10001665_光伏组件自然老化年度衰减率分析

光伏组件自然老化年度衰减率分析 王 冬，李 洋，刘志民，卜 聪 摘要：针对光伏组件自然老化年度衰减问题，利用CTC国检集团（中国建材检验认证集团股份有 限公司）在海南的户外老化基地，对32家主流光伏企业进行了户外老化测试，通过对两个自然年 内组件衰减率和发电量测试得到的相关数据进行对比和分析，得出了我国主流厂家光伏组件的衰 减率规律以及晶体硅组件在不同辐照下的性能表现趋于一致的结论。 关键词：户外老化；衰减率；发电量 中图分类号：TM615 文献标志码：A 文章编号：1003-0972（2018） Analysis on Annual Degradation Rate of PV Modules due to Natural Aging WANG Dong, LI Yang, LIU Zhimin, BU Cong Abstract: Based on annual degradation rate of PV modules due to natural aging, outdoor aging tests of 32 mainstream PV manufacturers are conducted in the outdoor aging base of the CTC Group in Hainan Province. Comparing and analyzing the annual degradation rate and energy output obtained by conducting outdoor aging test, we can get the law of degradation rate of mainstream photovoltaic modules in China and draw a conclusion that the performance of crystalline silicon PV modules under different irradiations tends to be consistent. Key words: outdoor aging; degradation rate; energy output. 0 引言 经过十几年的发展，光伏产业已经成为中国为数不多的、可以同步参与国际竞争、并有望 达到国际领先水平的行业，是推动中国能源变革的重要引擎。中国硅原料、硅片、电池、组件、 逆变器等产品产量均位居全球首位，并占据较大市场份额。同时，中国光伏发电应用增长势头 迅猛，新增装机连续4年位居全球第一位，累计装机连续2年位居全球第一位。面对这些大好形 势，在产业高速发展的同时必须提高产品的质量，以确保光伏产业的持续、健康发展。光伏产 品的质量是保证光伏电站长期有效运营25年的关键，组件作为光伏电站的核心部分，其效率与 衰减无疑是电站业主关注的重中之重，也是事关25年发电量与收益率的重要因素。 因此，研究组件功率衰减非常有必要。晶体硅太阳电池的早期光致衰减现象是在30 多年前 观察到的，随后人们对此进行了大量的科学研究。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 [1,2]，本文主要研究老化衰减，此类 衰减主要由于电池的缓慢衰减以及封装材料的性能退化所造成的，此类衰减可通过实验室模拟 环境和相应的加速老化实验 [3,4]，但实验室验证结果是否能反应实际条件下的使用结果仍存在疑 问，为解决这个问题，本文采用了户外实证检测的方法，利用CTC国检集团在海南的实证老化 基地，对32家主流光伏组件企业进行了户外老化测试，通过数据分析，得到了两个自然年内的 光伏组件的衰减率规律，为EPC、发电集团等部门选择组件提供了一定的数据支持。 1 海南实证基地介绍 CTC国检集团（中国建材检验认证集团股份有限公司）在海南、吐鲁番、北京建有三个国 家级的户外实证基地，通过在这三个地点的典型气候条件下进行自然户外老化测试，对不同类 型的光伏系统以及不同企业的光伏产品的实际发电性能、衰减规律及使用寿命进行实地验证和 产品性能比对研究，建立健全公正、全面、权威的数据库，为政府提供决策参考并为我国光伏 企业的技术进步提供支撑，从而引导光伏制造行业加快转型升级,推动我国光伏产业持续健康发 展。 其中，CTC 国检集团海南户外基地是国内第一个通过中国合格评定国家认可委员会 （CNAS）认可的国家级光伏户外实证基地，除了户外实证基地的基础设施之外，还购买了多 台套检测设备，搭建了一个组件实验室，可以完成实验室I-V 测试、现场I-V 测试、湿漏电流测 试、绝缘耐压测试、电致发光测试（EL)、红外测试、组件环境实验等项目。海南岛是我国最 具热带海洋性气候特色的地方，全年暖热，雨量充沛，干湿季节明显，台风较大，热带风暴和 台风频繁，气候资源多样。海南岛年太阳总辐射量约 1279～1628kWh/m 2，年日照时数为 1750～2650 h，年平均气温在23 ℃～25 ℃之间，全年无冬；大部分地区降雨充沛，全岛年平均 降雨量在 1600毫米以上。在这种典型湿热的气候条件下进行户外实证测试，得到的数据非常有 代表性。 2 组件衰减率测试过程 2.1 年度衰减率定义 光伏组件年度衰减率是指光伏组件运行一段时间后（通常为一个自然年），在标准测试条 件下（AM1.5，组件温度25℃，辐照度1000W/m 2）测试最大输出功率与投产运行初始最大输出 功率差值与投产运行初始最大输出功率的比值。 2.2 场地要求 曝露试验场应具备并网条件，满足试样的并网运行测试要求,四周开阔，附近没有遮挡试样 或影响主导风向的建筑物或树木，远离洪水等危险源。