■ 鄭海興 余榮斌 舒碧芬 沈輝

(1.廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院；2.南方電網(wǎng)綜合能源有限公司；3.中山大學太陽能系統(tǒng)研究所)

一 引言

自光伏技術開始規(guī)模應用以來，光伏組件的質(zhì)量一直是光伏行業(yè)關注的核心問題，光伏組件在戶外工作中出現(xiàn)的各種失效現(xiàn)象及機理也一直是人們研究的對象。

光伏組件在戶外工作期間常會遭受各種環(huán)境因素的影響，有：氧化腐蝕、電化學腐蝕、化學腐蝕，尤其是金屬材料、接線盒內(nèi)的化學腐蝕等；水蒸氣侵蝕、其他導致封裝材料老化的氣體等，包括封裝材料的起泡、脫層、老化、絕緣性降低等；風、冰雹、安裝等造成的物理損壞，包括玻璃的破碎、表面的污染物、太陽電池的破碎、邊框的扭曲等；熱擴散、熱膨脹系數(shù)不匹配、過熱，包括背板材料的開裂、太陽電池的裂紋、接線盒的內(nèi)二極管的過熱、內(nèi)部連接失效、熱斑等；紫外輻射，包括封裝材料的老化、變色、脆化、交聯(lián)度升高、EVA機械性能降低、連接器的老化等；高電勢差、電流，包括組件內(nèi)太陽電池的極化等；打弧導致的開路或短路、EVA過熱變黃、焊帶融化等。受各種環(huán)境因素的影響，光伏組件會出現(xiàn)多種失效現(xiàn)象，如圖1所示。

本文將光伏組件失效現(xiàn)象分為三大類：太陽電池失效，包括太陽電池、焊帶；封裝材料的失效，包括玻璃、EVA、背板材料；外部元件失效，包括接線盒、二極管。

在常規(guī)戶外環(huán)境下，環(huán)境應力因素對光伏組件性能的影響較小，需長時間觀察、測試、收集才能反饋組件存在的質(zhì)量問題。為了在較短時間內(nèi)通過合理的方法、途徑發(fā)現(xiàn)光伏組件存在的潛在問題，反饋給光伏組件的生產(chǎn)企業(yè)，加速老化試驗被引入到光伏組件的質(zhì)量測試及壽命評估方面，并得到了不斷發(fā)展。自1994年開始，BP太陽能收集了來自于戶外的4200多個小組件，并做了相應的失效分類，見表1[1]。

表1 失效類型

自1975年JPL開始發(fā)展光伏組件質(zhì)量測試以來，全球多個光伏測試實驗室以及光伏生產(chǎn)廠商努力在設計加速試驗程序，發(fā)展地面光伏組件標準化加速試驗測試程序，在盡可能重現(xiàn)光伏組件在現(xiàn)實中出現(xiàn)的現(xiàn)象上做了廣泛的研究及努力。其中包括發(fā)展標準化的測試程序以發(fā)現(xiàn)組件設計的潛在缺陷以及失效機理，并促使這些測試程序成為國家級認可和國際認可的質(zhì)量測試標準，如IEC 61215地面晶體硅光伏組件設計與鑒定標準[2]、IEC 61646 地面薄膜光伏組件設計與鑒定標準[3]、IEC 62108聚光太陽能接收器和組件之評估標準[4]。Hoffman 和 Ross認為，標準測試的目的是為了更快發(fā)現(xiàn)在環(huán)境中可能出現(xiàn)的失效或者衰減現(xiàn)象，也反映了快速反饋設計方案在產(chǎn)品生產(chǎn)設計開發(fā)中的相對優(yōu)勢和可接受性[5]。

早期加速試驗的開展并沒有現(xiàn)實現(xiàn)象可觀察、對比及驗證，其中測試程序中包含某些起初認為很有必要的測試項目，然而隨著時間的推移及經(jīng)驗的驗證被證明是不必要的測試項目，如組件扭曲測試等。隨著標準測試的發(fā)展，一些特殊加速測試方式也被用于篩選測試薄膜光伏組件、封裝材料，甚至有些測試項目已經(jīng)發(fā)展成為標準測試，如已經(jīng)發(fā)展成為用于檢測薄膜光伏組件獨特失效現(xiàn)象和潛在問題的光老練測試。隨著用于光伏的加速試驗測試方法的發(fā)展，一些典型標準的測試參數(shù)也被用于光伏組件的壽命測試與評估，并試圖尋找光伏組件在加速試驗時間與實際運行時間的關系[6]。大多現(xiàn)有的壽命測試或可靠性測試是基于標準測試參數(shù)進行，如增加85℃/85DH 時間至3000h，增加熱循環(huán)次數(shù)到400次等，這些測試在一定程度上能反映出光伏組件的可靠性情況，但是需要的時間更長。典型的IEC61215 地面晶體硅光伏組件質(zhì)量測試程序如圖3所示?，F(xiàn)有光伏組件加速試驗基本上都是基于IEC61215的試驗參數(shù)[2]，某些環(huán)節(jié)并不能反應光伏組件在現(xiàn)實環(huán)境中經(jīng)受的各種應力考驗，仍需進一步改進。

