基于灾后定损评估的台风灾害对光伏组件输出功率影响的分析

陈思铭，孙韵琳,2，王小杨，马武兴

(1. 广东华矩检测技术有限公司，佛山 528300；2. 广东永光新能源设计咨询有限公司，佛山 528300；3. 北京理工大学珠海学院，珠海 519088；4. 水发兴业能源(珠海)有限公司，珠海 519085)

0 引言

光伏电站项目的全生命周期共分为5大阶段，具体为：项目的开发、电站的设计及配置、建设安装、运营维护及光伏组件的退役回收等[1]。在各阶段中，光伏电站都会面临不同类型的复杂风险，包括：政策风险、资源风险、自然风险、技术风险及管理风险等。由于光伏发电系统的户外运行时间可能会超过25年，因此光伏电站的运营维护阶段是实现光伏电站发电能力并形成项目经济收益的重要阶段；又因为该阶段的时间跨度长，因而将面临更为严峻的风险考验。

光伏保险是光伏电站项目进行风险管理的有效措施和工具。以2008年我国光伏企业购买为期1年的产品质量保障保单以应对海外买家针对我国光伏产品质量保障方面的要求作为开始，光伏保险在我国仅发展了十余年的时间，由于起步较晚，截至目前其发展仍存在一些亟需解决的问题[2]。对作为保险购买方的光伏企业而言，其仍缺乏对保险的全面认知，尤其是针对出险时对现场损失程度的预判、损失是否在保险合同的保障范围内等关键问题的界定仍存在模糊不清的状况；对作为保险出售方的相关企业而言，缺乏相关案例的经验材料、统计数据，导致其无法针对特定风险项目进行出险率和赔付率的准确计算，也难以在出险后更好地履行损失补偿的职能[3]。针对上述问题，依托具有技术实力与职业操守的第三方检测机构进行风险识别、监督及出险定损是光伏保险当前具备可靠性及可操作性的解决方案，利用第三方检测机构的专业技术力量对光伏电站项目进行全过程的监督和评估，有利于实现保险人和被保险人在风险管理方面的共赢[4]。

根据有关统计数据，极端天气是光伏电站运行过程中光伏组件所面临的非技术性风险中出现频率最高的风险因素，其中，台风灾害的影响不容忽视[5]。在台风灾害中，除了风灾，户外运行的光伏组件在很多情况下还会同时遭受暴雨乃至水灾的威胁，灾害过境后还可能遭受天气转晴的太阳炙烤考验，严苛的运行环境会进一步影响光伏组件的输出功率。本文以一座在台风灾害中受损的地面光伏电站为例，首先采用文献调研的方法对该电站中光伏组件在台风灾害中可能受到的损伤问题及受损程度进行整理；然后对受灾电站开展具有针对性的现场检测，根据检测结果引入合理的统计技术，以进一步分析及评估受灾电站中光伏组件的受损情况，为该光伏电站项目的出险定损提供有效的技术支撑。

1 台风灾害中光伏组件的损伤机理分析

1.1 风灾导致的光伏组件损伤机理

当风以一定速度运动时，在遇到光伏组件的阻碍后，风会对光伏组件形成压力或吸力，即风压。随着风速的增大，风压也会持续增大，在极端情况下会造成光伏组件的变形、掀翻甚至飞脱；而较为常见的情况是风压会导致光伏组件出现内部缺陷，尤其是出现太阳电池隐裂问题[6]。

在风灾的情境中，光伏组件会受到强大的、高频的风压作用，导致太阳电池出现隐裂甚至失效的可能性大幅增加，因此应利用相关检测方式来检查光伏组件的内部缺陷，而电致发光(EL)检测则是目前应用最为广泛的检测光伏组件内部缺陷的方式[7]。

国内外许多学者针对太阳电池隐裂及失效对光伏组件输出功率的影响进行了分析研究。文献[8]中采用模拟的方式分析了隐裂对光伏组件输出功率衰减的影响，研究表明：在大多数情况下，单纯的隐裂不会导致太阳电池完全开裂，从而使光伏组件出现较大的输出功率衰减，即使在由60片太阳电池组成的光伏组件中每一片太阳电池均存在隐裂但未造成破片时，在标准测试条件(STC)下，光伏组件的输出功率衰减也不会超过2.5%。文献[9]则描述了太阳电池从隐裂到失效的完整作用过程，光伏组件封装时会在太阳电池上形成压缩热弹性残余应力，导致太阳电池产生隐裂，但隐裂初始形成时不会立即导致太阳电池失效(显著的电阻效应)；然而由于在光伏组件随后的实际运行过程中外部环境(如风、雨、雪等形成的外部压力)会对太阳电池持续施加不同程度的机械弯曲作用，将在原本的压缩热弹性残余应力的基础上不断叠加拉应力，当拉应力抵消掉所有压缩应力后太阳电池开裂，并导致其失效，从而影响光伏组件的输出功率。文献[10]进一步指出，在光伏组件的弯曲试验中，太阳电池前表面的银金属层会随着硅片出现裂纹而立即开裂，但随着机械荷载的消失，太阳电池前表面的银金属层又会立即重新连接，且几乎不会形成接触电阻；反观太阳电池背表面的铝背场，其在硅片裂纹初始形成时不会马上开裂，而是会在多次弯曲作用后呈现为金属疲劳的开裂状态。

