光伏組件現(xiàn)場檢測技術(shù)研究與經(jīng)驗分析

唐梓彭， 魏 超， 楊 雨， 張銀龍， 張勇銘

發(fā)電技術(shù)

光伏組件現(xiàn)場檢測技術(shù)研究與經(jīng)驗分析

唐梓彭， 魏 超， 楊 雨， 張銀龍， 張勇銘

（華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州 310030）

太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的核心部件是光伏組件，其質(zhì)量與性能也影響著光伏電站運營生命期的發(fā)電能力與經(jīng)濟收益。本文針對光伏組件的現(xiàn)場檢測技術(shù)進行了研究，建立了一套實用性強的質(zhì)量檢測體系，并對現(xiàn)場檢測中的常見組件缺陷進行了經(jīng)驗分析。

光伏組件； 現(xiàn)場檢測技術(shù)； 缺陷經(jīng)驗分析

0 引言

光伏組件是太陽能光伏電站的最小發(fā)電單元，也是一座光伏電站中數(shù)量最多的部件，在光伏電站建設(shè)期中組件成本也占了電站總成本的很大部分。因此，光伏組件的質(zhì)量不僅對電站的發(fā)電能力有著至關(guān)重要的影響，也在很大程度上決定了電站運營的經(jīng)濟效益。開展光伏組件的現(xiàn)場測試是光伏電站建設(shè)質(zhì)量管控的重要一環(huán)，能夠在電站建設(shè)前期發(fā)現(xiàn)到場組件中的問題，避免大量不合格組件入場安裝，也能為運行期電站排查出破損或失效組件，避免這些發(fā)電能力低下或已失去發(fā)電能力的組件長期影響同一組串甚至幾個組串中的正常組件，為電站的運營提供可靠保障。

光伏組件的現(xiàn)場檢測包括四個內(nèi)容：組件外觀檢查、組件EL檢測、組件伏安特性（I-V特性）檢測以及紅外檢測。外觀檢查主要對組件的外部結(jié)構(gòu)、蓋板、EVA夾層、電池片表層以及背板等進行檢查，目的在于發(fā)現(xiàn)肉眼可視的明顯缺陷處；組件EL檢測時組件現(xiàn)場檢測最重要的內(nèi)容，其利用晶體硅電池片的電致發(fā)光特性[1]，采用近紅外相機對光伏電池片進行內(nèi)部探傷檢測，目的在于檢查組件電池片是否存在肉眼不可視的內(nèi)部缺

陷；組件伏安特性檢測則是對組件的功率以及伏安特性曲線進行檢測，在建設(shè)期現(xiàn)場檢測（到場檢測）中是為了檢驗組件功率是否達標以及伏安特性曲線是否正常，而在運行期現(xiàn)場檢測中是為了檢驗組件功率是否明顯偏低，以發(fā)現(xiàn)問題組件或失效組件；最后，組件紅外檢測采用紅外成像設(shè)備，檢測運行中的組件是否存在熱斑現(xiàn)象，并與EL檢測以及伏安特性檢測結(jié)果綜合分析，排查問題組件。另外，若組件存在嚴重?zé)岚?，可能會引起組件封裝材料損毀，影響組件使用壽命，甚至存在組件起火等安全隱患[2]。

1 檢測技術(shù)研究

（1）組件外觀檢查：外觀檢查旨在發(fā)現(xiàn)存在肉眼可視的破損缺陷的組件，檢測手段一般為直觀目視檢查，并無特殊的技術(shù)要求。常見的問題包括組件蓋板劃痕、電池片微小色差、電池片掛勾印、鋁邊框劃痕等。這些一般性問題并不會影響到組件的發(fā)電能力，如掛勾印等問題多由現(xiàn)階段電池片生產(chǎn)工藝，屬于光伏組件的共性問題。而外觀檢查中的嚴重問題則包括蓋板碎裂、背板破損、接線盒開裂、密封硅膠不緊實等，存在這些問題的組件均屬于不合格組件，不允許入場安裝。

