晶硅組件檢測(cè)與分析

1、光伏電站晶硅組件如何檢測(cè)與分析？光伏電站的質(zhì)量問(wèn)題由來(lái)已久，幾年前，一家權(quán)威認(rèn)證機(jī)構(gòu)對(duì)國(guó)內(nèi)已經(jīng)在運(yùn)行的多座大型晶硅組件光伏電站進(jìn)行了質(zhì)量檢測(cè)，調(diào)查發(fā)現(xiàn)光伏組件普遍存在各種質(zhì)量問(wèn)題，如熱斑、隱裂和功率衰減等，對(duì)電站的發(fā)電量、KPI指標(biāo)、電站收益及日常運(yùn)行維護(hù)帶來(lái)嚴(yán)重影響。電站建成后，隨著時(shí)間的推移，組件本身首年光致衰減及逐年衰減率和其他衰減因素都客觀存在、不可避免，因此實(shí)際的裝機(jī)容量會(huì)逐年減少，那么基于原始裝機(jī)容量進(jìn)行理論發(fā)電量或理論功率輸出計(jì)算的發(fā)電性能指標(biāo)如PR、CPR和EPI等，其中包含的光伏電池板自身?yè)p耗部分會(huì)逐年增加，而且實(shí)際裝機(jī)容量的不確定性將對(duì)次年各個(gè)電站的計(jì)劃發(fā)電量的制定帶來(lái)一定

2、影響。因此文中基于現(xiàn)實(shí)存在的客觀情況，著重探討已并網(wǎng)電站的戶外組件電性能測(cè)試及功率修正方法、組件熱斑現(xiàn)象和原因分析以及晶硅組件PID功率衰減的快速甄別方法，由于篇幅有限，其他質(zhì)量問(wèn)題的檢測(cè)將另起他文探討。通過(guò)相關(guān)的測(cè)試和分析手段，可對(duì)自有電站的實(shí)際情況有清楚的了解，如組件的衰減情況、熱斑組件的分布比例及是否存在PID組件等等。一、組件（方陣）I-V測(cè)試及功率修正方法筆者曾在某西部多家地面電站進(jìn)行考察，發(fā)現(xiàn)在某一隨機(jī)時(shí)段各個(gè)逆變器的發(fā)電量存在較大差異。如圖1所示，通過(guò)對(duì)電站逐級(jí)逐段分析，排除了逆變器本身及對(duì)應(yīng)方陣故障、設(shè)備停機(jī)等因素，發(fā)現(xiàn)電量差異的主要來(lái)源為各個(gè)組串工作電流的波動(dòng)性，整體離散率較

3、高，有的甚至超過(guò)20%。逆變器發(fā)電量的差異和組件的功率輸出情況有密切關(guān)聯(lián)，因此有必要從匯流箱側(cè)去查找低功率的組串或組件，一般的，戶外組件或方陣組串的電性能測(cè)試使用便攜式I-V測(cè)試儀，本部分首先介紹便攜I-V測(cè)試儀的原理、配套輻照度計(jì)量?jī)x的類型和特點(diǎn)，接著介紹現(xiàn)場(chǎng)組件功率測(cè)試的一次修正和二次修正方法。· 圖1 某地面電站某一時(shí)段各個(gè)逆變器的發(fā)電對(duì)比1.1 便攜式I-V測(cè)試儀分類與測(cè)試原理?yè)?jù)調(diào)研目前市場(chǎng)上常用的便攜式I-V測(cè)試儀主要有可變電子負(fù)載式和動(dòng)態(tài)電容式兩種，如圖2和圖3所示，可變電子負(fù)載式是儀器自身內(nèi)置了電子負(fù)載，當(dāng)電阻從0變到無(wú)窮大的時(shí)候，儀器通過(guò)采集上百個(gè)負(fù)載點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的工作電

4、流和工作電壓值來(lái)構(gòu)成整條I-V曲線，并通過(guò)算法尋找到最大功率點(diǎn)。電容式I-V測(cè)試儀以充電式動(dòng)態(tài)電容作為光伏組件的動(dòng)態(tài)負(fù)載，實(shí)際測(cè)試時(shí)，光伏組件因有光生電流對(duì)電容充電，電容在開始充電時(shí)，阻抗很低幾乎為零，充電回路相當(dāng)于短路，當(dāng)充電結(jié)束，阻抗非常高，充電回路相當(dāng)于開路，那么在電容的充電過(guò)程中，電容的阻抗從0變到無(wú)窮大，相當(dāng)于光伏組件或陣列的負(fù)載電阻從0變化到無(wú)窮大，然后對(duì)電壓電流進(jìn)行采樣，這些采樣點(diǎn)構(gòu)成了光伏組件的I-V特性曲線。和可變電子負(fù)載式相比，動(dòng)態(tài)電容式測(cè)試方法的優(yōu)點(diǎn)是雖然測(cè)試速度較快，精度較高，但需要復(fù)雜的控制電路，而對(duì)于陣列型的I-V測(cè)試儀，就需要比較大的電容器，那么體積和重量就會(huì)增加

