晶硅組件典型環(huán)境下服役性能與表面溫度研究

馮江濤， 秦漢軍， 姜 川， 邱敬鐘， 揭敢新

(1.中國電器科學(xué)研究院有限公司工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510000；2.華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院，廣東廣州510000)

晶硅組件典型環(huán)境下服役性能與表面溫度研究

馮江濤1*， 秦漢軍1， 姜 川1， 邱敬鐘2， 揭敢新1

(1.中國電器科學(xué)研究院有限公司工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510000；2.華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院，廣東廣州510000)

研究了單晶硅和多晶硅光伏組件在廣州、海南瓊海和拉薩等典型環(huán)境條件下工作16個(gè)月后的外觀、關(guān)鍵性能變化及表面溫度分布規(guī)律。結(jié)果表明，所有單晶硅組件max出現(xiàn)衰減，最大衰減幅度達(dá)到－8.9%，功率衰減源自電池片的短路、破片等缺陷；輻照量和大氣溫度對(duì)晶硅組件表面溫度有顯著影響，其中輻照量與組件表面溫度成線性分布；接線盒是組件表面所有溫度區(qū)域中最高處，在試驗(yàn)期間輻照量最大日和大氣溫度最高日的中午(12:00左右)達(dá)到最高值，50℃以上溫度累積時(shí)間達(dá)3 h左右。

晶硅組件；服役環(huán)境；功率衰減；表面溫度

光伏組件的環(huán)境耐久性影響著其在服役環(huán)境條件下的長期安全可靠性，美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室、Sandia國家實(shí)驗(yàn)室以及歐洲Joint Research Centre等機(jī)構(gòu)已經(jīng)開展了相關(guān)研究，為其所在國家的光伏企業(yè)提供了大量的技術(shù)數(shù)據(jù)和研究經(jīng)驗(yàn)[1-3]。我國自2009年光伏應(yīng)用市場(chǎng)啟動(dòng)以來，光伏發(fā)電規(guī)模化應(yīng)用逐漸從荒漠電站、邊遠(yuǎn)山區(qū)(西藏)過渡到沿海發(fā)達(dá)城市，由于中國具有干熱、濕熱、寒冷等7類大氣環(huán)境條件，加之因工業(yè)發(fā)展而引發(fā)的工業(yè)污染，具有與歐洲和北美不同的環(huán)境特點(diǎn)，因而在未來大規(guī)模應(yīng)用過程中可能會(huì)出現(xiàn)不同的失效行為，本文從組件服役環(huán)境角度與組件性能之間的關(guān)系出發(fā)，研究光伏組件在中國典型環(huán)境條件下的服役行為。

1 試驗(yàn)條件與方法

1.1 典型環(huán)境條件

選擇可代表中國典型濕熱環(huán)境條件及高原環(huán)境條件的試驗(yàn)點(diǎn)(表1)開展戶外試驗(yàn)研究，所有試驗(yàn)場(chǎng)均為符合國家標(biāo)準(zhǔn)的戶外試驗(yàn)場(chǎng)地；廣州試驗(yàn)場(chǎng)位于花都區(qū)、海南試驗(yàn)場(chǎng)位于瓊海市，西藏試驗(yàn)場(chǎng)位于拉薩。

表1 典型環(huán)境條件氣候參數(shù)

1.2 樣品

樣品選用國內(nèi)知名企業(yè)生產(chǎn)的多晶硅與單晶硅光伏組件，額定功率均為130 W，組件基本物理參數(shù)見表2，兩種類型的組件分別采購4塊，分成四組，每組由一塊單晶硅和一塊多晶硅組成，裝載負(fù)載后分別投試到表1所列戶外試驗(yàn)點(diǎn)，開展靜態(tài)暴露試驗(yàn)，樣品分布詳見表3。負(fù)載選用鋁外殼電阻并聯(lián)，阻值以組件STC條件下的計(jì)算值的1.1～1.2倍為基礎(chǔ)。

表2 晶硅組件的基本參數(shù)

表3 樣品測(cè)試地點(diǎn)分布

1.3 性能測(cè)試

重點(diǎn)關(guān)注組件外觀變化及關(guān)鍵性能變化，具體測(cè)試項(xiàng)目見表4，主要測(cè)試設(shè)備有：光電性能測(cè)試設(shè)備選用德國產(chǎn)太陽模擬器Berger PSS8，級(jí)別為 Class AAA，測(cè)試不確定度≤±3.2%，測(cè)試不確定度≤±2.6%，測(cè)試不確定度≤±2.1%；EL測(cè)試儀選用沛德EL-1.4MD-M組件EL測(cè)試儀，分辨率1 360×1 024，曝光時(shí)間0～60 s可調(diào)；紅外熱影儀選用FLIR公司E50，分辨率240×180，精度±2%，溫度范圍－20～650℃。圖1為組件表面溫度監(jiān)控點(diǎn)分布。