（2）組件EL檢測：EL檢測的原理是晶體硅電池片的電致發(fā)光特性，屬于半導(dǎo)體的晶體硅電池片在被加以反向電壓的條件下，會因其內(nèi)部載流子的輻射而產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象，EL光強越差則表明該處存在質(zhì)量缺陷[3]，如隱裂、碎片、斷柵、雜質(zhì)等。如電池片雜質(zhì)、污染等缺陷會影響電池片壽命，而隱裂、碎片等破壞性缺陷則會造成電池片某部分甚至整片無法正常發(fā)電[4]。

現(xiàn)場檢測對組件EL檢測的要求是檢測操作便捷、場地適用性強以及圖像識別像素高。傳統(tǒng)的實驗室檢測設(shè)備適于組件生產(chǎn)過程中的質(zhì)量檢測或進行實驗室檢測，在電站現(xiàn)場并不具備使用此類設(shè)備的條件。因此，在本文研究中采用了小型化的EL紅外相機（3200萬像素），并配備有伸縮三腳架、移動電源、與組件正負極接頭配套的通電導(dǎo)線以及具有無線操作與數(shù)據(jù)傳輸功能的計算機終端。圖1為本文研究中現(xiàn)場EL檢測示意圖。

組件EL檢測過程中要求測試環(huán)境足夠黑暗，檢測地點周圍無熱源光照射。由于電池片的電致發(fā)光強度與外界光源相比較弱，容易被環(huán)境光源，如日光、白熾燈光等熱源光干擾，造成拍攝圖像過亮，從而無法識別組件電池片是否存在缺陷。在研究實驗中也發(fā)現(xiàn)，即使是在日間采用質(zhì)地較厚的布料搭建臨時的帳篷，也會由于布料孔隙以及與地面之間的縫隙漏光而造成圖像拍攝不清。因此，在進行現(xiàn)場檢測時應(yīng)首先針對場地特點來獲得合適的檢測環(huán)境，具體如下：

1）夜間測試，夜間無太陽光影響，在排除檢測地點周圍人為光源的影響后，環(huán)境條件有利于開展EL測試。但某些電站現(xiàn)場地形復(fù)雜，夜間工作有一定危險性，且在冬季開展檢測工作時夜間較為寒冷；

2）利用檢測現(xiàn)場的房間布置暗室來進行檢測，避免在夜間工作。但限于一些現(xiàn)場條件，可能無法找到合適的房間利用。

3）采用專業(yè)的檢測帳篷以適應(yīng)各類地形條件下的電站現(xiàn)場檢測，但需要帳篷材質(zhì)的遮光度以及帳篷尺寸符合檢測需要。

4）當在電站運營期進行組件現(xiàn)場EL檢測時，由于組件均以處于運行狀態(tài)無法隨意移動，因此只可選擇在保證安全工作的前提下進行夜間測試。

（3）組安伏特性檢測：伏安特性（I-V）檢測是將組件置于穩(wěn)定自然或模擬太陽輻照中，并使其保持一定的溫度，連續(xù)測量電流（工作電流、短路電流）、電壓（工作電壓、開路電壓）、功率參數(shù)、背板溫度以及輻照度，再將實測參數(shù)修正到標準（STC）條件，最后描繪出組件的I-V特性曲線，并判斷組件是否正常[5]。

在現(xiàn)場測試時，難以具備實驗室中對太陽輻照度的穩(wěn)定模擬條件，因此需要選擇日照良好的時間進行測量。另外，在進行電站建設(shè)期檢測時，由于組件尚未安裝，需要近似按電站設(shè)計的陣列朝向、傾角放置被測組件，且應(yīng)保證組件不受陰影遮擋。本文研究采用了現(xiàn)階段的光伏現(xiàn)場測試中普遍使用的便攜式的I-V特性測試儀，圖2為組件伏安特性檢測現(xiàn)場檢測示意圖。

