陳思銘，孫韻琳,2，王小楊，馬武興

(1. 廣東華矩檢測技術(shù)有限公司，佛山 528300；2. 廣東永光新能源設(shè)計咨詢有限公司，佛山 528300；3. 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院，珠海 519088；4. 水發(fā)興業(yè)能源(珠海)有限公司，珠海 519085)

0 引言

光伏電站項目的全生命周期共分為5大階段，具體為：項目的開發(fā)、電站的設(shè)計及配置、建設(shè)安裝、運營維護及光伏組件的退役回收等[1]。在各階段中，光伏電站都會面臨不同類型的復(fù)雜風(fēng)險，包括：政策風(fēng)險、資源風(fēng)險、自然風(fēng)險、技術(shù)風(fēng)險及管理風(fēng)險等。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)的戶外運行時間可能會超過25年，因此光伏電站的運營維護階段是實現(xiàn)光伏電站發(fā)電能力并形成項目經(jīng)濟收益的重要階段；又因為該階段的時間跨度長，因而將面臨更為嚴(yán)峻的風(fēng)險考驗。

光伏保險是光伏電站項目進行風(fēng)險管理的有效措施和工具。以2008年我國光伏企業(yè)購買為期1年的產(chǎn)品質(zhì)量保障保單以應(yīng)對海外買家針對我國光伏產(chǎn)品質(zhì)量保障方面的要求作為開始，光伏保險在我國僅發(fā)展了十余年的時間，由于起步較晚，截至目前其發(fā)展仍存在一些亟需解決的問題[2]。對作為保險購買方的光伏企業(yè)而言，其仍缺乏對保險的全面認(rèn)知，尤其是針對出險時對現(xiàn)場損失程度的預(yù)判、損失是否在保險合同的保障范圍內(nèi)等關(guān)鍵問題的界定仍存在模糊不清的狀況；對作為保險出售方的相關(guān)企業(yè)而言，缺乏相關(guān)案例的經(jīng)驗材料、統(tǒng)計數(shù)據(jù)，導(dǎo)致其無法針對特定風(fēng)險項目進行出險率和賠付率的準(zhǔn)確計算，也難以在出險后更好地履行損失補償?shù)穆毮躘3]。針對上述問題，依托具有技術(shù)實力與職業(yè)操守的第三方檢測機構(gòu)進行風(fēng)險識別、監(jiān)督及出險定損是光伏保險當(dāng)前具備可靠性及可操作性的解決方案，利用第三方檢測機構(gòu)的專業(yè)技術(shù)力量對光伏電站項目進行全過程的監(jiān)督和評估，有利于實現(xiàn)保險人和被保險人在風(fēng)險管理方面的共贏[4]。

根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，極端天氣是光伏電站運行過程中光伏組件所面臨的非技術(shù)性風(fēng)險中出現(xiàn)頻率最高的風(fēng)險因素，其中，臺風(fēng)災(zāi)害的影響不容忽視[5]。在臺風(fēng)災(zāi)害中，除了風(fēng)災(zāi)，戶外運行的光伏組件在很多情況下還會同時遭受暴雨乃至水災(zāi)的威脅，災(zāi)害過境后還可能遭受天氣轉(zhuǎn)晴的太陽炙烤考驗，嚴(yán)苛的運行環(huán)境會進一步影響光伏組件的輸出功率。本文以一座在臺風(fēng)災(zāi)害中受損的地面光伏電站為例，首先采用文獻調(diào)研的方法對該電站中光伏組件在臺風(fēng)災(zāi)害中可能受到的損傷問題及受損程度進行整理；然后對受災(zāi)電站開展具有針對性的現(xiàn)場檢測，根據(jù)檢測結(jié)果引入合理的統(tǒng)計技術(shù)，以進一步分析及評估受災(zāi)電站中光伏組件的受損情況，為該光伏電站項目的出險定損提供有效的技術(shù)支撐。