5、，所以帶到戶外進(jìn)行測(cè)試會(huì)比較笨重。圖2 可變電子負(fù)載式圖3 動(dòng)態(tài)電容式1.2 太陽(yáng)輻照數(shù)據(jù)采集介紹便攜式I-V測(cè)試儀在測(cè)試過(guò)程中需要對(duì)實(shí)時(shí)的輻照數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，輻照采集目前常用的儀器是總輻射表，它分為熱電型（Thermopile Pyranometers）和光電型（Silicon Pyranometers）兩種，如圖4所示為熱電型，圖5為光電型。熱電型一般為兩層玻璃罩結(jié)構(gòu)，由玻璃罩下黑色感應(yīng)面與內(nèi)部的熱電堆等感應(yīng)器件組成。一般感應(yīng)元件表面涂有高吸收率的黑色涂層，感應(yīng)元件的熱接點(diǎn)在感應(yīng)面上，而冷接點(diǎn)位于儀器的機(jī)體內(nèi)，雙層石英玻璃罩結(jié)構(gòu)的作用是防止熱接點(diǎn)單方向通過(guò)玻璃罩與環(huán)境進(jìn)行熱交換，提高測(cè)量精度

6、。同時(shí)為了避免太陽(yáng)輻射對(duì)冷接點(diǎn)的影響，增加了一個(gè)白色防輻射盤用來(lái)反射陽(yáng)光的熱輻射。它的原理很簡(jiǎn)單，當(dāng)太陽(yáng)輻射透過(guò)玻璃罩到達(dá)熱電表感應(yīng)面時(shí)，冷熱結(jié)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生溫差，由此產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，那么這個(gè)輸出信號(hào)與感應(yīng)面上所接收到的太陽(yáng)輻照度成正比（在線性誤差范圍內(nèi)），根據(jù)毫伏表或電位差計(jì)測(cè)出的熱電勢(shì)就可以進(jìn)行讀數(shù)。目前光電型輻照計(jì)一般使用硅光電二極管傳感器，也有使用標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池（Reference cells）作為輻照度傳感器件，它的原理是利用其短路電流與投射在電池片上的太陽(yáng)輻照度的線性關(guān)系來(lái)測(cè)定太陽(yáng)輻照度，分為電壓輸出型和電流輸出型兩種，對(duì)于電流輸出型，一般可在電路設(shè)計(jì)上增加小的負(fù)

7、載電阻，通過(guò)測(cè)量負(fù)載電阻之間的電壓來(lái)間接得到短路電流。圖4 熱電表（熱電堆型）2 圖5 光電型輻照計(jì)（晶硅電池片式）當(dāng)前我國(guó)的太陽(yáng)輻射觀測(cè)網(wǎng)所選用的總輻射表大部分都是熱電型，熱電型總輻射表的光譜范圍較寬，一般大致為太陽(yáng)全譜段的280nm至3000 nm（參考圖6，來(lái)源于荷蘭Kipp&Zonen公司），響應(yīng)時(shí)間一般小于60s，價(jià)格較高。而光電型總輻射表的光譜范圍大致為400nm至1100nm，響應(yīng)時(shí)間一般小于 10s，其光譜響應(yīng)范圍與太陽(yáng)能電池板的工作光譜范圍十分接近，且主要特點(diǎn)是其響應(yīng)時(shí)間快、價(jià)格低廉。因此光電表的光譜選擇性完全取決于其自身的光電感應(yīng)器件硅光電二極管（含標(biāo)準(zhǔn)電池），具有

8、一定的光譜選擇特性，而熱電表中的熱電堆，屬于中性寬帶感應(yīng)器件，并沒(méi)有明顯的光譜選擇性。圖6 光譜響應(yīng)曲線（藍(lán)色：太陽(yáng)輻射光譜 綠色：晶硅電池片的光譜響應(yīng) 紅色：熱電表的光譜響應(yīng)）表1為兩者的特點(diǎn)對(duì)比，其中溫度特性是環(huán)境溫度發(fā)生改變后，表的靈敏度所發(fā)生的變化。光電表一般都沒(méi)有溫度補(bǔ)償電路，因此需要在實(shí)際使用中確定光電表觀測(cè)數(shù)據(jù)的溫度系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。由于在測(cè)量過(guò)程中的溫度變化引入的測(cè)量偏差較大，熱電型則擁有質(zhì)量更高的玻璃罩，對(duì)溫度變化所做的溫度修正精度也更高。一般來(lái)說(shuō)，熱電型總輻射表主要用來(lái)測(cè)量水平面太陽(yáng)總輻射，也可用來(lái)測(cè)量入射到方陣斜面上的太陽(yáng)總輻射，因此在評(píng)價(jià)電站的PR能效比和EPI一般采用熱電