研究實驗中發(fā)現(xiàn)，檢測期間的太陽輻照強度可能因云層遮擋而產(chǎn)生不規(guī)律變化，遮擋較嚴重時會引起被測組件I-V特性曲線中出現(xiàn)突變，但實際上組件的測試曲線應(yīng)是平滑的。這樣的現(xiàn)象與某些電池片存在缺

陷組件的檢測結(jié)果有相似之處，容易引起誤判。由于條件限制，現(xiàn)有的便攜式I-V特性測試儀尚不能在現(xiàn)場條件下對組件的標稱功率進行精確測量，仍需在現(xiàn)場初步檢測后挑選部分組件送往權(quán)威測試機構(gòu)進行實驗室檢測，并在綜合現(xiàn)場與實驗室檢測結(jié)果后做出I-V特性檢測結(jié)論。

另外應(yīng)注意的是，不同生產(chǎn)商的光伏組件其電流、電壓溫度系數(shù)是不同的，雖然I-V特性測試儀可自動測量、記錄與進行STC參數(shù)修正，需在測量前校驗輸入儀器的電流、電壓溫度系數(shù)預(yù)設(shè)值與被測組件是否相同，否則會造成STC修正誤差變大。

（4）組件紅外檢測：紅外檢測針對組件熱斑現(xiàn)象，一般采用手持式紅外熱像儀即可。通過對熱成像圖片即可直觀地判別組件是否存在熱斑，以及熱斑情況是否嚴重。造成組件熱斑現(xiàn)象的情況分為環(huán)境與組件內(nèi)部因素兩類。環(huán)境因素包括場區(qū)草木、組件積灰、鳥糞等雜物遮擋部分電池片；內(nèi)部因素則包括電池片損壞、柵線焊接不良等。

在本文研究實驗中獲得的某電站運行中組件的紅外成像圖3中可以明顯看到，該組件熱斑電池片溫度61.8℃，而正常部分溫度僅有40℃，相差21.8℃。雖然60℃左右的溫度不會造成組件結(jié)構(gòu)的立即損壞，但若問題電池片繼續(xù)運行，熱斑問題會逐漸嚴重，最終可能導(dǎo)致問題電池片處的封裝材料燒毀，甚至導(dǎo)致組件、組串起火，嚴重威脅電站安全生產(chǎn)。

在現(xiàn)場檢測中，紅外檢測主要依靠手持紅外熱像儀完成，一般應(yīng)選擇在正午太陽輻照度最好，即組件實時發(fā)電量最高、問題電池片發(fā)熱量最大時進行檢測，對于其余檢測條件并無嚴格技術(shù)要求。但由于現(xiàn)階段光伏電站專業(yè)檢測或運維人員較少，而光伏場區(qū)范圍廣、組件多，難以進行規(guī)律性的全面覆蓋檢測，對于發(fā)現(xiàn)的熱斑嚴重組件應(yīng)及時進行維修或更換，降低組件事故發(fā)生率。

2 檢測經(jīng)驗分析

光伏組件的現(xiàn)場檢測以發(fā)現(xiàn)問題組件為目的，所涉及的組件問題多樣化，且常常相互關(guān)聯(lián)。本節(jié)結(jié)合對建設(shè)期光伏電站與運營期光伏電站的實測情況，對光伏組件現(xiàn)場檢測的一些實際問題、組件的缺陷實例進行經(jīng)驗分析。

組件現(xiàn)場檢測的外觀檢查中最常見的問題是電池片掛勾印、微小色差（如圖4所示），此類問題多由電池片生產(chǎn)、蝕刻工藝造成，但并不影響電池片發(fā)電能力；蓋板與鋁邊框變形（如圖5所示）多由于電站建設(shè)期施工安裝不規(guī)范，磕碰組件造成，或由于運營期內(nèi)組件遭遇意外碰撞造成；組件背板缺陷或損傷在電站建設(shè)期檢測中極少發(fā)現(xiàn)，但在運營期內(nèi)由于組件長期處于室外環(huán)境，會產(chǎn)生黃變、破損甚至毀壞等問題，但這一自然老化周期較長，新建成電站可能不會出現(xiàn)除意外損