试验场地面应为平整、无积水、定期修 剪植株高度的草坪地面。草坪地面修剪后，试样表面没有枝叶、草浆残留。场地远离有大气污 染源。 2.3 监控设备要求 试验场地需要必备的监控装置，以便监控并记录环境温度、风速、风向、各个角度的辐照 度、组件温度、降水量等参数，监控设备的精度等级要满足一定要求，如辐照度监测装置在100 W/m2 ~ 1500 W/m2辐照度范围内不确定度≤3% ；环境温度监测装置分辨率应 ≤0.1℃，不确定度 ≤1℃；风速监测装置应可以测到 0.25 m/s的风速。同时各类参数监测装置的校准周期不应超过12 个月。户外实证电站需要有专门的程序进行电气性能参数监控，监控的参数包括但不限于：逆 变器直流和交流侧的电流、电压、功率、发电量等数据。实时监控参数页面如下图1所示： 图1 实证电站参数实时监控画面 Fig.1 real-time monitoring screen 2.4 测试过程 a. 第 1 年衰减率测试 试验开始前，所有被测晶体硅组件需要进行预处理，试验方法和要求按照IEC 61215:2005 条款5，开路状态下在实际阳光或模拟阳光下照射，使累计辐射量达到 5.0～5.5 kWh/m 2。 组件预处理后，组件按照图2的试验序列进行试验。在试验中，操作人员应该严格遵照制造 厂商的要求进行组件的贮运、安装和线缆连接。 预 处 理 （ 仅 适 用于 晶 体 硅 组 件 ） 外 观 检 查 电 致 发 光 试 验（ 仅 适 用 于 晶 体 硅 组 件 ） 绝 缘 试 验 湿 漏 电 流 试 验 最 大 功 率 确 定 外 观 检 查 电 致 发 光 试 验（ 仅 适 用 于 晶 体 硅 组 件 ） 绝 缘 试 验 湿 漏 电 流 试 验 最 大 功 率 确 定 9~13片 样 品 户 外 老 化 试 验 8~12片 样 品 1片 组件 控 制 图2 试验序列 Fig.2 The test sequence b. 第 2 年衰减率测试 户外实证试验以一个自然年为一个周期，进行组件衰减率测试。样品从2015年4月到2016年 4月在CTC 海南实证基地实际并网发电的状态下户外自然老化一年后，试验人员将所有组件在尽 可能短的时间内同时从样品架上取下，在户外基地的实验室进行外观、EL、绝缘、湿漏和最大 功率的测试，所有组件测试结束后，在尽可能短的时间内同时将组件重新安装在样品架上进行 下一年度的自然老化。 2.5 发电量测试 海南户外老化测试包括32家组件企业的共三百余块组件测试样品，其中包括3组单晶样品和 29组多晶样品，单晶和多晶样品均包含60片和72片两种规格。连接方式是采用若干组件连接成 组串，每个若干组串接入一台逆变器，若干逆变器接入交流开关箱，若干交流开关柜接入隔离 变压器，若干变压器接入主开关柜，进而实现并网。每个组串容量约2.5kWp，接入一台阳光电 源的SG3KTL型3kW组串逆变器。通过监控系统对每一组串的发电性能进行适时监控，同时监 控包括辐照度、温度、风力风向等气象参数。 3 结果分析 3.1 32家组件第一年衰减率结果及对比分析 第一个自然年组件户外老化功率衰减率测试结果及分布见图3和图4。 经检测，有2家企业的2种型号的多晶硅组件功率衰减率不符合《光伏制造行业规范条件》 （2015年本） [5]多晶组件首年衰减率不超过2.5%的规定。其中一家企业的一片组件失效，功率 衰减高达37%；大多数组件企业的功率年衰减率分布在1%-2%的区间，中位数衰减率为1.3%，算 数平均衰减率为1.4%，均符合《光伏制造行业规范条件》（2015年本）的要求。按照平均衰减 率最优排名：30、12、29、22、31，按照最大衰减率最优排名：30、22、13、19、8，其中平均 衰减率和最大衰减率均排名第一的为某厂家的单晶组件。 图3 32家组件户外老化第一年衰减率 Fig.3 Degradation rate of 32 kind of PV modules after the first year of outside aging for the first year 工信部《规范条件》 2015 版规定 最大衰减率 平均衰减率 最小衰减率 图4 第一年衰减率分布区间 Fig.4 Distribution of degradation rate of PV modules after the first year of outside aging for the first year 3.2 32家组件第二年衰减率结果及衰减规律分析 所有样品测试完成后重新安装，开始第二年功率年衰减率的测试，第二年户外实证功率衰 减率测试结果及分布见下图5： 图5 32家光伏组件户外实证第二年衰减率 Fig.5 degradation rate of 32 kind of PV modules after the second year of outside aging for the second year 从图5中可以看出，与第一年32家组件衰减率高低不均相比，第二年32家光伏组件的衰减率 表现均衡，平均衰减率没有出现大的偏差。每家组件的衰减率均分布在一个适当的区间内，没 有出现第一年中某家组件衰减率过于集中或过于分散的情况。而且所有组件第二年的衰减率均 低于0.7% ，符合《光伏制造行业规范条件》2013版 [6]以及2015版的要求。