1 臺風(fēng)災(zāi)害中光伏組件的損傷機理分析

1.1 風(fēng)災(zāi)導(dǎo)致的光伏組件損傷機理

當(dāng)風(fēng)以一定速度運動時，在遇到光伏組件的阻礙后，風(fēng)會對光伏組件形成壓力或吸力，即風(fēng)壓。隨著風(fēng)速的增大，風(fēng)壓也會持續(xù)增大，在極端情況下會造成光伏組件的變形、掀翻甚至飛脫；而較為常見的情況是風(fēng)壓會導(dǎo)致光伏組件出現(xiàn)內(nèi)部缺陷，尤其是出現(xiàn)太陽電池隱裂問題[6]。

在風(fēng)災(zāi)的情境中，光伏組件會受到強大的、高頻的風(fēng)壓作用，導(dǎo)致太陽電池出現(xiàn)隱裂甚至失效的可能性大幅增加，因此應(yīng)利用相關(guān)檢測方式來檢查光伏組件的內(nèi)部缺陷，而電致發(fā)光(EL)檢測則是目前應(yīng)用最為廣泛的檢測光伏組件內(nèi)部缺陷的方式[7]。

國內(nèi)外許多學(xué)者針對太陽電池隱裂及失效對光伏組件輸出功率的影響進行了分析研究。文獻[8]中采用模擬的方式分析了隱裂對光伏組件輸出功率衰減的影響，研究表明：在大多數(shù)情況下，單純的隱裂不會導(dǎo)致太陽電池完全開裂，從而使光伏組件出現(xiàn)較大的輸出功率衰減，即使在由60片太陽電池組成的光伏組件中每一片太陽電池均存在隱裂但未造成破片時，在標(biāo)準(zhǔn)測試條件(STC)下，光伏組件的輸出功率衰減也不會超過2.5%。文獻[9]則描述了太陽電池從隱裂到失效的完整作用過程，光伏組件封裝時會在太陽電池上形成壓縮熱彈性殘余應(yīng)力，導(dǎo)致太陽電池產(chǎn)生隱裂，但隱裂初始形成時不會立即導(dǎo)致太陽電池失效(顯著的電阻效應(yīng))；然而由于在光伏組件隨后的實際運行過程中外部環(huán)境(如風(fēng)、雨、雪等形成的外部壓力)會對太陽電池持續(xù)施加不同程度的機械彎曲作用，將在原本的壓縮熱彈性殘余應(yīng)力的基礎(chǔ)上不斷疊加拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力抵消掉所有壓縮應(yīng)力后太陽電池開裂，并導(dǎo)致其失效，從而影響光伏組件的輸出功率。文獻[10]進一步指出，在光伏組件的彎曲試驗中，太陽電池前表面的銀金屬層會隨著硅片出現(xiàn)裂紋而立即開裂，但隨著機械荷載的消失，太陽電池前表面的銀金屬層又會立即重新連接，且?guī)缀醪粫纬山佑|電阻；反觀太陽電池背表面的鋁背場，其在硅片裂紋初始形成時不會馬上開裂，而是會在多次彎曲作用后呈現(xiàn)為金屬疲勞的開裂狀態(tài)。

由上述文獻可知，光伏組件封裝引入的壓縮熱彈性殘余應(yīng)力、太陽電池前表面銀金屬層表現(xiàn)出的無接觸電阻的恢復(fù)、太陽電池背表面鋁背場表現(xiàn)出的疲勞開裂等情況，說明太陽電池在遭受風(fēng)災(zāi)后的損壞程度具有顯著的隨機性，且可能僅呈現(xiàn)出未完全碎裂的隱裂狀態(tài)，對光伏組件的輸出功率影響甚微。

1.2 水災(zāi)導(dǎo)致的光伏組件損傷機理

光伏電站在遭受臺風(fēng)的強風(fēng)吹襲后，還可能存在光伏組件浸水的風(fēng)險，尤其是建設(shè)于靠近水體沿岸或水庫周邊低洼地帶的光伏電站項目，或因地勢開闊平坦，一旦暴雨成災(zāi)光伏電站也非常容易遭受水災(zāi)侵襲。自然界中水質(zhì)的成分多變且復(fù)雜，尤其是建設(shè)在沿海地帶的光伏電站項目，海水中含有各種高濃度化合物，對光伏組件的封裝材料、太陽電池的性能均會造成嚴(yán)重的影響。