傷之外的組件背板問題。

光伏組件的現(xiàn)場EL檢測能夠直觀、準確地反映組件狀態(tài)，一般可將發(fā)現(xiàn)的問題分為非損傷性缺陷與損傷性缺陷兩類。非損傷類缺陷包括電池片污染、夾帶雜質(zhì)、黑斑以及黑邊等（如圖6所示）。此類缺陷一般是在硅電池片原料生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的。由于原料硅錠或硅棒中某些部分帶有雜質(zhì)物，而雜質(zhì)物的擴散區(qū)域不同，在切割電池片時就會產(chǎn)生一些電池片帶有不同面積的污染痕，或是某些電池片在同一位置存在黑斑等現(xiàn)象。而黑邊現(xiàn)象多產(chǎn)生在化學(xué)蝕刻過程中，硅電池片一邊或幾邊受到坩堝邊緣擴散的雜質(zhì)影響而顏色加深。對于單晶硅電池片，還有可能產(chǎn)生黑芯片現(xiàn)象，同樣是在生產(chǎn)工藝中混入雜質(zhì)而產(chǎn)生。此類缺陷雖然并非電池片本身受到損傷破壞而產(chǎn)生，但若污染影響面積過大、影響深度較深（顏色較深）也會導(dǎo)致電池片有效發(fā)電面積減少、發(fā)電量降低，嚴重的會組件實際運行中導(dǎo)致問題電池片成為低效或失效片，造成熱斑效應(yīng)。

另外，由于組件生產(chǎn)時誤將不同級別的電池片混裝，會造成電池片混檔，在EL檢測圖像上就是亮片或暗片的現(xiàn)象（如圖7所示）。若某組件混檔嚴重，在運行時組件中的低檔位電池片的電流較小，會形成電流倒灌，電池片失去發(fā)電能力而成為發(fā)熱的電阻，進而導(dǎo)致熱斑現(xiàn)象。

損傷性缺陷包括電池片隱裂、碎裂、碎角以及斷柵等，如圖8所示。在建設(shè)期電站的組件現(xiàn)場檢測中，對碎裂、碎角的組件均應(yīng)作不合格組件處理，因為存在此類問題的組件內(nèi)，一塊或多塊電池片已經(jīng)完全或部分失效，在運行時不僅不會發(fā)電，相反的會引起其所在電池串發(fā)電量降低，進而造成組件整體發(fā)電量降低，甚至?xí)?/p>

導(dǎo)致整個組串或陣列的發(fā)電能力受影響。

而存在隱裂情況的組件則應(yīng)該根據(jù)檢測與判定標準的允許值進行判別。以圖9為例，因某些情況下，隱裂較淺，裂痕長度和擴散程度?。▓D9中右側(cè)圖像），對電池片的影響有限，在相關(guān)檢測判定標準中可被視為合格。但若隱裂痕貫穿兩條以上的主柵線，甚至貫穿電池片（圖9中左側(cè)圖像），或呈閃電或樹根狀大面積擴散，則該塊電池片破損程度較大，即使仍可以運行發(fā)電，也應(yīng)被視為不合格組件，這是因為組件在工作中，受外界和內(nèi)部因素影響，隱裂程度可能會逐步加深，直至電池片失效。

斷柵現(xiàn)象多由電池片柵線印刷工藝問題造成，主要原因是生產(chǎn)中柵線漿料或印刷絲網(wǎng)不良。與電池片破損類似，斷柵現(xiàn)象會導(dǎo)致電池片發(fā)電能力降低，從而影響組件、組串發(fā)電能力，也會引起局部熱斑現(xiàn)象。

