光伏组件是如何自然老化衰减的？

摘要：针对光伏组件自然老化年度衰减问题,, 对32家主流光伏企业进行了户外老化测试, 通过对两个自然年内组件衰减率和发电量测试得到的相关数据进行对比和分析, 得出了我国主流光伏组件的衰减率规律以及晶体硅组件在不同辐照下的性能表现趋于一致的结论.

经过十几年的发展, 光伏产业已经成为中国为数不多的、可以同步参与国际竞争、并有望达到国际领先水平的行业, 是推动中国能源变革的重要引擎.中国硅原料、硅片、电池、组件、逆变器等产品产量均位居全球首位, 并占据较大市场份额.同时, 中国光伏发电应用增长势头迅猛, 新增装机连续4年位居全球第一位, 累计装机连续2年位居全球第一位.面对这些大好形势, 在产业高速发展的同时必须提高产品的质量, 以确保光伏产业的持续、健康发展.光伏产品的质量是保证光伏电站长期有效运营25年的关键, 组件作为光伏电站的核心部分, 其效率与衰减无疑是电站业主关注的重中之重, 也是事关25年发电量与收益率的重要因素.

因此, 研究组件功率衰减非常有必要.晶体硅太阳电池的早期光致衰减现象是在30多年前观察到的, 随后人们对此进行了大量的科学研究.组件功率衰减包括组件初始光致衰减、组件材料老化衰减及外界环境或破坏性因素导致的组件功率衰减[1, 2]。

本文主要研究老化衰减, 此类衰减主要由于电池的缓慢衰减以及封装材料的性能退化所造成的, 此类衰减可通过实验室模拟环境和相应的加速老化实验[3, 4], 但实验室验证结果是否能反应实际条件下的使用结果仍存在疑问, 为解决这个问题, 本文采用了户外实证检测的方法, 利用CTC国检集团在海南的实证老化基地, 对32家主流光伏组件企业进行了户外老化测试, 通过数据分析, 得到两个自然年的光伏组件的衰减率规律, 为EPC、发电集团等部门选择组件提供了数据支持.

CTC国检集团 (中国建材检验认证集团股份有限公司) 在海南、吐鲁番、北京建有三个国家级的户外实证基地, 通过在这三个地点的典型气候条件下进行自然户外老化测试, 对不同类型的光伏系统和不同企业的光伏产品的实际发电性能、衰减规律及使用寿命进行实地验证和产品性能比对研究, 建立公正、全面、权威的数据库, 为政府提供决策参考和我国光伏企业的技术进步提供支撑, 从而引导光伏制造行业加快转型升级, 推动我国光伏产业持续健康发展.

CTC国检集团海南户外基地是国内第一个通过中国合格评定国家认可委员会 (CNAS) 认可的国家级光伏户外实证基地, 除了户外实证基地的基础设施之外, 还购买了多台检测设备, 搭建了一个组件实验室, 可以完成实验室I-V测试、现场I-V测试、湿漏电流测试、绝缘耐压测试、电致发光测试 (EL) 、红外测试、组件环境实验等项目.

海南岛是我国最具热带海洋性气候特色的地方, 全年暖热, 雨量充沛, 干湿季节明显, 常风较大, 热带风暴和台风频繁, 气候资源多样.海南岛年太阳总辐射量约1279~1628kWh/m2, 年日照时数为1750~2650h, 年平均气温在23℃~25℃之间, 全年无冬;大部分地区降雨充沛, 全岛年平均降雨量在1600mm以上.在这种典型的湿热、强紫外的气候条件下进行户外实证测试, 得到的数据非常有代表性.

2.1 年度衰减率定义

光伏组件年度衰减率是指光伏组件运行一段时间后 (通常为一个自然年) , 在标准测试条件下 (AM1.5, 组件温度25℃, 辐照度1000 W/m2) 测试最大输出功率与投产运行初始最大输出功率差值和投产运行初始最大输出功率的比值.

2.2 场地要求

曝露试验场应具备并网条件, 满足试样的并网运行测试要求, 四周开阔, 附近没有遮挡试样或影响主导风向的建筑物或树木, 远离洪水等危险源.试验场地面应为平整、无积水、定期修剪草坪.草坪地面修剪后, 试样表面没有枝叶、草浆残留.场地远离大气污染源.

2.3 监控设备要求

试验场地需要必备的监控装置, 以便监控并记录环境温度、风速、风向、各个角度的辐照度、组件温度、降水量等参数, 监控设备的精度等级要满足一定要求:如辐照度监测装置在100~1500 W/m2, 辐照度范围内不确定度≤3%;环境温度监测装置分辨率应≤0.1℃, 不确定度≤1℃;风速监测装置应可以测到0.25m/s的风速.同时, 各类参数监测装置的校准周期不应超过12个月.户外实证电站需要有专门的程序进行电气性能参数监控.监控的参数包括但不限于逆变器直流和交流侧的电流、电压、功率、发电量等数据.

2.4 测试过程

a) 第1年衰减率测试

试验开始前, 所有被测晶体硅组件需要进行预处理, 试验方法和要求按照IEC 61215:2005条款5, 开路状态下在实际阳光或模拟阳光下照射, 使累计辐射量达到5.0~5.5kWh/m2.