文獻[7]根據(jù)太陽電池隱裂在1倍短路電流Isc和0.1倍Isc下的EL圖像中呈現(xiàn)的亮度差異，將太陽電池隱裂程度分為A、B、C這3類情況，如圖1所示。其中，A類隱裂是未造成太陽電池失效的隱裂，C類隱裂是存在太陽電池部分面積完全失效的隱裂，在不同測試電流下失效區(qū)域均顯示為全黑；B類隱裂介于A類隱裂和C類隱裂之間，即非完全失效的缺陷情況。在經(jīng)過200次濕凍循環(huán)測試后顯示，A、B類隱裂均有可能發(fā)展成C類隱裂，即導(dǎo)致太陽電池部分面積的完全失效。

圖1 3類隱裂在1倍Isc和0.1倍Isc下的EL圖像[7]Fig. 1 EL images of three types of craks under Isc and 0.1 Isc[7]

文獻[11]指出，存在隱裂的光伏組件在經(jīng)過濕熱循環(huán)及濕凍循環(huán)測試后，其最大工作電流IMPP的衰減最為顯著。此外，由于太陽電池p-n結(jié)特性的下降及不同太陽電池間性能差異導(dǎo)致的光伏組件失配損失，會進一步影響光伏組件的輸出功率[12]。

搜集相關(guān)文獻并整理后發(fā)現(xiàn)，目前對于成分復(fù)雜的水質(zhì)對光伏組件輸出功率影響的研究仍相對較少，而本文針對光伏電站項目遭受臺風(fēng)及海水倒灌侵襲后光伏組件輸出功率變化的分析，將有利于填補相關(guān)分析案例的缺失。

2 受災(zāi)光伏電站案例的分析

2.1 檢測方案及分析方法

本文對一座建設(shè)于沿海地區(qū)并遭受臺風(fēng)災(zāi)害的地面光伏電站進行災(zāi)后定損檢測。該光伏電站在遭受中心附近最大風(fēng)力為9級的臺風(fēng)(熱帶風(fēng)暴)吹襲時，因伴隨著強降雨過程，電站隨即又受到了因海水水位上漲所導(dǎo)致的海水倒灌影響，處于低洼區(qū)域的光伏場區(qū)被海水淹沒。由于臺風(fēng)吹襲范圍涉及整個光伏電站，而浸水問題僅涉及電站中的低洼區(qū)域，且臺風(fēng)過境后海水水位迅速退卻，部分區(qū)域浸水時間較短，因此在抽樣檢測方案中將該光伏電站按照受災(zāi)類型劃分為3個區(qū)域，并分別進行隨機抽樣。

經(jīng)分析，根據(jù)受災(zāi)程度不同，基于是否受到海水浸泡及海水浸泡時間長短這2個方面的因素，將整個光伏電站劃分為：未浸水區(qū)域(受風(fēng)災(zāi)影響為主)、短時間浸水區(qū)域(受風(fēng)災(zāi)影響且浸水時長約為3天)及長時間浸水區(qū)域(受風(fēng)災(zāi)影響且浸水時長超過30天)。根據(jù)各區(qū)域的受災(zāi)面積及定損需求，從上述3個區(qū)域分別隨機抽取100塊、500塊和400塊無明顯外觀缺陷問題的光伏組件進行測試，具體測試項目為EL檢測及光伏組件的I-V特性測試，以考察風(fēng)災(zāi)和浸水對光伏組件的內(nèi)部損害及輸出功率的影響程度。2項測試的現(xiàn)場檢測方案如表1所示。

表1 EL檢測和I-V測試的現(xiàn)場檢測方案Table 1 Scheme for on-site testing of EL test and I-V test