組件伏安特性檢測主要關(guān)注組件的功率以及組件的I-V特性曲線是否合格。但現(xiàn)場檢測中諸多的環(huán)境因素限制，如組件工作溫度難以控制、太陽輻照強度的不規(guī)則變化等，導(dǎo)致采用便攜式I-V特性測試儀檢測組件的功率會出現(xiàn)一定不可控偏差。因此，一般需將現(xiàn)場被檢組件抽樣，并送實驗室進行進一步檢測，以確定組件功率是否合格。但在現(xiàn)場測試中，可以根據(jù)組件的I-V特性曲線來初步判斷組件是否正常。對正常組件的I-V特性曲線要求其總體變化趨勢應(yīng)與標準曲線相符，不得出現(xiàn)電流提早衰減、多峰等畸變情況，且曲線應(yīng)過渡平滑，無局部突變。圖10為異常的組件I-V特性曲線。

安裝旁路二極管會引起組件I-V特性曲線出現(xiàn)臺階等異常[6]，但在實際檢測中發(fā)現(xiàn)的組件I-V特性曲線出現(xiàn)電流提早衰減、畸變等問題的原因主要為組件電池片損傷、組件柵線印刷焊接不良以及低電流電池片混檔等缺陷造成。在現(xiàn)場檢測中，異常I-V特性曲線在運行期電站中較為常見。由于一些建設(shè)較早的光伏電站缺乏建設(shè)期內(nèi)的光伏組件質(zhì)量管控，導(dǎo)致一部分損傷組件、電池片混檔組件進入場區(qū)。而運營期內(nèi)的維

護力度不足，也導(dǎo)致部分組件在運行中受損，或損傷加重，最終導(dǎo)致I-V特性曲線嚴重異常。這部分組件在光伏陣列中對陣列整體發(fā)電能力起負面作用，須及時更換，以保證電站的整體發(fā)電質(zhì)量。

在現(xiàn)場檢測中發(fā)現(xiàn)的組件熱斑現(xiàn)象，一部分是由于組件電池片破損失效或混入低功率電池片引起，另一部分則是由于現(xiàn)場草木遮擋、積灰覆蓋引起，而因其他組件內(nèi)部構(gòu)造引起的熱斑現(xiàn)象由于現(xiàn)階段尚缺乏分析手段，較難在現(xiàn)場確認。圖11所示，為現(xiàn)場檢測中常見的熱斑現(xiàn)象組件。通過對一些運行中的光伏電站的現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)，雜草遮擋、組件積灰以及鳥糞等雜物遮擋普遍存在。其中，積灰與鳥糞遮擋是光伏電站運行中難以避免的問題，應(yīng)定期對光伏組件進行清洗以保證組件正常、高效運行。而在植被生長條件較好地區(qū)的光伏電站，在不破壞自然生態(tài)的前提下，應(yīng)組織定期的雜草、灌木清理，保證組件，尤其是各組串下排組件不受遮擋，避免產(chǎn)生熱斑現(xiàn)象。對于因組件電池片破損而產(chǎn)生熱斑現(xiàn)象的組件則應(yīng)及時更換，既保證電站的發(fā)電量，也避免因組件問題引起的火災(zāi)等安全事故。

3 存在的問題

在近年來我國光伏電站大規(guī)模建設(shè)的背景下，光伏組件的現(xiàn)場檢測工作對光伏電站質(zhì)量管理提供了重要的支持，也是光伏電站穩(wěn)定運行、高效運行的重要保證。但在現(xiàn)階段，我國針對光伏組件的現(xiàn)場檢測體系仍存在一些問題。

（1）專業(yè)檢測人員不足。我國的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)正迅速發(fā)展，“十二五”規(guī)劃中到2015年底我國的光伏發(fā)電裝機容量將達21GW以上。而國家能源局也明確指出了我國到2020年的光伏發(fā)電裝機容量目標為100GW[7]。在這樣的背景下，我國的專業(yè)光伏檢測隊伍卻仍不多，僅有少數(shù)國內(nèi)專業(yè)檢測機構(gòu)以及電力研究機構(gòu)擁有相應(yīng)的實驗室與現(xiàn)場檢測人員，但面對今后愈加龐大的投產(chǎn)光伏發(fā)電工程規(guī)模，現(xiàn)有的測試人員并不足以為所有電站提供全面的現(xiàn)場質(zhì)量檢測。同時，由于實驗室僅能檢測極少量抽樣組件樣本，無法為光伏電站進行全覆蓋式的性能檢測，培養(yǎng)更多的專業(yè)現(xiàn)場檢測人員就顯得尤為重要。

