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胡超杰.電流連續(xù)性監(jiān)控對(duì)PERC單晶硅光伏組件環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果的影響研究[J].太陽能, 2022(3):65-69.

光伏組件工作在戶外，運(yùn)行環(huán)境較為惡劣，因此為保證光伏組件長(zhǎng)期使用過程中的可靠性，國(guó)際電工委員會(huì)發(fā)布了IEC 61215-2: 2016標(biāo)準(zhǔn)[1]，制定了光伏組件需要進(jìn)行并達(dá)到一定要求的測(cè)試，并得到了光伏行業(yè)的普遍認(rèn)可。各大光伏組件生產(chǎn)商都會(huì)在第三方檢測(cè)認(rèn)證機(jī)構(gòu)獲得作為各自產(chǎn)品質(zhì)量的證明。IEC 61215-2: 2016標(biāo)準(zhǔn)中包含了一系列針對(duì)光伏組件的測(cè)試，通過試驗(yàn)?zāi)M光伏組件的初始光致衰減、光伏組件材料老化衰減，以及由外界環(huán)境或破壞性因素導(dǎo)致的光伏組件輸出功率衰減[2]，能在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)測(cè)試得到光伏組件的質(zhì)量及可靠性，并可為后續(xù)的新工藝及新材料提供參考。

根據(jù)IEC 61215-2: 2016標(biāo)準(zhǔn)，為避免試驗(yàn)過程中某一時(shí)段內(nèi)部電路出現(xiàn)斷路，但一定時(shí)間后又恢復(fù)導(dǎo)通的情況出現(xiàn)，部分試驗(yàn)要求對(duì)光伏組件內(nèi)部電路的連續(xù)性進(jìn)行監(jiān)控，稱為“電流連續(xù)性監(jiān)控”。具體的監(jiān)控方式為：在試驗(yàn)過程中將光伏組件的正極端子接到直流電源的正極，負(fù)極端子接到直流電源的負(fù)極，給光伏組件施加一個(gè)持續(xù)的電流，并對(duì)此電流進(jìn)行監(jiān)控，以監(jiān)控光伏組件內(nèi)部電路是否存在斷路情況。結(jié)合筆者長(zhǎng)期的光伏組件測(cè)試工作發(fā)現(xiàn)：試驗(yàn)過程中是否進(jìn)行電流連續(xù)性監(jiān)控對(duì)光伏組件最終的輸出功率衰減存在較大影響。

(資料圖片)

目前，國(guó)內(nèi)外研究主要是針對(duì)不同光伏組件材料或太陽電池經(jīng)過IEC 61215-2: 2016部分試驗(yàn)后的表現(xiàn)情況，但對(duì)試驗(yàn)條件本身的研究較少。本文針對(duì)IEC 61215-2: 2016標(biāo)準(zhǔn)中部分試驗(yàn)對(duì)光伏組件內(nèi)部電路連續(xù)性有要求，研究了電流連續(xù)性監(jiān)控時(shí)的電流對(duì)環(huán)境試驗(yàn)(濕熱試驗(yàn)與濕凍試驗(yàn))結(jié)果的影響，并設(shè)計(jì)了一套測(cè)試方案。期望研究結(jié)果可為今后研究PERC單晶硅光伏組件的輸出功率衰減提供參考，并可為晶體硅光伏組件測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的制定提供依據(jù)。

1電流連續(xù)性監(jiān)控對(duì)環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果影響的測(cè)試方案設(shè)計(jì)

1.1測(cè)試方案具體內(nèi)容

本文以p型PERC單晶硅太陽電池封裝而成的單玻PERC單晶硅光伏組件(下文簡(jiǎn)稱為“PERC單晶硅光伏組件”)為例進(jìn)行測(cè)試，從同一批次中選取4塊PERC單晶硅光伏組件(編號(hào)為1#～4#)。本研究針對(duì)IEC 61215-2: 2016標(biāo)準(zhǔn)中的濕熱(DH)試驗(yàn)和濕凍(HF)試驗(yàn)，分別對(duì)進(jìn)行與不進(jìn)行電流連續(xù)性監(jiān)控情況下的光伏組件DH250試驗(yàn)和HF10試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試，電流連續(xù)性監(jiān)控的通電電流為0.05 A。標(biāo)準(zhǔn)中，DH試驗(yàn)的試驗(yàn)條件為：85 ℃、85%RH、1000 h;為了進(jìn)行對(duì)比，本文選擇接近HF10試驗(yàn)的試驗(yàn)時(shí)間，即250h;標(biāo)準(zhǔn)中該試驗(yàn)沒有進(jìn)行光伏組件的電流連續(xù)性監(jiān)控的要求。HF試驗(yàn)的試驗(yàn)條件為：從初始溫度升溫至85 ℃、85%RH，保持至少20 h，再降溫至-40 ℃，保持至少0.5 h，再升溫至初始溫度，此為1個(gè)循環(huán);共進(jìn)行10個(gè)循環(huán);標(biāo)準(zhǔn)中要求對(duì)該試驗(yàn)進(jìn)行光伏組件的電流連續(xù)性監(jiān)控。本測(cè)試方案中不同光伏組件進(jìn)行的具體試驗(yàn)如表1所示。