為量化受災(zāi)后光伏組件的輸出功率變化情況，以標(biāo)稱功率為基準(zhǔn)計算各被測光伏組件的輸出功率衰減率PL，其計算式為：

式中：Pmpp,STC為現(xiàn)場測得的光伏組件的I-V特性曲線修正到STC下的最大功率點功率；P0為光伏組件的標(biāo)稱功率。

針對保險定損的工作流程，必須考慮光伏組件采購合同中相關(guān)技術(shù)協(xié)議條款關(guān)于功率衰減率限值的規(guī)定；考慮到現(xiàn)場測試方式的限制及抽樣隨機性等方面產(chǎn)生的影響，需要引入必要的統(tǒng)計技術(shù)對測量得到的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。常用的統(tǒng)計工具包括正態(tài)分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差限值、t檢驗、F檢驗等[13-15]，由于本項目的總體分布未知，因此采用t檢驗來考察光伏組件是否已經(jīng)出現(xiàn)輸出功率衰減超限的現(xiàn)象。t檢驗(統(tǒng)計量)的計算式為：

式中：為樣本平均值；μ0為待檢驗的原假設(shè)數(shù)值；s為樣本的標(biāo)準(zhǔn)差；n為樣本的數(shù)量。

本案例對檢測得到的數(shù)據(jù)進行t檢驗的目的是解答保險公司及項目業(yè)主最關(guān)心的問題，即：根據(jù)測試得到的數(shù)據(jù)能否說明光伏組件輸出功率衰減率已經(jīng)超出限值，因此光伏組件輸出功率衰減率限值的判定標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。根據(jù)NB/T 10185—2019《并網(wǎng)光伏電站用關(guān)鍵設(shè)備性能檢測與質(zhì)量評估技術(shù)規(guī)范》及行業(yè)內(nèi)公認(rèn)做法，光伏組件輸出功率衰減率限值的判定依據(jù)是“以供需雙方的合同條款為準(zhǔn)”[16]，則本案例中按照項目運行年限，設(shè)定原假設(shè)為：光伏組件的輸出功率衰減率不應(yīng)超過4.6%(即μ0=4.6%)。

2.2 現(xiàn)場得到的測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計

根據(jù)光伏電站項目受災(zāi)現(xiàn)場的檢測結(jié)果，將抽取的1000塊光伏組件的I-V測量數(shù)據(jù)利用式(1)計算得到光伏組件輸出功率衰減率后，再按照EL檢測顯示的不同類型的內(nèi)部缺陷進行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。其中，非隱裂缺陷包括：明暗片、電池過焊、黑斑、虛焊、斷柵、黑邊等缺陷問題[16]。隱裂缺陷包括：線性隱裂、交叉隱裂、樹狀隱裂及破片問題。破片是指由碎裂引起的太陽電池失效，在EL圖像上顯示為有明顯邊界的黑色區(qū)域[16]。

表2 不同受災(zāi)程度的光伏組件的測試結(jié)果統(tǒng)計Table 2 Statistics of test results of PV modules with different degrees of disaster

從表2中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，不同受災(zāi)程度光伏組件的輸出功率衰減率表現(xiàn)為：浸水光伏組件的輸出功率衰減率高于未浸水光伏組件的輸出功率衰減率；而隨著浸水時間的延長，光伏組件的輸出功率衰減程度更為明顯。

2.3 受災(zāi)光伏組件的輸出功率分析

由于測量不確定度的存在，因此需要對統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行假設(shè)檢驗，以便于進一步分析所測的不同受災(zāi)程度的光伏組件樣本是否存在顯著的輸出功率衰減情況。按照不同缺陷情況對通過這些光伏組件的I-V測量數(shù)據(jù)獲得的輸出功率衰減率進行是否超出假設(shè)的輸出功率衰減率限值(即4.6%)的檢驗。由于不同缺陷情況的樣本量不一致，因此本文采用t檢驗的右單側(cè)檢驗。另外，由于戶外的I-V測量受環(huán)境因素的影響較明顯，測量結(jié)果的不確定度一般在4%～6%[17]；且光伏組件的輸出功率偏差計算是基于標(biāo)稱功率而非光伏組件實際出廠時的最大功率，因此光伏組件輸出功率衰降率數(shù)據(jù)不確定度較高，在t檢驗中置信水平選擇99%(顯著水平α=0.01)進行檢驗。不同受災(zāi)程度的光伏組件輸出功率衰減率的t檢驗結(jié)果及顯著性情況如表3所示。