（2）部分光伏電站重視程度較低。在我國光伏電站建設(shè)中普遍存在年底搶工期，忽視建設(shè)期質(zhì)量管理，以及運營期投入人力不足，運行維護不到位的現(xiàn)象。由于部分光伏電站建設(shè)方、運營方在光伏組件質(zhì)量管理認識與重視程度上的不足，會導(dǎo)致一部分光伏電站投產(chǎn)后發(fā)電能力低于預(yù)期值，也會導(dǎo)致在復(fù)檢中發(fā)現(xiàn)大批光伏組件破損、功率不足以及熱斑現(xiàn)象嚴重等問題，嚴重影響電站實際發(fā)電能力與經(jīng)濟效益，對我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展也有不利影響。

（3）缺乏國家統(tǒng)一的檢測判定標準。目前，光伏組件現(xiàn)場檢測工作仍多依據(jù)檢測方、委托方與被檢測組件生產(chǎn)商協(xié)商制定的組件缺陷判定標準進行，存在對不同生產(chǎn)商檢測標準不統(tǒng)一的問題，且針對組件電池片某些缺陷問題的判定也較為模糊，如電池片黑邊、污染等。從產(chǎn)業(yè)可持續(xù)良性發(fā)展的角度來看，建立一套統(tǒng)一、全面、可操作性強的組件現(xiàn)場檢測判定標準，可以更好地指導(dǎo)我國未來的光伏組件現(xiàn)場質(zhì)量檢測工作，也有利于未來光伏產(chǎn)品質(zhì)量的管控與提升。

4 結(jié)語

光伏組件的現(xiàn)場檢測技術(shù)將實驗室檢測技術(shù)進行了設(shè)備小型化、操作便捷化以及方案多樣化的改進，在環(huán)境條件無法控制的戶外對光伏組件進行質(zhì)量檢測，并且為已投產(chǎn)的光伏電站進行站內(nèi)光伏組件的問題排查與故障診斷。在我國光伏產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，大型集中式光伏電站、中小型分布式光伏電站大規(guī)模建設(shè)投產(chǎn)的背景下，光伏組件的現(xiàn)場質(zhì)量檢測具有重要的意義。但現(xiàn)階段，該領(lǐng)域仍然存在一些亟待解決的問題，如專業(yè)檢測人員缺口、電站建設(shè)運營方不重視以及缺乏國家統(tǒng)一的質(zhì)量檢測判定標準等。在未來，解決現(xiàn)有問題，并不斷推進現(xiàn)場檢測技術(shù)、操作方案以及檢測體系的改進能夠為我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)提供可靠、高效的質(zhì)量檢測服務(wù)，提升光伏電站的建設(shè)質(zhì)量與運營效益。

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Study and Empirical Analysis of the Field Testing Technology For Solar Photovoltaic Modules

TANG Zi-peng， WEI Chao， YANG Yu， ZHANG Yin-long， ZHANG Yong-ming

（Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

Solarphotovoltaic modulesarekeystothesolarphotovoltaic technology.Theirqualityhasagreatinfluence onphotovoltaicpowerstations'powergenerationcapacityandeconomic benefitsduringthelifecycle.Thispaperstudiedthe fieldtestingtechnologyforsolarphotovoltaicmodulesandestablishedaqualitytestingsystemwithgoodapplicability.Meanwhile，thispaperdidanempirical analysisofcommondefectsofsolarphotovoltaicmodulesbasedonourfieldtestingexperiences.

solarphotovoltaicmodules； fieldtestingtechnology； empirical analysisofcommondefects

TM615

B

2095-3429（2016）03-0024-06

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.03.005

2016-02-22

修回日期：2016-04-18

唐梓彭（1989-），男，江蘇徐州人，碩士，工程師，主要從事光伏電站及組件檢測、新能源工程技術(shù)研究等工作。