由上述文献可知，光伏组件封装引入的压缩热弹性残余应力、太阳电池前表面银金属层表现出的无接触电阻的恢复、太阳电池背表面铝背场表现出的疲劳开裂等情况，说明太阳电池在遭受风灾后的损坏程度具有显著的随机性，且可能仅呈现出未完全碎裂的隐裂状态，对光伏组件的输出功率影响甚微。

1.2 水灾导致的光伏组件损伤机理

光伏电站在遭受台风的强风吹袭后，还可能存在光伏组件浸水的风险，尤其是建设于靠近水体沿岸或水库周边低洼地带的光伏电站项目，或因地势开阔平坦，一旦暴雨成灾光伏电站也非常容易遭受水灾侵袭。自然界中水质的成分多变且复杂，尤其是建设在沿海地带的光伏电站项目，海水中含有各种高浓度化合物，对光伏组件的封装材料、太阳电池的性能均会造成严重的影响。

文献[7]根据太阳电池隐裂在1倍短路电流Isc和0.1倍Isc下的EL图像中呈现的亮度差异，将太阳电池隐裂程度分为A、B、C这3类情况，如图1所示。其中，A类隐裂是未造成太阳电池失效的隐裂，C类隐裂是存在太阳电池部分面积完全失效的隐裂，在不同测试电流下失效区域均显示为全黑；B类隐裂介于A类隐裂和C类隐裂之间，即非完全失效的缺陷情况。在经过200次湿冻循环测试后显示，A、B类隐裂均有可能发展成C类隐裂，即导致太阳电池部分面积的完全失效。

图1 3类隐裂在1倍Isc和0.1倍Isc下的EL图像[7]Fig. 1 EL images of three types of craks under Isc and 0.1 Isc[7]

文献[11]指出，存在隐裂的光伏组件在经过湿热循环及湿冻循环测试后，其最大工作电流IMPP的衰减最为显著。此外，由于太阳电池p-n结特性的下降及不同太阳电池间性能差异导致的光伏组件失配损失，会进一步影响光伏组件的输出功率[12]。

搜集相关文献并整理后发现，目前对于成分复杂的水质对光伏组件输出功率影响的研究仍相对较少，而本文针对光伏电站项目遭受台风及海水倒灌侵袭后光伏组件输出功率变化的分析，将有利于填补相关分析案例的缺失。

2 受灾光伏电站案例的分析

2.1 检测方案及分析方法

本文对一座建设于沿海地区并遭受台风灾害的地面光伏电站进行灾后定损检测。该光伏电站在遭受中心附近最大风力为9级的台风(热带风暴)吹袭时，因伴随着强降雨过程，电站随即又受到了因海水水位上涨所导致的海水倒灌影响，处于低洼区域的光伏场区被海水淹没。由于台风吹袭范围涉及整个光伏电站，而浸水问题仅涉及电站中的低洼区域，且台风过境后海水水位迅速退却，部分区域浸水时间较短，因此在抽样检测方案中将该光伏电站按照受灾类型划分为3个区域，并分别进行随机抽样。

经分析，根据受灾程度不同，基于是否受到海水浸泡及海水浸泡时间长短这2个方面的因素，将整个光伏电站划分为：未浸水区域(受风灾影响为主)、短时间浸水区域(受风灾影响且浸水时长约为3天)及长时间浸水区域(受风灾影响且浸水时长超过30天)。根据各区域的受灾面积及定损需求，从上述3个区域分别随机抽取100块、500块和400块无明显外观缺陷问题的光伏组件进行测试，具体测试项目为EL检测及光伏组件的I-V特性测试，以考察风灾和浸水对光伏组件的内部损害及输出功率的影响程度。2项测试的现场检测方案如表1所示。