表4 測(cè)試項(xiàng)目

圖1 組件表面溫度監(jiān)控點(diǎn)分布

2 結(jié)果分析

2.1 晶硅組件在不同環(huán)境條件下外觀變化

將晶硅光伏組件在亞濕熱(廣州)、濕熱(海南瓊海)以及高原(拉薩)環(huán)境條件下16個(gè)月后的外觀形貌和初始狀態(tài)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，單晶硅組件和多晶硅組件的外觀在三種環(huán)境條件下沒有發(fā)生顯著變化。

2.2 晶硅組件性能變化

晶硅組件在上述三種不同環(huán)境條件下帶負(fù)載工作一年后最大功率出現(xiàn)不同程度的衰減(圖2)，其中所有單晶硅光伏組件最大功率均出現(xiàn)衰減，J2衰減幅度最高達(dá)到－8.9%；多晶硅光伏組件僅有一塊(Y2)出現(xiàn)衰減，最大功率衰減達(dá)到2.1%。圖3所示為因子變化情況，與最大功率衰減規(guī)律一致，所有單晶硅的降低，J2組件降幅最大 (－9.8%)；Y2多晶硅組件的值下降了－1.9%。

圖2 晶硅光伏組件戶外耐久性試驗(yàn)后衰減率

圖3 晶硅光伏組件戶外耐久性試驗(yàn)后值變化

由于晶硅組件在戶外使用過程中一般會(huì)發(fā)生早期光致衰減[4]，在晶硅表面沒出現(xiàn)明顯失效行為情況下，功率的衰減可認(rèn)為是組件早期的光致衰減現(xiàn)象(一般認(rèn)為1%～3%)，但是對(duì)于J2組件，其和的降幅大大超出可接受的范圍，組件或關(guān)鍵材料可能存在缺陷或失效。

為進(jìn)一步查明J2和Y2晶硅組件功率下降的原因，對(duì)兩個(gè)組件進(jìn)行紅外分析，圖4為16個(gè)月后紅外影像對(duì)比，初始組件的溫度分布較為均勻，J2在上方中央位置出現(xiàn)溫度較高的點(diǎn)(對(duì)應(yīng)背面為接線盒位置)，同時(shí)，組件的某些匯流條位置的溫度也較高；Y2組件也出現(xiàn)溫度較高的點(diǎn)，其位置也在上方中央位置。16個(gè)月后，兩類組件表面溫度分布和初始態(tài)相似，沒有出現(xiàn)異常溫度點(diǎn)。

EL測(cè)試儀利用硅材料的電致發(fā)光原理對(duì)組件進(jìn)行缺陷檢測(cè)，可以從電池片的角度分析組件功率衰減的原因，圖5為多晶硅組件和單晶硅組件的EL照片，其中發(fā)現(xiàn)，多晶硅組件Y2下方兩塊電池片出現(xiàn)破片[圖5(b)]；單晶硅組件J2上方發(fā)現(xiàn)短路黑片[圖5(e)]，可能是由焊接造成的短路或者混入了低效電池片造成的；J3組件也發(fā)現(xiàn)了明顯的暗區(qū)電池片，可能是局部短路導(dǎo)致。

圖4 J2和Y2晶硅組件16個(gè)月前后紅外熱影像

圖5 晶硅組件16個(gè)月戶外試驗(yàn)后的EL照片

2.3 晶硅組件在濕熱環(huán)境條件下的微環(huán)境分析

太陽電池組件在正常工作情況下，由于吸收的太陽輻射很大一部分轉(zhuǎn)化為熱能，因而導(dǎo)致組件表面溫度高于環(huán)境溫度許多，溫度的變化對(duì)組件功率輸出有很大影響，溫度每升高1℃，功率輸出減少0.4%～0.5%。因此，了解組件在服役環(huán)境時(shí)表面溫度的分布情況，對(duì)于組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及封裝材料選擇，優(yōu)化組件輸出功率顯得極為重要。由于濕熱環(huán)境對(duì)于組件性能影響較為突出，本節(jié)重點(diǎn)分析濕熱環(huán)境條件下的組件微環(huán)境情況。

圖6和圖7為晶硅組件在海南瓊海試驗(yàn)場(chǎng)工作過程中正表面溫度與輻照量、大氣溫度之間的關(guān)系，其中選取了具有代表性的接線盒處和中間處正表面溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(這兩處的溫度值較組件表面其他位置高)。單晶硅和多晶硅組件表面溫度差異較小，兩種類型的晶硅組件接線盒及中間處的平均溫度與輻照量及大氣溫度變化趨勢(shì)一致。晶硅組件表面平均溫度與輻照量變化相關(guān)度較好，隨著冬季到夏季(2～8月)輻照量的增加，組件表面平均溫度也隨之上升；進(jìn)入秋冬季節(jié)后(9～11月)，隨著輻照量的下降，組件表面平均溫度隨之下降。晶硅組件的接線盒處平均溫度較逐月大氣平均溫度高，尤其在4～10月之間，晶硅表面與大氣溫度之間的溫差較大，值得注意的是4～10月之間海南空氣平均溫度處于27℃左右，輻照量也在400 MJ/m2以上。