在實際進行光伏組件材料的評估時，某些更加殘酷的加速試驗也被用于封裝材料的性能測試——高加速測試，以便在更短時間內(nèi)得到想要結(jié)果。光伏組件規(guī)模應用已經(jīng)有30多年的時間，各種失效現(xiàn)象已證實現(xiàn)有光伏測試程序的可接受性，但是隨著一些在組件生產(chǎn)、運送、運行中發(fā)現(xiàn)的新的失效現(xiàn)象，如組件在震動中的損壞、太陽電池在高電勢差下的極化(電容效應)等，現(xiàn)有測試項目并不能完全覆蓋所有失效情況，一些新的測試項目有必要加入測試程序來完善整個測試標準，光伏組件的加速試驗測試更加基于現(xiàn)實來發(fā)展。同時，基于現(xiàn)實的計算機模擬技術也開始用于光伏組件的失效預測與壽命預測。

二 光伏組件加速試驗研究現(xiàn)狀

當今對光伏組件的加速試驗研究主要集中在壽命測試、結(jié)合實際失效情況的加速試驗、采用物理模型進行加速試驗的仿真模擬。

1 壽命測試

光伏組件的壽命可定義為光伏組件性能(電性能、絕緣性能、外觀等)不再具有繼續(xù)滿足實際生產(chǎn)需要的特性時所需時間或當其輸出低于某一可接受值所需要的時間。對于光伏組件生產(chǎn)企業(yè)來說，光伏組件的壽命可認為是光伏組件生產(chǎn)企業(yè)所保證的性能輸出低于某個限值，如原輸出性能的80%所需時間，如果光伏組件超過這個年限，將不再具有經(jīng)濟性[7]。另一種加速壽命試驗定義為對光伏組件進行應力加速直到其出現(xiàn)失效情況所需要的時間。Wohlgemuth J H等[8]描述了BP太陽能根據(jù)組件實時戶外測試、組件戶外工作情況反饋、加速試驗測試來估計光伏組件的使用壽命。

2006年，一篇文獻報道了BP太陽能500次熱循環(huán)和1250h85/85 DH(damp and heat)試驗結(jié)果，文章參考了JPL的腐蝕加速模型[9]，認為1000h85/85 DH 試驗等同于邁阿密20年的戶外暴曬，但是對一種新的光伏組件背板材料的測試顯示，濕度和溫度分別是65/85和85/85的實驗條件并沒有遵循JPL加速模型的預測[10]，如把光伏組件在加速試驗經(jīng)歷的時間同光伏組件實際應用的壽命相聯(lián)系，需加速因子相關的知識，然而涉及該領域的文獻少之又少。

1983年，Otth D H等[11]試圖采用85/85 DH試驗時間同在潮濕氣候下實際工作時間相關聯(lián)的模型，并且該模型影響了1000h作為標準測試時間的選擇，然而該模型僅適用于單個失效機理：由聚合物絕緣材料的電阻率驅(qū)動的金屬觸點的腐蝕，其他失效機理的加速因子尚且未知。

因此，不能夠說明如果一個光伏組件通過了標準質(zhì)量測試就能生產(chǎn)電力達到一定年數(shù)，并且，標準測試也不能用來決定光伏組件的壽命，因為它并不能測試所有的失效機理。Czanderna A W等[12，13]討論開發(fā)光伏新技術的早期階段引入加速壽命測試的必要性，闡述結(jié)合加速試驗以及戶外實時監(jiān)測的重要性，利用大量樣本并采用壽命預測方法預測采用現(xiàn)有或新的光伏技術的光伏組件的壽命，隨后，闡述了預測光伏組件服務壽命的重要性，并提出對光伏組件壽命預測的方法。

