30年光伏组件再应用性能评估

王宏磊，金叶义，陈荣荣，董 娴，沈 辉，2（.中山大学 太阳能研究所，广东省光伏技术重点实验室，广东 广州 50006；2.顺德中山大学太阳能研究院，广东省光伏技术重点实验室，广东 佛山 528300）

科技与应用

30年光伏组件再应用性能评估

王宏磊1，金叶义1，陈荣荣1，董 娴2⋆，沈 辉1，2
（1.中山大学 太阳能研究所，广东省光伏技术重点实验室，广东 广州 510006；
2.顺德中山大学太阳能研究院，广东省光伏技术重点实验室，广东 佛山 528300）

晶体硅光伏组件在户外长期运行时，各种材料会出现性能衰退。通过探究一批使用约30年的多晶硅组件，发现其在户外使用28年后衰减率仅为5.37%。此外，通过长期监测组件发电性能研究其在广州地区的发电和衰减情况，并采用EL测试研究材料衰变对组件影响，评估光伏组件的可靠性。

光伏组件；多晶硅；质保期限；EL；可靠性

晶体硅光伏组件在户外长期运行时，受到外界环境的影响，性能会衰退。组件性能的衰退来自环境作用下材料性能衰退，如玻璃在户外使用积灰导致透光减少；EVA在紫外、高温下变黄、脱层；电池片隐裂、电极锈蚀；组件背板开裂、粉化、热斑融化；接线盒内接线柱及导线锈蚀、二极管失效［1］。鉴于以上诸多衰减因素的存在，光伏企业和用户，对光伏组件超长时间使用后的性能都极为关注。关于光伏组件质保，制造商一般的承诺是运行10年衰减不超过标定值的10%，25年衰减不超过80%，2014年比亚迪公布其研发的“430”硅胶双玻光伏组件，获得TUV莱茵认证，将光伏组件质保提升到40年，表1为光伏组件的质保发展历程［2］。实验选取一批超质保期限使用的光伏组件，针对此批组件，对其发电性能、组件衰减、外观异常等进行评估，为超期服役的多晶硅组件再利用提供依据。

1　组件概况

多晶硅组件为美国Solarex公司1982年生产，1986年安装于海南省东方市尖峰岭，一共177块，

表1　光伏组件质保发展历程

用于通信微波站的供电，2008年12月份由于光伏电站扩容组件被拆下［3］。表2是组件的原始性能参数。

表2　组件原始信息

组件共177块，其中有6块组件因接线柱锈蚀断路无法检测，其余测试电性能良好。因组件接线盒盒体与后盖间的连接老化，盒内金属接线端子开始腐蚀，接线盒连接脱松，连接线、引出线电缆腐蚀等，为重新使用，将此批组件接线盒全部更换。

表3　144块再应用Solarex组件的更换接线盒前后I-V数据对比

表3为组件更换接线盒前后的I-V数据，数据来自144块用于电站建设的组件。由参数对比可知，组件更换接线盒后功率上升，表明接线盒内金属锈蚀等，对组件的效率有一定影响［4］。

2　发电性能评估

选取其中144块组件，安装成电站重新使用，该电站装机容量5.886 kWp，旧组件安装使用分成南阵、中阵和北阵三个阵列系统，使用逆变器型号为Danfoss ULX1800i，具体安装时间是2010年7月，2010年10月开始有记录数据。电站正常运行，截止到2014年3月，此电站共记录发电20 375 kWh，有效发电1 201天。具体数字见图1，由图可见光伏组件的发电量及日均辐射量随着季节更迭，呈周期变化，整体上组件的每千瓦组件的日均发电量逐渐降低（其中2012年8月份及12月份部分气象数据缺失）。

