的衰減率表現(xiàn)均衡，平均衰減率沒有出現(xiàn)大的偏差.每家組件的衰減率均分布在一個適當?shù)膮^(qū)間內，沒有出現(xiàn)第一年中某家組件衰減率過于集中或過于分散的情況.而且所有組件第二年的衰減率均低于0.7%，符合《光伏制造行業(yè)規(guī)范條件》2013版[7]以及2015版的要求.從圖5第二年衰減率分布圖中可以更清楚地看出，衰減率總體分布均勻，在0.3%～0.6%的區(qū)間內分布頻率較高，中位數(shù)衰減率和算術平均衰減率均約為0.4%.

圖5 第二年衰減率分布區(qū)間Fig. 5 Distribution of degradation rate of PV modules afterthe second year of outside aging

3.3 32家組串發(fā)電量對比分析

本文分別選取了2015—2016年度冬季三個月的發(fā)電量數(shù)據(jù)以及10月份的發(fā)電量數(shù)據(jù)，并換算成每日的發(fā)電量進行對比，如圖6所示.海南冬季日發(fā)電量均在3 kWh以上，平均值為3.1 kWh，發(fā)電水平正常.從冬季輻照情況一般和10月份輻照較好情況下發(fā)電量對比可以看出，32家晶硅組件的發(fā)電量在不同輻照情況下呈現(xiàn)相同的發(fā)電走勢，即十月份發(fā)電量高的組串在冬季較低輻照下的相對發(fā)電量仍較高.從圖7單日高輻照及低輻照的發(fā)電量對比也可以看出同樣的趨勢.另外根據(jù)發(fā)電量數(shù)據(jù)還得出了32家光伏組件在海南戶外曬場的發(fā)電量數(shù)據(jù)排行，不同廠家組件顯示出不同的發(fā)電量.

圖6 季節(jié)發(fā)電量比較Fig. 6 Power generation capacity comparison between different weather

圖7 不同輻照度下發(fā)電量比較Fig. 7 Power generation capacity comparison under different irradiance

3.4 衰減模型趨勢分析

從32家組件中分別選取衰減率為大、中、小的5家光伏企業(yè)(單晶2家，多晶3家),見圖8.

圖8 光伏組件2年衰減規(guī)律Fig. 8 Degradation trending of PV modules during the two years

圖8(a)和(b)是從多晶組件廠家中選取的衰減率最大的兩家；圖9(c)為所有組件中衰減率居中的多晶組件；圖8(d)和圖8(e)是選取的2家單晶組件廠家，其中圖8(e)的組件衰減率在所有32家中最小.從圖8可以看出，第一年衰減率普遍高于第二年衰減率.同時，由于所有組件在進行戶外實證試驗前均經(jīng)過了預處理，消除了LID衰減影響，單晶組件反而表現(xiàn)出相對更低的衰減率特性.

圖9 組件全生命周期內的衰減模擬Fig. 9 Lifetime simulation of PV modules

由NREL對全球2000多組件的戶外衰減分析得到的光伏組件的衰減規(guī)律可知，在組件正常老化衰減的狀況下，組件第二年以后的衰減率將呈線性變化，在25年質保期內，每年的衰減率基本與第二年的衰減率持平.按照這個規(guī)律對上述典型組件的壽命進行了模擬，如圖9所示，所有組件正常老化的情況下，25年的衰減率在8%～14%之間，遠遠低于25年衰減率20%的要求.

4 結論

本文針對光伏組件自然老化年度衰減問題，搭建了首個國家級的戶外老化實證基地，首次在國內進行了第三方的全國主流光伏組件的戶外老化實證測試.經(jīng)過兩個自然年的戶外實證測試，分析了不同光伏組件廠家的組件年度衰減率規(guī)律、不同輻照度對發(fā)電量的影響.實驗表明：1.不同組件廠家的組件年度衰減率在第一年高低不均，差異較大，但是組件衰減率在第二年表現(xiàn)均衡；2.不同輻照度下，相同廠家組件發(fā)電量不同，同時，在某一輻照度下發(fā)電量高的組件，在不同輻照度下的發(fā)電量也高.但總體差別很小，說明國內主流光伏企業(yè)的產(chǎn)品都有較高的質量品質.