9、表來(lái)計(jì)量方陣斜面總輻射量（POA），而由于光電表的光譜響應(yīng)和電池的光譜響應(yīng)較為接近，所以光伏組件或方陣的實(shí)時(shí)輸出功率測(cè)試可使用光電表。但是電池片型光電表也存在一些問(wèn)題，如電池片的衰減特性、易受環(huán)境污染和溫度影響、余弦誤差和方向誤差偏高、校準(zhǔn)難度大、以及測(cè)量精度和電池片封裝玻璃的透射率都有關(guān)系等，特別是光電表的溫度修正、余弦誤差和方位誤差的測(cè)量和控制在校準(zhǔn)的時(shí)候需要注意的。表1 兩種輻射表的特點(diǎn)對(duì)比1.3 組件背板溫度采集組件背板溫度數(shù)據(jù)的采集操作有下面兩種，圖7為膠帶粘接式測(cè)試，其探頭分為金屬或者環(huán)氧樹脂探頭，圖8為吸盤式。一般情況下，若溫度數(shù)據(jù)的采集精度不夠，還需使用高精度IR熱成像儀進(jìn)行輔

10、助測(cè)試以確定實(shí)際的組件背板溫度，需要注意的一點(diǎn)是很多廠家將背板溫度當(dāng)成電池片的結(jié)溫，這是不正確的，根據(jù)美國(guó)Sandia實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)驗(yàn)值，一般地面電站上的晶硅電池片結(jié)溫在組件背板溫度值的基礎(chǔ)上再加上2-3?；蛘咭部梢愿鶕?jù)國(guó)標(biāo)GBT18210-2000 晶體硅光伏方陣IV特性的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量推薦的開路電壓法來(lái)推算結(jié)溫，但是其過(guò)程較為繁瑣，不適用于實(shí)際戶外操作。圖7 膠帶粘貼式測(cè)試（環(huán)氧樹脂探頭）圖8 吸盤式溫度傳感器探頭1.4 功率測(cè)試值的修正方法便攜式I-V曲線測(cè)試儀可以測(cè)試單片組件、組串和單臺(tái)匯流箱直流電路的I-V曲線。一般儀器自身也可以將實(shí)際自然光照條件下的實(shí)測(cè)功率數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)修正，即修正到標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試

11、條件（STC）下的峰值功率。測(cè)試儀修正的內(nèi)容為溫度和光強(qiáng)這兩項(xiàng)修正，并未考慮到實(shí)際組件的灰塵遮擋損失、組串匹配損失及儀器自身的測(cè)試精度，另外如果在匯流箱的輸入端進(jìn)行測(cè)量，方陣的各個(gè)組串到達(dá)匯流箱的線纜長(zhǎng)度不盡相同，也會(huì)存在電纜損耗，同樣影響對(duì)組件或方陣真實(shí)功率的判斷，因此還需要進(jìn)行第二次修正，將上述損耗補(bǔ)償?shù)綄?shí)際功率值當(dāng)中，具體參考如下幾點(diǎn)：1.灰塵遮蔽損失補(bǔ)償損失Ls需要根據(jù)電站所處的地理位置和自然環(huán)境，測(cè)試期間天氣狀況及組件表面積灰狀況，可在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試和計(jì)算，一般可以嘗試這兩種方法：在現(xiàn)場(chǎng)選取典型的兩塊組件進(jìn)行對(duì)比，一塊擦除掉表面灰塵，另一塊不做處理，可通過(guò)I-V測(cè)試功率，確定灰塵遮擋損

12、失。選擇兩個(gè)組串，一串不清洗，另一串清洗，一般組串電流和太陽(yáng)輻照可認(rèn)為是線性正比關(guān)系，對(duì)于組串式逆變器，可監(jiān)測(cè)組串的電流、實(shí)時(shí)輻照和環(huán)溫，將實(shí)時(shí)電流換算到STC下的電流進(jìn)行對(duì)比。對(duì)于集中式，可用過(guò)智能匯流箱監(jiān)測(cè)每一串的工作電流進(jìn)行分析。2.光伏電纜線損補(bǔ)償損失Lc4mm2光伏電纜電阻為4.375/km，假設(shè)取每一組串電纜平均長(zhǎng)度40米，工作電流值最大8A，可計(jì)算出每一組串線損為組串功率的0.28%左右，具體值還需要根據(jù)實(shí)際線纜長(zhǎng)度來(lái)計(jì)算。3.串聯(lián)失配損失Lm組串當(dāng)中各個(gè)組件實(shí)際工作電流不一致導(dǎo)致木桶效應(yīng)，一般經(jīng)驗(yàn)值可取1%。當(dāng)然實(shí)際值可對(duì)組串的每一塊組件進(jìn)行測(cè)試，獲取Im值的最小值，以此計(jì)算串