2 結(jié)合實際失效情況的加速試驗

加速試驗不應該脫離現(xiàn)實環(huán)境，采用加速試驗對光伏組件的可靠性及壽命評估預測應該基于現(xiàn)實的實測數(shù)據(jù)。Herrmann W等[14]認為熱循環(huán)作為測試晶體硅光伏組件IEC61215的一部分，主要用來評估由于熱-機械應力沖擊導致光伏組件性能衰退，迄今為止，定義的溫度梯度和循環(huán)時間超過實際自然界的氣候沖擊。根據(jù)標準測試IEC61215的200～800次循環(huán)的試驗數(shù)據(jù)，對比同一型號7個不同廠家的晶體硅光伏組件的實驗室測試結(jié)果和3年不通氣候的戶外測試結(jié)果，評估對輸出功率、絕緣性、組件內(nèi)部互聯(lián)等衰退的影響，通過收集不同地區(qū)的溫度梯度，提出了由于材料的熱膨脹系數(shù)不匹配導致熱機械應力的模型。Wohlgemuth J H等[15]列舉在戶外光伏組件出現(xiàn)的失效現(xiàn)象以及實驗室中采用加速試驗光伏組件出現(xiàn)的失效現(xiàn)象，提出針對光伏組件組成部分的特定測試程序來評估新型低成本組件的可靠性和耐久的評估方法。

Xia Z Y等[16]嘗試通過Arrhenius方程聯(lián)系實際加速試驗的時間與實際戶外時間的相關性，認為經(jīng)過85℃/85RH 1000h的試驗時間與65℃/85RH EVA老化14年相等同、PET老化19年等同；以85℃/85RH為基準，通過測試EVA透過率以及PET結(jié)晶度，計算85℃/95RH、124℃/0.14MPa、90℃/0.7W/m2UV老化的加速因子。Wohlgemuth J H 等[17]利用長期的戶外數(shù)據(jù)以及失效返回情況同加速試驗相結(jié)合來預測光伏組件的壽命及失效機理。根據(jù)戶外光伏組件的失效情況，BP發(fā)展了自己的光伏組件測試程序，在IEC61215的基礎上增加了250h的85℃/85RH和1000次的機械載荷試驗。Laronde R等[18]利用Arrhenius和威布爾壽命分布提出一個模擬溫度參數(shù)對光伏組件可靠性的影響，根據(jù)實測光伏組件的溫度數(shù)據(jù)，對組件壽命進行了模擬，認為壽命可達29年。 V?zquez M等[19]通過對戶外光伏組件光電性能的衰減數(shù)據(jù)的收集和整理，采用數(shù)理統(tǒng)計的方法，提出根據(jù)光伏組件衰減率來預測光伏組件壽命及失效率的模型，認為該模型在設定光伏組件的保證期是有效的。

3 基于現(xiàn)實環(huán)境或試驗的計算機數(shù)值模擬

采用戶外測試的數(shù)據(jù)與計算機數(shù)值模擬來預測戶外環(huán)境對光伏組件的影響近年也得到一定發(fā)展。2006年，Reisner E U等[20]采用數(shù)值模擬的方法模擬水蒸氣滲透晶體硅光伏組件的過程，計算了開放背板和密封的BIPV晶體硅組件的聚合物分子水解降解率。以BIPV為例，作者估計1000h85/85 DH試驗對應16年的熱帶環(huán)境時間，100年的德國柏林時間；以開放背板為例，作者發(fā)現(xiàn)濕熱試驗時間與外部環(huán)境的時間無任何相關性，因此濕熱試驗的老化結(jié)果與外部環(huán)境的老化情況幾乎無任何相關性。 Koehl M等[21]根據(jù)戶外收集的氣候數(shù)據(jù)，結(jié)合光伏組件出現(xiàn)的現(xiàn)象及 Arrhenius 方程，提出僅依賴于溫度和活化能的濕氣進入組件背板和玻璃模型，并根據(jù)此模型及環(huán)境參數(shù)模擬濕氣在組件內(nèi)擴散、組件在小氣候、組件在標準加速試驗下對光伏組件的影響，提出模擬光伏組件壽命預測的方法。

三 總結(jié)

現(xiàn)有加速試驗或物理模型還是基于早期的IEC61215 測試框架，并未進行多種環(huán)境應力耦合及重現(xiàn)現(xiàn)實的環(huán)境情況，尤其是在缺少光照這一應力情況下，所得實驗結(jié)果是否正確還需商討。本項目結(jié)合當前發(fā)展方向及研究熱點，采用全光譜高低溫循環(huán)環(huán)境試驗箱對光伏組件進行壽命預測預評估，結(jié)合計算機仿真模擬光伏組件處于復雜環(huán)境因素條件下的老化機理，并通過全光譜高低溫環(huán)境實驗對光伏組件進行壽命評估。這樣不但可模擬現(xiàn)實環(huán)境中的溫度濕度變化，還可還原光伏組件在耦合300～3000nm波長的光照情況下出現(xiàn)的各種失效情況，對光伏組件進行性能、壽命等評估，這樣更接近于現(xiàn)實環(huán)境，更具有說服力，并且通過物理模型對光伏組件的失效機理進行分析，更能對光伏組件耐候性、可靠性進行進一步研究。

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