整個(gè)測(cè)試開始前，先對(duì)PERC單晶硅光伏組件進(jìn)行最大輸出功率測(cè)試及電致發(fā)光(EL)檢測(cè);測(cè)試結(jié)束后再對(duì)這4塊光伏組件進(jìn)行最大輸出功率測(cè)試及EL檢測(cè);然后對(duì)比PERC單晶硅光伏組件測(cè)試前、后的輸出功率衰減及EL的變化。

1.2測(cè)試方案設(shè)計(jì)思路

本文提出的測(cè)試方案的設(shè)計(jì)思路是從已完成的大量試驗(yàn)結(jié)果中得出，IEC 61215-2: 2016標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行電流連續(xù)性監(jiān)控的試驗(yàn)有HF10試驗(yàn)及靜態(tài)機(jī)械載荷(SML)試驗(yàn)。其中，根據(jù)IEC 61215-2: 2016的測(cè)試序列，是先經(jīng)過DH1000試驗(yàn)后再進(jìn)行SML試驗(yàn)，這部分光伏組件和經(jīng)過HF10試驗(yàn)的光伏組件一樣，常出現(xiàn)較大的輸出功率衰減，且光伏組件EL圖像會(huì)出現(xiàn)明顯的明暗不均現(xiàn)象;而直接進(jìn)行SML試驗(yàn)的光伏組件則不會(huì)出現(xiàn)此類現(xiàn)象。所以推測(cè)該現(xiàn)象與SML試驗(yàn)無關(guān)。

因此，本文的測(cè)試方案設(shè)計(jì)直接在DH250試驗(yàn)和HF10試驗(yàn)過程中進(jìn)行通電和不通電的對(duì)比試驗(yàn)，從而確定試驗(yàn)過程中電流連續(xù)性監(jiān)控的存在是否會(huì)對(duì)試驗(yàn)后光伏組件的輸出功率衰減產(chǎn)生影響。

2結(jié)果與討論

根據(jù)表1中設(shè)計(jì)的測(cè)試方案，4塊PERC單晶硅光伏組件根據(jù)不同試驗(yàn)項(xiàng)目和要求分別進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試后4塊PERC單晶硅光伏組件的輸出功率衰減情況如表2所示。

從表2的測(cè)試結(jié)果很容易看出，同批次的光伏組件進(jìn)行同樣的試驗(yàn)時(shí)，進(jìn)行電流連續(xù)性監(jiān)控的光伏組件的輸出功率衰減率會(huì)明顯大于不進(jìn)行電流連續(xù)性監(jiān)控的光伏組件。

對(duì)4塊PERC單晶硅光伏組件測(cè)試前、后的電性能參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，具體如表3所示。

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)，對(duì)進(jìn)行相同試驗(yàn)的1#光伏組件與2#光伏組件進(jìn)行對(duì)比，二者測(cè)試后的短路電流Isc的變化幅度相當(dāng)接近，但二者測(cè)試后開路電壓Voc的變化幅度不同，導(dǎo)致光伏組件輸出功率衰減率差異明顯;3#、4#光伏組件的對(duì)比結(jié)論與此相似。由此可以看出，在環(huán)境試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行電流連續(xù)性監(jiān)控會(huì)對(duì)光伏組件的Voc造成影響，導(dǎo)致光伏組件出現(xiàn)更大的輸出功率衰減。

對(duì)4塊PERC單晶硅光伏組件測(cè)試前、后的EL圖進(jìn)行對(duì)比，具體如圖1～圖4所示。

從圖1～圖4可以看出：4塊PERC單晶硅光伏組件在測(cè)試前均無明顯缺陷;經(jīng)過測(cè)試后，未進(jìn)行電流連續(xù)性監(jiān)控的光伏組件的EL圖像變化不大，而進(jìn)行電流連續(xù)性監(jiān)控的光伏組件的EL圖像出現(xiàn)了明顯的明暗片現(xiàn)象。EL圖像出現(xiàn)明暗片說明進(jìn)行電流連續(xù)性監(jiān)控的PERC單晶硅光伏組件出現(xiàn)了更大的輸出功率衰減。