图1　每千瓦组件日均发电量与日均辐射量之间关系

组件本身功率的衰减，日均辐照量的降低，温度的变化，都会造成发电量的减少。综合组件I-V测试结果，组件平均功率下降很小，不是影响发电量主要因素；参考气象资料可知，近两年雾霾及雨水多发，日均辐照量降低较大，导致发电量减少。如2012年9月份辐射为4.29 kWh/m2，2013年9月份日均辐射量为3.66 kWh/m2，在月平均温度和湿度都相差不大时，每千瓦组件的日均发电量由2012年9月的3.66 kWh减少为2013年9月的3.11 kWh，综上可知，近两年的日均辐照量的减少为发电量降低的主要原因。

3　衰减评估

光伏组件的使用寿命及衰减一直存在争议，近期国内就有关于光伏组件在使用初期就严重衰减的报道。但根据更广泛的数据调查，NREL在2012年对光伏组件的衰减做了详细的分析，数据来自已发表的论文和报道，主要统计了欧洲、美国、澳大利亚和日本的2 000多块户外运行的光伏组件，其中包含了1 751块晶体硅组件。研究发现，晶体硅的年平均衰减率为0.7%/年，衰减的中间值为0.5%/年，完全满足组件在使用初期提出的20年的质保期限［5］。实验室对多晶硅组件的测试也同样证明了晶体硅组件的低衰减率。

本文所选取的Solraex多晶组件，在清洗之后进行I-V一共进行了三次测试，均采用STC环境室内测试方法。2009年，组件采用德国OPsolar设备进行进行了两次测试，分别为换接线盒前后，测试数据见表3；2014年，为跟踪组件衰减，采用德国Halm对组件进行测试，测试仪器均为3A光源，测试分析见表4。

表4　Solarex多晶硅组件户外运行28年后的电性能参数

从表4可以看出，此批组件在户外正常运行了28年之后，其衰减率为5.37%，年均衰减率为0.19%。在仪器带来的测试误差和缺失标版、原始数据误差的情况下，可以认为组件在海南尖峰岭安装使用的功率年平均衰减率约为0.18%，在广州大学城继续使用的年平均衰减率约为0.22%，远低于NREL的统计分析值。广州大学城的功率年衰减率高于海南尖峰岭的衰减率，原因一是仪器存在测试误差；二是随着使用年限的增加，组件材料衰退即将达到阈值，衰减率增大，也许在未来几年，组件性能会急剧衰减，我们将持续跟踪。组件的衰减主要来源于Isc的损失，Voc变化相对较小，见图2。

图2　组件户外运行28年后相对标称值衰减情况

4　材料衰变对电池的影响

长时间在户外暴晒使用，组件材料表面在运行过程中出现了不同程度的缺陷，主要表现为背板粉化开裂、EVA表面不规则纹路及栅线锈蚀，挑选其中情况较为严重的47块组件进行EL测试，进一步分析背板衰退对电池的影响和EVA产生不规则纹路的原因。通过测试发现材料性能的衰变对电池产生较大影响，主要分为如下四类：

1）组件EVA脱层。组件表面纹路装脱层处如图3边框1中所示，其对应的EL图像中电池片的隐裂形状同纹路形状一致，说明纹路状脱层与电池隐裂密切相关，具体是电池隐裂导致EVA与电池产生纹路状脱层，还是纹路状脱层形成过程中，EVA蜷缩变形导致隐裂，原因还在进一步探索中；而边缘大面积脱层如图3边框2中所示，对应组件EL图像中未出现黑片，此种脱层未引起电池隐裂；图3中所描述的脱层与隐裂的关系在此批组件中普遍存在。

图3　组件表面脱层与其EL对照图

2）组件背板开裂。此批组件存在大量的背板开裂情况，具体开裂情况如图4所示。图5、图6所示的是背板开裂处组件正面照片。

图4　组件背板开裂图

图5　背板开裂导致边缘变黑

图6　背板开裂处电池未出现异常

分析得知，图5中边框3区域内背板开裂后，伴随EVA蜷缩产生气泡，水汽和空气侵入，导致电池细栅锈蚀，电池片电阻变大，导致组件EL图边缘变黑；背板开裂与电池边缘变黑的关系在此批组件中广泛存在。

