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光伏组件功率衰减分析研究
2016-08-26
摩尔光伏
摘要：结合在组件生产和电站质量管理中遇到的问题，对组件材料老化衰减及组件初始光致衰减原因进行了分析和实验测试，提出相应对策。结果表明：组件材料老化功率衰减主要是EVA和背板老化黄变引起，组件初始功率衰减主要由于硅片内硼、氧元素复合引起，提出的对策具有可行性。

0引言
　　光伏组件是太阳能发电的关键元件，光伏组件功率衰减是指随着光照时间的增加，组件输出功率不断呈下降趋势的现象[1]。组件功率衰减直接关系到组件的发电效率。国内组件的功率衰减与国外最好的组件相比，仍存在一定差距，因此
　　研究组件功率衰减非常有必要。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[2]。外界环境导致功率衰减主要由光伏电站运营不当造成，可通过加强光伏电站的维护进行改善或避免；破坏性因素导致的组件功率衰减是由于组件明显的质量问题所致，在组件生产和电站安装过程对质量进行严格检验把控，可减少此类功率衰减的现象。本文主要研究组件初始光致衰减及材料老化衰减。
1组件初始光致衰减分析
　　1.1组件初始光致衰减原理分析
　　组件初始光致衰减(LID)是指光伏组件在刚开始使用的几天其输出功率发生大幅下降，之后趋于稳定的现象。普遍认为的衰减机理为硼氧复合导致，即由p型(掺硼)晶体硅片制作而成的光伏组件经过光照，其硅片中的硼、氧产生复合体，从而降低了其少子寿命。在光照或注入电流条件下，硅片中掺入的硼、氧越多，则生成复合体越多，少子寿命越低，组件功率衰减幅度就越大[3]。
　　1.2组件初始光致衰减的实验分析
　　本研究采用对比实验的办法，在背板、EVA、玻璃和封装工艺等条件完全一致情况下，采用两组电池片(一组经初始光照，另一组未经初始光照)，分别将其编号为I和II。同时，生产出的所有组件经质量全检及电致发光(EL)检测，确保质量完全正常。实验过程条件确保完全一致，采用同一台太阳能模拟仪测量光伏组件I-V曲线。
　　分别取I和II光伏组件各3组进行试验，记录其在STC状态下的功率输出值。随后，将I和II光伏组件放置于辐照总量为60kWh/m2(根据IEC61215的室外暴晒试验要求)的同一地点进行暴晒试验，分别记录其功率，结果见表1。

　　由表1可知，I组光伏组件整体功率衰减明显较II组低。因此，可推测光伏组件的初始光致衰减主要取决于电池的初始光致衰减。在光伏组件封装前对其电池片进行初始光照，则组件功率衰减会显著减弱。
　　1.3组件初始功率衰减与I-V曲线不良的关系研究
　　随机选取一块质量正常组件，组件内所有电池的衰减基本一致，对其进行功率测试，I-V曲线平滑曲线如图1所示。

　　由图1可知，尽管输出功率下降，但I-V曲线平滑、无台阶，其红外图像类似正常组件，即无热斑出现。
　　取光伏组件中任一电池片无初始光照衰减，即组件内电池的衰减不一致，对其进行功率测试，I-V曲线如图2所示。

　　由图2中I-V曲线出现台阶可看出，组件内部整体输出功率下降的同时，未经初始光照衰减的电池片造成光伏组件整体电流降低、输出功率减小。
　　通过实验说明，如果光伏组件内部电池片衰减不一致，导致组件内部串联的电池片产生电流失配，由此I-V曲线出现台阶。在组件生产的质量检验过程中，对组件I-V曲线出现台阶的问题组件进行统计研究，也进一步验证了组件的初始光致功率衰减是导致I-V曲线异常的内在原因。
　　1.4组件初始光致衰减的验证
　　为确保组件功率质量在组件制造过程中，随机对抽取组件进行太阳下暴晒，暴晒至组件功率基本稳定为止，检测其初始光致衰减值，测试数据见表2。

　　由表2可知，光伏组件初始都有光致衰减现象，但不同批次功率衰减幅度差异较大，1%～3.7%都有，因此改善初始光致衰减现象显得非常必要。
　　通过以上分析可知，组件初始光衰幅度主要取决于电池光致衰减，电池光致衰减则由硅片的硼、氧含量等决定。要消除由于组件初始功率衰减导致的问题，可利用硅片分选机来控制硅片质量，确保硅片内部的硼、氧元素含量处于正常范围，从而保障电池片的转换效率；同时在组件封装前，对电池片进行功率分档，保证电池片功率匹配，从而改善组件的初始光致功率衰减问题。
2材料老化导致功率衰减分析
　　光伏组件封装结构图如图3所示，组件的主要材料包括电池片、玻璃、EVA、背板等[1]。由图3可知，光伏组件材料老化衰减主要可从电池片功率衰减及封装材料的性能退化两方面分析，而影响这两方面因素的主要原因是紫外线照射及湿热老化环境，而玻璃对紫外线和湿热环境的性能变化较小[4]，因此组件功率的老化衰减研究主要可围绕EVA和背板两种材料的老化开展。图4为某电站运营后材料老化的外观图。