對(duì)于上述現(xiàn)象，很容易聯(lián)想到IEC 61215-2: 2016標(biāo)準(zhǔn)中的熱循環(huán)試驗(yàn)，該試驗(yàn)的目的是確定光伏組件承受因溫度重復(fù)變化而引起的熱失配、疲勞和其他應(yīng)力的能力。熱循環(huán)試驗(yàn)過程中同樣需要對(duì)光伏組件施加電流，該電流值在試驗(yàn)升溫階段等于Impp值，在其余階段為1%的Impp值。由于目前的PERC單晶硅光伏組件的Impp值都在9 A以上，根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)，該值比電流連續(xù)性監(jiān)控的通電電流0.05 A大了至少180倍，但熱循環(huán)試驗(yàn)后PERC單晶硅光伏組件很少出現(xiàn)輸出功率衰減增大、EL圖像出現(xiàn)明暗片的現(xiàn)象。

對(duì)IEC 61215-2: 2016標(biāo)準(zhǔn)中3個(gè)環(huán)境試驗(yàn)的試驗(yàn)條件進(jìn)行對(duì)比。DH試驗(yàn)的測(cè)試條件為恒溫85 ℃、恒濕85%RH;HF試驗(yàn)與熱循環(huán)試驗(yàn)的試驗(yàn)條件分別如圖5、圖6所示。

結(jié)合DH試驗(yàn)及圖5和圖6中的試驗(yàn)條件可以看出，3個(gè)試驗(yàn)的濕度條件存在差異，即PERC單晶硅光伏組件在環(huán)境試驗(yàn)時(shí)承受電流并不一定會(huì)出現(xiàn)測(cè)試后EL圖像明暗不均與輸出功率衰減較大的現(xiàn)象，造成此類現(xiàn)象需要在試驗(yàn)時(shí)存在濕氣的條件。也就是說，電流連續(xù)性監(jiān)控對(duì)有濕度條件的環(huán)境試驗(yàn)的結(jié)果存在影響。

此次測(cè)試選用的PERC單晶硅光伏組件均為常規(guī)的單玻PERC單晶硅光伏組件，該類光伏組件采用的背板都會(huì)出現(xiàn)一定的透水情況，在高溫、高濕的環(huán)境下，水汽必定會(huì)進(jìn)入光伏組件內(nèi)部，從而接觸到太陽電池。此時(shí)，如果太陽電池處于通電狀態(tài)，就可能會(huì)使光伏組件內(nèi)部出現(xiàn)漏電流通道，從而使光伏組件產(chǎn)生較大的輸出功率衰減。在高溫、高濕的環(huán)境下也有可能出現(xiàn)類似LeTID衰減的現(xiàn)象，目前對(duì)LeTID衰減主流的測(cè)試條件是溫度為75 ℃、測(cè)試電流值為Isc–Impp，但在實(shí)驗(yàn)室多次LeTID測(cè)試后，這些光伏組件并未出現(xiàn)明顯的輸出功率衰減現(xiàn)象，可能在增加濕度后會(huì)更容易產(chǎn)生LeTID衰減，因此這一結(jié)論還需要更多測(cè)試數(shù)據(jù)的支持。

3結(jié)論

基于IEC 61215-2: 2016標(biāo)準(zhǔn)中部分試驗(yàn)過程中有電流連續(xù)性監(jiān)控的要求，本文設(shè)計(jì)了一套測(cè)試方案，對(duì)電流連續(xù)性監(jiān)控對(duì)PERC單晶硅光伏組件環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果的影響進(jìn)行了研究。研究表明，在PERC單晶硅光伏組件進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)時(shí)施加電流連續(xù)性監(jiān)控會(huì)影響其測(cè)試后的輸出功率，且與未進(jìn)行電流連續(xù)性監(jiān)控的PERC單晶硅光伏組件表現(xiàn)出不同的衰減機(jī)理。

目前IEC 61215-2: 2016標(biāo)準(zhǔn)是光伏組件的形式試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，各大光伏組件生產(chǎn)商及第三方檢測(cè)認(rèn)證機(jī)構(gòu)都會(huì)參考該標(biāo)準(zhǔn)制定測(cè)試序列進(jìn)行測(cè)試，但是光伏組件的輸出功率衰減機(jī)理非常復(fù)雜，濕氣加上電流的共同作用對(duì)光伏組件的輸出功率衰減有很大的影響。因此，在濕凍試驗(yàn)和靜態(tài)載荷試驗(yàn)過程中監(jiān)控光伏組件內(nèi)部電路連續(xù)性的要求是否合理，還需要進(jìn)行長(zhǎng)期研究，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行積累，以此為光伏行業(yè)的發(fā)展提供有力的支持。