表1 EL检测和I-V测试的现场检测方案Table 1 Scheme for on-site testing of EL test and I-V test

为量化受灾后光伏组件的输出功率变化情况，以标称功率为基准计算各被测光伏组件的输出功率衰减率PL，其计算式为：

式中：Pmpp,STC为现场测得的光伏组件的I-V特性曲线修正到STC下的最大功率点功率；P0为光伏组件的标称功率。

针对保险定损的工作流程，必须考虑光伏组件采购合同中相关技术协议条款关于功率衰减率限值的规定；考虑到现场测试方式的限制及抽样随机性等方面产生的影响，需要引入必要的统计技术对测量得到的数据进行统计分析。常用的统计工具包括正态分布的标准偏差限值、t检验、F检验等[13-15]，由于本项目的总体分布未知，因此采用t检验来考察光伏组件是否已经出现输出功率衰减超限的现象。t检验(统计量)的计算式为：

式中：为样本平均值；μ0为待检验的原假设数值；s为样本的标准差；n为样本的数量。

本案例对检测得到的数据进行t检验的目的是解答保险公司及项目业主最关心的问题，即：根据测试得到的数据能否说明光伏组件输出功率衰减率已经超出限值，因此光伏组件输出功率衰减率限值的判定标准至关重要。根据NB/T 10185—2019《并网光伏电站用关键设备性能检测与质量评估技术规范》及行业内公认做法，光伏组件输出功率衰减率限值的判定依据是“以供需双方的合同条款为准”[16]，则本案例中按照项目运行年限，设定原假设为：光伏组件的输出功率衰减率不应超过4.6%(即μ0=4.6%)。

2.2 现场得到的测试数据统计

根据光伏电站项目受灾现场的检测结果，将抽取的1000块光伏组件的I-V测量数据利用式(1)计算得到光伏组件输出功率衰减率后，再按照EL检测显示的不同类型的内部缺陷进行统计，统计结果如表2所示。其中，非隐裂缺陷包括：明暗片、电池过焊、黑斑、虚焊、断栅、黑边等缺陷问题[16]。隐裂缺陷包括：线性隐裂、交叉隐裂、树状隐裂及破片问题。破片是指由碎裂引起的太阳电池失效，在EL图像上显示为有明显边界的黑色区域[16]。

表2 不同受灾程度的光伏组件的测试结果统计Table 2 Statistics of test results of PV modules with different degrees of disaster

从表2中的数据可以发现，不同受灾程度光伏组件的输出功率衰减率表现为：浸水光伏组件的输出功率衰减率高于未浸水光伏组件的输出功率衰减率；而随着浸水时间的延长，光伏组件的输出功率衰减程度更为明显。

2.3 受灾光伏组件的输出功率分析

由于测量不确定度的存在，因此需要对统计数据进行假设检验，以便于进一步分析所测的不同受灾程度的光伏组件样本是否存在显著的输出功率衰减情况。按照不同缺陷情况对通过这些光伏组件的I-V测量数据获得的输出功率衰减率进行是否超出假设的输出功率衰减率限值(即4.6%)的检验。由于不同缺陷情况的样本量不一致，因此本文采用t检验的右单侧检验。另外，由于户外的I-V测量受环境因素的影响较明显，测量结果的不确定度一般在4%～6%[17]；且光伏组件的输出功率偏差计算是基于标称功率而非光伏组件实际出厂时的最大功率，因此光伏组件输出功率衰降率数据不确定度较高，在t检验中置信水平选择99%(显著水平α=0.01)进行检验。不同受灾程度的光伏组件输出功率衰减率的t检验结果及显著性情况如表3所示。

表3 不同受灾程度光伏组件输出功率衰减率的t检验结果及显著性情况[18]Table 3 t-test results and significance of output power degradation rate of PV modules with different disaster degrees

针对光伏组件内部缺陷的EL检测结果，浸水光伏组件由于受到海水的“保护”，反而降低了风灾对其的影响，尤其是长时间浸水区域所处位置更为低洼，一定程度上阻挡了台风对光伏组件的吹袭，因此，存在隐裂缺陷的光伏组件的数量占比呈现出“未浸水”＞“短时间浸水”＞“长时浸水”的状况。

结合表2与表3中的数据可知，对于只遭受了台风吹袭而未遭到浸水的光伏组件，在99%置信水平下，t检验结果均显示为“不显著”，即该受灾程度的光伏组件并未立即显示出输出功率衰减超限的现象。其中，占未浸水光伏组件总数48%的存在隐裂缺陷光伏组件的输出功率衰减率均值(4.31%)甚至低于未浸水光伏组件的均值(4.67%)；该结果与文献[15]报道的情况基本吻合。而占未浸水光伏组件总数32%的存在非隐裂缺陷光伏组件的输出功率衰减率均值则比未浸水光伏组件的均值高，若考虑风灾对光伏组件的影响主要体现在隐裂和破片方面，则对于存在非隐裂缺陷光伏组件的输出功率衰减率的分析需要考虑光伏电站受灾前其运行状态。