表3 不同受災(zāi)程度光伏組件輸出功率衰減率的t檢驗結(jié)果及顯著性情況[18]Table 3 t-test results and significance of output power degradation rate of PV modules with different disaster degrees

針對光伏組件內(nèi)部缺陷的EL檢測結(jié)果，浸水光伏組件由于受到海水的“保護”，反而降低了風(fēng)災(zāi)對其的影響，尤其是長時間浸水區(qū)域所處位置更為低洼，一定程度上阻擋了臺風(fēng)對光伏組件的吹襲，因此，存在隱裂缺陷的光伏組件的數(shù)量占比呈現(xiàn)出“未浸水”＞“短時間浸水”＞“長時浸水”的狀況。

結(jié)合表2與表3中的數(shù)據(jù)可知，對于只遭受了臺風(fēng)吹襲而未遭到浸水的光伏組件，在99%置信水平下，t檢驗結(jié)果均顯示為“不顯著”，即該受災(zāi)程度的光伏組件并未立即顯示出輸出功率衰減超限的現(xiàn)象。其中，占未浸水光伏組件總數(shù)48%的存在隱裂缺陷光伏組件的輸出功率衰減率均值(4.31%)甚至低于未浸水光伏組件的均值(4.67%)；該結(jié)果與文獻[15]報道的情況基本吻合。而占未浸水光伏組件總數(shù)32%的存在非隱裂缺陷光伏組件的輸出功率衰減率均值則比未浸水光伏組件的均值高，若考慮風(fēng)災(zāi)對光伏組件的影響主要體現(xiàn)在隱裂和破片方面，則對于存在非隱裂缺陷光伏組件的輸出功率衰減率的分析需要考慮光伏電站受災(zāi)前其運行狀態(tài)。

短時間浸水和長時間浸水的光伏組件在99%置信水平下，t檢驗結(jié)果均顯示為“顯著”，即說明這2類受災(zāi)程度的光伏組件均表現(xiàn)出顯著的輸出功率衰減超限特征。而從光伏組件內(nèi)部缺陷的角度來看，非隱裂缺陷中明暗片問題的占比較高。明暗片是指同一塊光伏組件中的不同太陽電池呈現(xiàn)出不同的亮度。若在光伏組件出廠時檢測出該問題，則一般認(rèn)為是因生產(chǎn)階段太陽電池分檔異常引起的質(zhì)量缺陷；若在光伏組件出廠檢測時未出現(xiàn)明暗片，卻在光伏組件運行期間逐步顯現(xiàn)，則很大程度上是因光伏組件中太陽電池功率衰減引起的太陽電池輸出電流不均導(dǎo)致的。由于光伏組件在運行過程中也會存在輸出功率正常衰減的情況，因而雖然能通過EL圖像中明暗片的對比度來初步判斷太陽電池輸出電流不均的相對程度，但若要判斷光伏組件是否存在輸出功率衰減超限的情況，則需要通過I-V測量方式來進行量化和判定。由于本案例中未收集到該光伏電站中光伏組件出廠時的EL檢測檔案，因此無法判斷光伏組件的出廠質(zhì)量狀況；但根據(jù)測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，未浸水光伏組件存在明暗片問題的數(shù)量占比為12%，短時間浸水光伏組件存在明暗片問題的數(shù)量占比為16%，長時間浸水光伏組件存在明暗片問題的數(shù)量占比為19%，可以看出，隨著浸水時間的增長，存在明暗片問題的光伏組件數(shù)量的占比也隨之上升，因而可推斷出浸水因素是導(dǎo)致光伏組件輸出功率衰減加速的重要原因。