圖6 晶硅組件正表面平均溫度與輻照量的關(guān)系

圖7 晶硅組件正表面平均溫度與大氣平均溫度的關(guān)系

由上述分析可知，輻照量和溫度對(duì)組件表面溫度場(chǎng)分布都有影響，為進(jìn)一步揭示氣候因素對(duì)組件表面溫度的影響，選取了晶硅組件在海南嚴(yán)酷氣候日 (試驗(yàn)期間內(nèi)空氣溫度最高日、日輻照量最大日，如表5所示)的24 h內(nèi)表面溫度進(jìn)行比較分析。

表5 海南試驗(yàn)場(chǎng)嚴(yán)酷氣候日環(huán)境條件

圖8為單晶硅組件接線盒處在兩種嚴(yán)酷日時(shí)的表面溫度分布圖，單晶硅光伏組件表面溫度達(dá)到50℃以上高溫區(qū)出現(xiàn)時(shí)間段大多集中在12:00～15:00之間，接線盒正表面在日輻照量最大日和溫度最高日的高溫區(qū)域相當(dāng)；在兩種類型的嚴(yán)酷日中，接線盒正面高溫區(qū)分布都多于背面；在日輻照量最大日，正表面50℃以上高溫區(qū)從12:00開始，在13:00左右達(dá)到最高溫度區(qū)(57～63℃)，持續(xù)約0.5 h；接線盒背面50℃以上高溫區(qū)呈分散狀分布，在12:00～15:00呈不連續(xù)態(tài)分布，同樣在13:00左右達(dá)到溫度峰值；日落后(19:00以后)組件表面溫度迅速下降至25℃以下；在平均溫度最高日，組件表面溫度分布規(guī)律與輻照量最多日類似，與輻照量最大日不同的是，日落后(19:00以后)組件表面溫度緩慢從30℃(耗時(shí)約3 h)降至25℃以下。

圖9為多晶硅光伏組件接線盒處在兩種嚴(yán)酷日當(dāng)天24 h表面溫度分布圖，與單晶硅相似，多晶硅光伏組件表面溫度達(dá)到50℃以上高溫區(qū)出現(xiàn)時(shí)間段同樣集中在12:00～15:00之間；與單晶硅組件不同的是，接線盒正表面溫度受輻照量影響較大氣溫度更為明顯，輻照量最大日該處超過60℃高溫時(shí)間累積約2 h，而大氣溫度最高日該處沒有達(dá)到60℃；在大氣溫度最高日，接線盒背表面溫度50℃以上累積時(shí)間多于正表面；在輻照量最多日，正表面溫度和背表面溫度分布相當(dāng)，50℃以上高溫時(shí)間累積時(shí)間也相似，說明光伏組件背板處溫度受到大氣環(huán)境溫度影響較為明顯。日落后(19:00以后)，輻照量最多日接線盒處的正背表面溫度迅速下降至25℃以下，而大氣溫度最高日該處的正背表面溫度呈階梯狀下降，19:00～22:00處于30～40℃，22:00以后緩慢降為30℃以下。

Study on service performance and surface temperature of crystalline silicon module in typical environments

Durablity performance of monocrystalline and polycrystalline silicon PV modules exposed in typical climate (Guangzhou，Qionghai and Lasa)for 16 months were studied，which involved appearance，power degradation and microclimate on the module surface.Themaxof all the monocrystalline silicon PV modules degrades， and the maximum degradation ratio is－8.9%， which is caused by the short circuit or cracked cell.Solar irradiation and atmosphere temperature have significant influences on the module surface temperature.Solar irradiation is linear with the module surface temperature.The highest surface temperature locates at site of junction box and appears at 12:00 on the day with maximum solar irradiation or highest atmosphere temperature. The time of surface temperature above 50℃accumulates to about 3 h.

crystalline silicon modules;service environment;power degradation;surface temperature

TM 615

A

1002-087 X(2016)04-0771-03

2015-09-16

科技部國際科技合作專項(xiàng)(2014DFA61960)；廣東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)支撐項(xiàng)目(2012B061100001)；廣州市科學(xué)和信息化局對(duì)外科技合作專項(xiàng)(2012J5100035)

馮江濤(1979—)，男，黑龍江省人，高級(jí)工程師，博士，主要研究方向?yàn)楣夥牧?、組件及系統(tǒng)的環(huán)境耐久性。