图6中边框区4区域内背板开裂，此处背板虽开裂，但EVA完好，未产生气泡，EL图像中电池片未如图5中所示的出现边缘变黑现象。由此可知，背板开裂并不一定能导致电池EL图异常，背板开裂并伴随着EVA透水透气下降，引起栅线锈蚀，出现电池片EL图变黑的可能性较大。

3）栅线锈蚀。图7中所示组件栅线锈蚀的情况在此电站中存在多处，此处无背板开裂情况，可能是背板防水性能衰退，组件细栅在组件运行时腐蚀。对比框5内栅线和EL图可知，栅线锈蚀导致电接触不良，引发电池EL图像变黑。

图7　栅线锈蚀导致电池EL图像变黑

4）互联条锈蚀。图8中所示组件互联条锈蚀严重，此种情况多见于背板开裂的组件。框6区域内观察可知互联条锈蚀严重，导致电池互联条与电池接触电阻过大，整片电池出现黑片。

图8　互联条锈蚀导致电池暗片

5　结论

通过重新使用并追踪记录一批超过质保期限的多晶硅组件，发现在户外运行28年的组件，发电性能良好，功率衰减很低，仅为5.37%。在对电池EVA脱层与气泡、背板开裂、栅线锈蚀等现象做EL分析时发现：EVA纹路状脱层与电池隐裂同时出现，电池边缘EVA大面积脱层处不存在隐裂或EL图像变黑；在背板开裂并伴随EVA蜷缩产生气泡的情况下，水汽及空气腐蚀细栅，才会导致EL图像变黑；细栅及主栅的锈蚀会导致对应位置EL图像变黑及电池暗片。但对这些现象的成因还要更进一步探讨，实验室也会持续跟踪这批组件的性能。同时，基于长期的监测，发现质量可靠的组件在户外实际运行时能够完全满足目前的质保条件，随着行业对组件可靠性的关注，组件质量和寿命也会得到更有力的保障。

［1］MUNOZ M A，ALONSO-GARCIA M C，VELA N，et al. Early degradation of silicon PV modules and guaranty conditions［J］.Solar Energy，2011，85（9）：2264-2274.

［2］董娴，陈思铭，何国锐，等.户外正常使用23年晶体硅旧组件的材料分析［C］.南京：第十一届中国光伏大会暨展览会，2010.

［3］陈萼，孙韵琳，洪瑞江，等.长期使用的多晶硅光伏组件发电性能分析与评估［J］.太阳能学报，2013（2）：227-232.

［4］林伟，陈萼，孙韵林，等.旧光伏组件接线盒拆装方式分析［J］.太阳能技术与产品，2011（7）：26-42.

［5］JORDAN D C，KURTZ S R.Photovoltaic degradation rates—an analytical review［J］.Progress in photovoltaics：Research and Applications，2013，21（1）：12-29.

［责任编辑：吴卓］

Evaluation of the Performance of 30-Year-Old PV Modules

WANG Honglei1，JIN Yeyi1，CHEN rongrong1，DONG Xian2*，SHEN Hui1，2
（1.Institute for Solar Energy Systems，Sun Yat-sen University，Guangzhou Guangdong 510006，China；
2.Shunde SYSU Institute for Solar Energy，Foshan Guangdong 528300，China）

When operating outdoors over a lengthy period of time，performance degradation of materials of silicon PV modules would occur.The authors of this paper studied a batch of approximately 30-year-old polycrystalline silicon modules and found that the power degradation is only about 5.37%after 28 years outdoor operation.In addition，these modules were being monitored to study their electricity yield and power degradation in Guangzhou city，and the EL tester was used to detect these modules'defects in order to find out the influence of material degradation towards module performance and evaluate the reliability of PV modules.

PV module；polycrystalline silicon；degradation；EL；reliability

TM615

A

1672-6138（2015）01-0018-04

10.3969/j.issn.1672-6138.2015.01.004

2014-12-12

王宏磊（1989—），男，河南周口人，硕士研究生，研究方向：光伏发电技术。

董娴（1986—），女，硕士，E-mail:xiandong00@163.com。