通過對比表2中每種受災(zāi)程度光伏組件中不同內(nèi)部缺陷狀態(tài)下的輸出功率衰減率數(shù)據(jù)可以看出，相比于短時間浸水的光伏組件，長時間浸水光伏組件中無缺陷光伏組件的輸出功率衰降率和有缺陷光伏組件的輸出功率衰降率的差異相對更小，由此可見，由于長時間海水浸泡使光伏組件內(nèi)部缺陷的有無和缺陷的差異性對光伏組件輸出功率的影響程度趨于模糊，這說明長明間浸水是導(dǎo)致光伏組件輸出功率衰減的主導(dǎo)因素。

3 結(jié)論

本文以一座建設(shè)于沿海地區(qū)并遭受了臺風(fēng)及海水侵襲的地面光伏電站為分析對象，結(jié)合EL圖像和I-V測量數(shù)據(jù)，運用t檢驗方法對災(zāi)后該光伏電站中光伏組件的輸出功率受損情況進行了分析，得到以下結(jié)論：

1)只遭受了臺風(fēng)襲擊而未遭到浸水(即未浸水)的光伏組件在內(nèi)部缺陷方面隱裂缺陷的占比相對較高；但無論是否存在內(nèi)部缺陷，在99%置信水平下的t檢驗結(jié)果均顯示為“不顯著”，這表明未浸水光伏組件在截止到測試時仍未顯示出明顯的輸出功率衰減率超限現(xiàn)象。其中，存在隱裂缺陷的光伏組件與無缺陷和存在非隱裂缺陷的光伏組件相比，其在輸出功率方面未出現(xiàn)異常的加速老化趨勢，這與多篇文獻報道的情況基本相符；反而在未能考察其受災(zāi)前運行狀態(tài)的前提下，存在非隱裂缺陷的光伏組件在未浸水情況下的輸出功率衰減率最高。

2)將不同浸水時長光伏組件的內(nèi)部缺陷及通過I-V測量結(jié)果得到的輸出功率衰減率進行對比分析，得出浸水是導(dǎo)致受災(zāi)光伏組件輸出功率加速衰減的關(guān)鍵因素。無論是短時間浸水還是長時間浸水，通過光伏組件的I-V測量結(jié)果得到的輸出功率衰減率在99%置信水平下均為“顯著”，也包括EL圖像表現(xiàn)為無缺陷的光伏組件。其中，存在非隱裂缺陷光伏組件仍然是輸出功率衰減程度更為明顯的一類光伏組件；但隨著浸水時長的增加，無缺陷光伏組件的輸出功率衰減率與有缺陷光伏組件的輸出功率衰減率之間的差距逐漸縮小，這說明長時間浸水成為光伏組件輸出功率衰減的主導(dǎo)因素，而內(nèi)部缺陷的影響趨于模糊。因此，對遭受類似災(zāi)害侵襲的光伏電站進行定損時，應(yīng)更加關(guān)注浸水問題，尤其是成分復(fù)雜的洪水浸泡導(dǎo)致的光伏組件輸出功率衰減問題。

需要說明的是，本文的分析工作仍存在有待完善的方面，包括：光伏組件的更換及賠付建議能否進一步明確和量化，未浸水光伏組件雖然未呈現(xiàn)即時的輸出功率衰減現(xiàn)象，但是否會對其未來運行過程中的輸出功率產(chǎn)生影響等問題，仍需要更多的案例來進行研究分析，并進一步完善定損分析方案，提升定損準(zhǔn)確度和效率。另一方面，本文的研究分析工作也為保險公司和光伏電站運營方提出了非常值得思考的提示：制訂合理周期的、覆蓋光伏組件必要性能方面的測試計劃并切實執(zhí)行落實，為光伏電站項目建立長期的性能跟蹤檔案，對于提高光伏電站運行管理，乃至出險定損的有效性具有不可忽視的作用。