组件预处理后, 组件按照图1的试验序列进行试验.在试验中, 操作人员应该严格遵照制造厂商的要求进行组件的贮运、安装和线缆连接.

b) 第2年衰减率测试

户外实证试验以一个自然年为一个周期, 进行组件衰减率测试.样品从2015年4月到2016年4月在CTC海南实证基地实际并网发电的状态下户外自然老化一年后, 试验人员将所有组件在尽可能短的时间内同时从样品架上取下, 在户外基地的实验室进行外观、EL、绝缘、湿漏和最大功率的测试, 所有组件测试结束后, 在尽可能短的时间内同时将组件重新安装在样品架上进行下一年度的自然老化.

2.5 发电量测试

海南户外老化测试包括32家组件企业的共300多块组件测试样品, 其中包括3组单晶样品和29组多晶样品, 单晶和多晶样品均包含60片和72片两种规格.连接方式是采用若干组件连接成组串, 若干组串接入逆变器, 若干逆变器接入交流开关箱, 若干交流开关柜接入隔离变压器, 若干变压器接入主开关柜, 进而实现并网.每个组串容量约2.5kWp, 接入一台阳光电源的SG3KTL型3kW组串逆变器.通过监控系统对每一组串的发电性能进行适时监控, 同时监控包括辐照度、温度、风力风向等气象参数.

3.1 32家组件第一年衰减率结果及对比分析

第一个自然年组件户外老化功率衰减率测试结果及分布见图2和图3.

经检测, 有2家企业的2种型号的多晶硅组件功率衰减率不符合《光伏制造行业规范条件》 (2015年本) [6]多晶组件首年衰减率不超过2.5%的规定.其中一家企业的一片组件失效, 功率衰减高达37%;大多数组件企业的功率年衰减率分布在1%~2%的区间, 中位数衰减率为1.3%, 算数平均衰减率为1.4%, 均符合《光伏制造行业规范条件》 (2015年本) 的要求.按照平均衰减率最优排名:30、12、29、22、31, 按照最大衰减率最优排名:30、22、13、19、8, 其中平均衰减率和最大衰减率均排名第一的为某厂家的单晶组件.

3.2 32家组件第二年衰减率及衰减规律分析

所有样品测试完成后重新安装, 开始第二年功率年衰减率的测试, 第二年户外实证功率衰减率测试结果及分布见下图4.

从图4中可以看出, 与第一年32家组件衰减率高低不均相比, 第二年32家光伏组件的衰减率表现均衡, 平均衰减率没有出现大的偏差.每家组件的衰减率均分布在一个适当的区间内, 没有出现第一年中某家组件衰减率过于集中或过于分散的情况.而且所有组件第二年的衰减率均低于0.7%, 符合《光伏制造行业规范条件》2013版[7]以及2015版的要求.从图5第二年衰减率分布图中可以更清楚地看出, 衰减率总体分布均匀, 在0.3%~0.6%的区间内分布频率较高, 中位数衰减率和算术平均衰减率均约为0.4%.

3.3 32家组串发电量对比分析

本文分别选取了2015—2016年度冬季三个月的发电量数据以及10月份的发电量数据, 并换算成每日的发电量进行对比, 如图6所示.海南冬季日发电量均在3kWh以上, 平均值为3.1kWh, 发电水平正常.从冬季辐照情况一般和10月份辐照较好情况下发电量对比可以看出, 32家晶硅组件的发电量在不同辐照情况下呈现相同的发电走势, 即十月份发电量高的组串在冬季较低辐照下的相对发电量仍较高.从图7单日高辐照及低辐照的发电量对比也可以看出同样的趋势.另外根据发电量数据还得出了32家光伏组件在海南户外晒场的发电量数据排行, 不同厂家组件显示出不同的发电量.

3.4 衰减模型趋势分析

从32家组件中分别选取衰减率为大、中、小的5家光伏企业 (单晶2家, 多晶3家) , 见图8.

图8 (a) 和 (b) 是从多晶组件厂家中选取的衰减率最大的两家;图9 (c) 为所有组件中衰减率居中的多晶组件;图8 (d) 和图8 (e) 是选取的2家单晶组件厂家, 其中图8 (e) 的组件衰减率在所有32家中最小.从图8可以看出, 第一年衰减率普遍高于第二年衰减率.同时, 由于所有组件在进行户外实证试验前均经过了预处理, 消除了LID衰减影响, 单晶组件反而表现出相对更低的衰减率特性.

由NREL对全球2000多组件的户外衰减分析得到的光伏组件的衰减规律可知, 在组件正常老化衰减的状况下, 组件第二年以后的衰减率将呈线性变化, 在25年质保期内, 每年的衰减率基本与第二年的衰减率持平.按照这个规律对上述典型组件的寿命进行了模拟, 如图9所示, 所有组件正常老化的情况下, 25年的衰减率在8%~14%之间, 远远低于25年衰减率20%的要求.

本文针对光伏组件自然老化年度衰减问题, 搭建了首个国家级的户外老化实证基地, 首次在国内进行了第三方的全国主流光伏组件的户外老化实证测试.经过两个自然年的户外实证测试, 分析了不同光伏组件厂家的组件年度衰减率规律、不同辐照度对发电量的影响.实验表明:1.不同组件厂家的组件年度衰减率在第一年高低不均, 差异较大, 但是组件衰减率在第二年表现均衡;2.不同辐照度下, 相同厂家组件发电量不同, 同时, 在某一辐照度下发电量高的组件, 在不同辐照度下的发电量也高.但总体差别很小, 说明国内主流光伏企业的产品都有较高的质量品质.

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