　　2.1EVA老化对光伏组件功率衰减影响
　　把组件分为A、B、C、F8064组，分别采用4个不同厂家的EVA材料，电池片、玻璃、背板、焊带、边框等材料及生产工艺设备都一致，制作每块组件的同时还制作一个陪样，用于测试组件EVA材料的黄变指数。生产出的组件经过EL检测和I-V曲线的测试，确定质量合格，把4组组件和陪样同时放入环境试验箱进行湿热老化，测试条件为温度85℃、湿度85%。每隔一段时间测试其组件功率及陪样EVA的黄变指数，共测试1000h后把组件取出，其组件测试数据如图5所示，对应陪样EVA的黄变指数如图6所示。

　　由图5和图6可看出，不同品牌的EVA耐湿热老化性能差异很大，其中F806EVA黄变小，耐老化性能明显比其他EVA强，做成的组件功率衰减少。这个实验结果与组件老化功率衰减结果相符合，说明EVA黄变是组件材料老化导致功率衰减的一个重要原因。
　　为了深入对此质量问题进行分析，结合类似的EVA黄变现象，本文选取某研究所光伏电站的组件进行调查研究，发现该光伏电站的组件也部分存在EVA黄变现象，如图7所示。

　　在该电站上分别选取一块EVA黄变组件和一块EVA未黄变组件，分别测试其功率，数据见表3。

　　由表3可知，EVA未黄变组件在电站运营过程中只衰减了2.23%，而EVA黄变组件的功率衰减了5.7%，因此进一步验证了EVA黄变是造成组件功率衰减的一个重要原因。
　　2.2背板老化对光伏组件功率衰减影响
　　把组件分为A、B两组，分别采用两个不同厂家的背板材料(A组背板为双面含氟背板，B组为不含氟的背板)，电池片、玻璃、背板、焊带、边框等材料及生产工艺设备都一致，制作每块组件的同时还制作一个陪样，用于测试背板的耐紫外黄变指数。生产出的组件经过EL检测和I-V曲线的测试，确定质量合格，实验前记录两组光伏组件及陪样组件在STC状态下的功率输出值。按照IEC61215-2005的实验要求，将两组光伏组件放于紫外试验箱中，温度控制在规定范围内(60±5℃)，组件受波长为280～385nm范围的紫外辐射(15kWh/m2)，其中波长为280～320nm的紫外辐照不少于5kWh/m2[1]。用太阳能测试仪测试组件的功率，结果见表4；同时测试陪样背板及样品紫外老化后的黄变指数，结果如图8所示。

　　从表4和图8可知，A组光伏组件背板双面含氟(黄变指数为2.2)，具有较强耐紫外功能，因此其功率衰减较小；而B组光伏组件背板不含氟，有黄变现象(黄变指数为67.4)，功率衰减明显。2.3材料老化功率衰减现场跟踪测试分析本文对某研究所光伏电站进行跟踪测试分析，选取一块质量正常的组件定期进行功率测试，其功率衰减数据见表5。

　　各时间段该组件的EL图片如图9所示，EL图片显示组件内部完好，未发生隐裂等质量问题，每次测试时清除表面的脏污和灰尘，排除外界条件对组件功率的影响。测试结果说明组件功率衰减是由于自身材料老化原因所造成，衰减的比例与功率质保规定的质保统一标准接近。
　　从实验测试结果和具体电站中组件分析可看出，EVA和背板材料的老化、黄变是导致组件功率老化衰减的主要原因，采用高质量的EVA和背板能有效减少组件的功率老化衰减。
3结论
　　本文重点对组件初始功率衰减和材料老化功率衰减两种现象进行分析研究，同时对某研究所电站进行现场跟踪测试分析，得出以下结论：
　　1)光伏组件的初始光致衰减主要是由于电池片的初始光致衰减不同所致。不同批次硅片的硼氧含量不同，导致电池片的初始光致衰减不同。因此利用硅片分选机控制硅片质量，从而保证电池片的初始光致衰减是解决光伏组件初始光致衰减的有效方法。
　　2)光伏组件的材料老化衰减主要取决于光伏组件封装过程中EVA和背板质量，使用湿热老化功能较强和耐紫外的背板和EVA材料，能较大程度保证光伏组件质量。

　　参考文献
　　[1]马志恒.太阳能电池组件功率衰减分析[J].中国高新技术企业，2012，(17):32－33.
　　[2]林存超.光伏组件质量问题分析及安装质量控制[J].中国科技信息，2015，(2):204－205.
　　[3]张光春，陈如龙，温建军，等.P型掺硼单晶硅太阳电池和组件早期光致衰减问题的研究[A].第十届中国太阳能光伏会议论文集[C]，常州，2008.
　　[4]吴翠姑，于波，韩帅，等.多晶硅光伏组件功率衰减的原因分析以及优化措施[J].电气技术，2009，(8):113－114.
黄盛娟1，2 唐荣2 唐立军1
(1. 长沙理工大学物理与电子科学学院；2. 湖南红太阳新能源科技有限公司)