短时间浸水和长时间浸水的光伏组件在99%置信水平下，t检验结果均显示为“显著”，即说明这2类受灾程度的光伏组件均表现出显著的输出功率衰减超限特征。而从光伏组件内部缺陷的角度来看，非隐裂缺陷中明暗片问题的占比较高。明暗片是指同一块光伏组件中的不同太阳电池呈现出不同的亮度。若在光伏组件出厂时检测出该问题，则一般认为是因生产阶段太阳电池分档异常引起的质量缺陷；若在光伏组件出厂检测时未出现明暗片，却在光伏组件运行期间逐步显现，则很大程度上是因光伏组件中太阳电池功率衰减引起的太阳电池输出电流不均导致的。由于光伏组件在运行过程中也会存在输出功率正常衰减的情况，因而虽然能通过EL图像中明暗片的对比度来初步判断太阳电池输出电流不均的相对程度，但若要判断光伏组件是否存在输出功率衰减超限的情况，则需要通过I-V测量方式来进行量化和判定。由于本案例中未收集到该光伏电站中光伏组件出厂时的EL检测档案，因此无法判断光伏组件的出厂质量状况；但根据测量数据的统计，未浸水光伏组件存在明暗片问题的数量占比为12%，短时间浸水光伏组件存在明暗片问题的数量占比为16%，长时间浸水光伏组件存在明暗片问题的数量占比为19%，可以看出，随着浸水时间的增长，存在明暗片问题的光伏组件数量的占比也随之上升，因而可推断出浸水因素是导致光伏组件输出功率衰减加速的重要原因。

通过对比表2中每种受灾程度光伏组件中不同内部缺陷状态下的输出功率衰减率数据可以看出，相比于短时间浸水的光伏组件，长时间浸水光伏组件中无缺陷光伏组件的输出功率衰降率和有缺陷光伏组件的输出功率衰降率的差异相对更小，由此可见，由于长时间海水浸泡使光伏组件内部缺陷的有无和缺陷的差异性对光伏组件输出功率的影响程度趋于模糊，这说明长明间浸水是导致光伏组件输出功率衰减的主导因素。

3 结论

本文以一座建设于沿海地区并遭受了台风及海水侵袭的地面光伏电站为分析对象，结合EL图像和I-V测量数据，运用t检验方法对灾后该光伏电站中光伏组件的输出功率受损情况进行了分析，得到以下结论：

1)只遭受了台风袭击而未遭到浸水(即未浸水)的光伏组件在内部缺陷方面隐裂缺陷的占比相对较高；但无论是否存在内部缺陷，在99%置信水平下的t检验结果均显示为“不显著”，这表明未浸水光伏组件在截止到测试时仍未显示出明显的输出功率衰减率超限现象。其中，存在隐裂缺陷的光伏组件与无缺陷和存在非隐裂缺陷的光伏组件相比，其在输出功率方面未出现异常的加速老化趋势，这与多篇文献报道的情况基本相符；反而在未能考察其受灾前运行状态的前提下，存在非隐裂缺陷的光伏组件在未浸水情况下的输出功率衰减率最高。

2)将不同浸水时长光伏组件的内部缺陷及通过I-V测量结果得到的输出功率衰减率进行对比分析，得出浸水是导致受灾光伏组件输出功率加速衰减的关键因素。无论是短时间浸水还是长时间浸水，通过光伏组件的I-V测量结果得到的输出功率衰减率在99%置信水平下均为“显著”，也包括EL图像表现为无缺陷的光伏组件。其中，存在非隐裂缺陷光伏组件仍然是输出功率衰减程度更为明显的一类光伏组件；但随着浸水时长的增加，无缺陷光伏组件的输出功率衰减率与有缺陷光伏组件的输出功率衰减率之间的差距逐渐缩小，这说明长时间浸水成为光伏组件输出功率衰减的主导因素，而内部缺陷的影响趋于模糊。因此，对遭受类似灾害侵袭的光伏电站进行定损时，应更加关注浸水问题，尤其是成分复杂的洪水浸泡导致的光伏组件输出功率衰减问题。

需要说明的是，本文的分析工作仍存在有待完善的方面，包括：光伏组件的更换及赔付建议能否进一步明确和量化，未浸水光伏组件虽然未呈现即时的输出功率衰减现象，但是否会对其未来运行过程中的输出功率产生影响等问题，仍需要更多的案例来进行研究分析，并进一步完善定损分析方案，提升定损准确度和效率。另一方面，本文的研究分析工作也为保险公司和光伏电站运营方提出了非常值得思考的提示：制订合理周期的、覆盖光伏组件必要性能方面的测试计划并切实执行落实，为光伏电站项目建立长期的性能跟踪档案，对于提高光伏电站运行管理，乃至出险定损的有效性具有不可忽视的作用。