机械载荷对光伏组件性能长期潜在影响

文/董双丽 林荣超 曾婵娟 戴穗 胡振球

（广东产品质量监督检验研究院 广东省佛山市 528300）

1 引言

光伏组件的运行可靠性决定了光伏发电系统的长期收益，抗风压、雪压和冰雹等载荷以及抵御安装过程中的机械损坏是对光伏组件可靠性最基本的要求。现行的机械载荷测试方法主要有静态机械载荷测试和动态机械载荷测试。静态机械载荷测试依据的标准为IEC 61215-2:2016[1]，动态机械载荷测试依据的标准为IEC TS 62782-1:2015[2]。无论是静态机械载荷测试还是动态机械载荷测试，机械载荷对光伏组件性能的影响都只是通过机械载荷作用完毕后随即测试得到。而事实上，机械载荷作用后光伏组件在长期运行过程中，环境温度变化、环境湿气侵入、以及长期的电流流过，将导致机械载荷作用后没有呈现缺陷的电池片薄弱点，出现裂纹增加、裂纹引发热斑、裂纹扩展成裂片、焊带和汇流条被腐蚀或接触不良等现象，从而导致太阳电池失效面积逐渐变大，进而对光伏组件的电性能影响也越来越大，即机械载荷对光伏组件性能的影响具有长期性。本文通过特定的加速老化试验模拟长期运行过程中环境因素对光伏组件性能的影响，快速呈现机械载荷对光伏组件性能的长期潜在影响；借助电致发光图像，直观演示在实际运行过程中光伏组件内部缺陷的发展过程，有效揭示了机械载荷对光伏组件性能影响的长期性。

2 研究依据及方法

2.1 研究依据

在户外环境下，环境因素对光伏组件性能的影响需要经过长时间的观察和测试，为了在较短时间内发现光伏组件因机械载荷作用而产生的潜在问题，加速老化试验被引入到本研究中[3]。在常规户外环境下，影响光伏组件性能的外界因素主要有两点：一是环境温度变化，二是环境湿气，分别是热循环试验和湿冻试验所模拟的环境条件。本研究的加速老化试验程序为先进行200次热循环试验(TC200)，而后进行湿冻试验(HF10)，试验方法分别参照IEC 61215-2:2016[1]之4.11.3和IEC 61215-2:2016[1]之4.12.3。

光伏组件电致发光（EL）测试原理是根据半导体辐射复合释放光子的特点，对组件施加正向电压注入非平衡载流子，并通过光子探测器接收非平衡载流子辐射复合释放的光子，非平衡载流子浓度越高（正常区域）释放的光子越多，EL显示图像越亮，非平衡载流子浓度越低（缺陷区域）释放的光子越少，EL图像越暗，通过图像明暗关系即可反映组件内部电池缺陷情况[4]。本研究借助光伏组件最大功率和电致发光测试，分析加速老化试验过程中光伏组件的最大功率和内部缺陷变化情况。

2.2 研究方法

为方便试验、节约研究成本，本研究所采用的样品均为由4块156×156多晶硅电池片封装而成的小组件，见图1。具体研究过程如下：

图1：组件外观

图2：样品最大功率随累计加速老化试验时间的变化

（1）选取24块完全相同的组件，其中4块作为空白，20块作为试验样品；

（2）对试验样品施加机械载荷作用，而后对试验样品和空白样进行外观、最大功率和电致发光测试；

（3）对试验样品和空白样进行50热循环试验，而后进行外观、最大功率和电致发光测试，外观检查合格的才能继续进行后续试验；

（4）重复步骤（3）3次；

（5）对试验样品和空白样进行湿冻试验，而后进行外观，最大功率和电致发光测试；

（6）每一块样品得到5个最大功率值和5个EL图像，绘制各样品的测试时间-归一化功率曲线，分析试验样品和空白样最大功率和内部缺陷变化情况。

表1：样品经历环境试验后EL图像变化情况

外观和最大功率测试方法分别参照IEC 61215-2:2016之4.1、IEC 61215-2:2016之4.2。EL测试，根据样品信息设置电流参数不小于0.6倍标称短路电流，检测设备的空间分辨率应达到T/CPIA 0009—2019中规定的A级及以上。

3 结果分析

3.1 最大功率

所有样品基本有相同的最大功率变化趋势，本文以空白样、试验样品1-4的测试数据为例进行分析，如图2所示。

（1）随着累计加速老化时长的增加，所有样品的最大功率都有减小趋势，空白样1、试验样品1、试验样品3和试验样品4在HF10试验后有拐点。

（2）（2）TC200+HF10试验后最大功率衰减率：试验样品4>试验样品3>试验样品2>试验样品1>空白样。

3.2 电致发光图像

电致发光图像的明暗关系可以反映组件内部电池缺陷情况，本文给出了初始、TC100后、TC200后以及TC200+HF10后，样品的电致发光图像，如表1所示。由列表可知，随着热循环累计时长的增加，所有样品内部电池缺陷逐渐变得严重，主要表现在：

（1）断栅；

（2）裂纹交叉处变成裂片；

（3）焊带接触不良，与裂纹组成的区域发电能力失效；

（4）裂片由灰色变成黑色，发电能力由低效变成失效。

湿冻试验后，试验样品2电致发光图像呈现黑色的失效面积增加，而空白样、试验样品1、试验样品3和试验样品4电致发光图像变化不明显。上述电致发光图像变化有效解释了，最大功率随加速老化时长的增加逐渐减小的现象，空白样、试验样品1、试验样品3和试验样品4在湿冻试验后的拐点推测是由湿冻试验引起的最大功率降低值小于测试误差所致。试验样品1和试验样品2初始电致发光图像相似，试验样品3和试验样品4初始电致发光图像相似，由于篇幅限制，本文仅给出了试验样品1和试验样品3的电致发光图像。由图可知，在各个测试时间试验样品3的失效面积都比试验样品1的失效面积大，这有效解释了试验样品3在TC200+HF10试验后的最大功率衰减率大于试验样品1的现象。

4 研究结论

由上述试验可知，机械载荷作用后光伏组件在长期运行过程中，受到温度变化、湿气浸入、电流通过等共同作用，会逐渐出现诸如断栅、裂纹增加、裂纹引发热斑、裂纹扩展成裂片、焊带和汇流条被腐蚀或接触不良等现象，从而导致太阳电池失效面积逐渐变大，进而对光伏组件的电性能影响也越来越大，即机械载荷对光伏组件性能的影响具有长期性。