从图6第二年衰减率分 布图中可以更清楚地看出，衰减率总体分布均匀，在0.3%~0.6%的区间内分布频率较高，中位 衰减率 频率 1.00%~1.25% 16.3% 1.25%~1.50% 13.1% 1.50%~1.75% 12.5% 1.75%~2.00% 14.7% 衰减率分布 0 5 10 15 20 频 率 （% ） 0 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 第一年衰减率（%） 第一年衰减率符合正态分布规律，主要集中在 1.00%~2.00%的区间内。 数衰减率和算术平均衰减率均约为0.4%。 图6 第二年衰减率分布区间 Fig.6 Distribution of degradation rate of PV modules after the second year of outside aging for the second year 3.3 32家组串发电量对比分析 本文分别选取了2015-2016年度冬季三个月的发电量数据以及10月份的发电量数据，并 换算成每千瓦每日的发电量进行对比，如图7所示。海南冬季日千瓦发电量均在3千瓦时以 上，平均值为3.1千瓦时，发电水平正常。从冬季辐照情况一般和十月份辐照较好情况下发 电量对比可以看出，32家晶硅组件的发电量在不同辐照情况下呈现相同的发电走势，即十 月份发电量高的组串在冬季较低辐照下的相对发电量仍较高。从图8单日高辐照及低辐照的 发电量对比也可以看出同样的趋势。另外根据发电量数据还得出了32家光伏组件在海南户 外晒场的发电量数据排行，不同厂家组件显示出不同的发电量。 日期 辐照度[kW·h/m2] 空气温度[℃] 风速[m/s] 风向[°] 冬季三个月平均 3.61 24.30 0.7 133.0 10 月平均 4.10 27.49 0.7 148.7 图7 季节发电量比较 Fig.7 Power generation capacity comparison between different weather 日期 辐照度 [kW·h/m2] 空气温度[℃] 风速 [m/s] 风向[°] 10 月 18 日 5.42 25.98 0.7 216.4 10 月 2 日 2.17 26.91 0.6 90.9 图8 不同辐照度下发电量比较 Fig.8 Power generation capacity comparison under different irradiance 3.4 衰减趋势分析 分析32家组件的衰减趋势发现，第一年衰减率普遍高于第二年衰减率。同时，由于所 有组件在进行户外实证试验前均经过了预处理，消除了LID 衰减影响，单晶组件反而表现 出相对更低的衰减率特性。 4 结论 本文针对光伏组件自然老化年度衰减问题，搭建了首个国家级的户外老化实证基地， 首次在国内进行了第三方的全国主流光伏组件的户外老化实证测试。经过两个自然年的户 外实证测试，分析了不同光伏组件厂家的组件年度衰减率规律、不同辐照度对发电量的影 响。实验表明：1.不同组件厂家的组件年度衰减率在第一年高低不均，差异较大，但是组 件衰减率在第二年表现均衡；2.不同辐照度下，相同厂家组件发电量不同，同时，在某一 辐照度下发电量高的组件，在不同辐照度下的发电量也高。但总体差别很小，说明国内主 流光伏企业的产品都有较高的质量品质。 参考文献： [1] 黄盛娟, 唐荣, 唐立军. 光伏组件功率衰减分析研究[J]. 太阳能, 2015(6):21-25. HUANG Shengjuan, TANG Rong, TANG Lijun. Research on Power Attenuation Analysis of Photovoltaic Modules [J]. Solar Energy, 2015(6):21-25. [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. LIN Cunchao. Analysis of quality problems of photovoltaic modules and installation quality control [J]. China Science and Technology Information, 2015, (2): 204-205. [3] 国际电工委员会. 地面用晶体硅光伏组件——设计鉴定和定型:IEC 61215:2005[S]. https://webstore.iec.c h/publication/4928 International Electrotechnical Commission. Crystalline silicon terrestrial photovoltaic (PV) modules—— Design qualification and type approval: IEC 61215:2005[S]. https://webstore.iec.ch/publication/4928 [4] 国际电工委员会.光伏（PV）组件安全鉴定——第 2 部分：试验要求:IEC 61730-2:2016[S]. https://we bstore.iec.ch/publication/25678 International Electrotechnical Commission. Photovoltaic (PV) module safety qualification - Part 2: Re quirements for testing:IEC 61730[S]. https://webstore.iec.ch/publication/25678 [5] 中华人民共和国工业和信息化部.光伏制造行业规范条件[Z].2015. [6] 中华人民共和国工业和信息化部.光伏制造行业规范条件[Z].2013.