13、聯(lián)失配損失。4.測(cè)試儀器誤差Le對(duì)于I-V特性曲線測(cè)試儀，如產(chǎn)品供應(yīng)商給出的測(cè)試最大誤差范圍±5%，可根據(jù)實(shí)際情況取正偏差的1.5-2.5%。因此根據(jù)上述可簡(jiǎn)單得到功率修正公式：Px=Pc*（1000/G）/（1+（*（Tc-25）*（1-Ls）*（1-Lc）*（1-Lm）*（1-Le）（其中Px為修正功率，Pc為實(shí)測(cè)功率，G為方陣斜面實(shí)時(shí)輻照度，組件功率負(fù)溫度系數(shù)，Ls灰塵遮擋損失，Lc線損，Lm匹配損失，Le設(shè)備誤差損失）。二、熱斑問(wèn)題分析組件上的熱斑效應(yīng)，一般由外部原因和內(nèi)部原因兩類造成。常見的外部原因有：組件表面積灰嚴(yán)重且厚薄不均，鳥糞、污物、落葉、方陣組件前部的草木以及周邊

14、建筑物或電線桿等陰影遮擋，以及場(chǎng)地不平整、方陣東西設(shè)計(jì)間距不足造成的自陰影等，使得組件局部光照低于其他正常部位，被遮擋的電池或組件被置于反向偏置狀態(tài)，消耗其他電池的功率，而功率以熱能形式釋放，導(dǎo)致該電池片溫度較其他正常電池片的溫度高。外在因素導(dǎo)致的熱斑問(wèn)題在光伏電站中普遍存在，可在日常運(yùn)維工作中采取清洗等措施進(jìn)行消除。內(nèi)部原因和組件的生產(chǎn)制造工藝（特別是焊接和層壓）、電池片質(zhì)量（反向特性、邊緣漏電流過(guò)大）、接線盒中二極管的長(zhǎng)期可靠性、EVA和背板的耐高溫及阻燃能力等因素都有關(guān)系，內(nèi)部原因造成的熱斑由于是先天性不足，在電站的運(yùn)行期間將長(zhǎng)期存在，對(duì)電站的可靠性帶來(lái)嚴(yán)重安全隱患，任何一個(gè)熱斑點(diǎn)造成的

15、功率損耗將限制了組串的輸出功率。圖9-圖14列舉了西部地面電站的部分熱斑效應(yīng)案例，如圖9所示，組件有多個(gè)熱斑點(diǎn)且隨機(jī)分布：由于或者電池片本身的問(wèn)題，互聯(lián)條不清潔造成的污染和虛焊、隱裂、裂片或斷柵等原因造成。熱斑導(dǎo)致組件局部的高溫較高，有的甚至高達(dá)100以上，而其周邊溫度僅30多，尤其在我國(guó)西北地區(qū)，在夏日午后持續(xù)強(qiáng)烈光照和高溫環(huán)境下，組件局部溫度將持續(xù)升高，其結(jié)果可能導(dǎo)致玻璃爆裂，組件背板局部老化，嚴(yán)重的甚至?xí)鸹鹑紵D10為焊接不良問(wèn)題導(dǎo)致的熱斑灼傷，背板燒穿，原因源于組件工藝問(wèn)題。那么在焊接時(shí)，就要在工藝上嚴(yán)格控制起焊點(diǎn)，避免起焊點(diǎn)V型隱裂。在串焊接時(shí)，也同樣要控制起焊點(diǎn)，避免重壓及溫度

16、過(guò)高產(chǎn)生V型隱裂。圖12可能為組件生產(chǎn)時(shí)混入一串低效電池片導(dǎo)致。圖14為二極管發(fā)熱，可能為二極管的質(zhì)量問(wèn)題或者連接松動(dòng)。圖9 多個(gè)熱斑隨機(jī)分布圖圖10 焊接問(wèn)題導(dǎo)致的熱斑灼傷痕跡圖11 裂片造成熱斑效應(yīng)圖圖12 低效電池片的混用圖13 虛焊問(wèn)題引起的熱斑圖圖14 接線盒發(fā)熱三、PID組件快速檢測(cè)PID（Potential Induced Degradation電勢(shì)誘導(dǎo)衰減）是在高溫高濕環(huán)境中，因晶硅組件負(fù)極和邊框玻璃之間存在較高的負(fù)電壓而產(chǎn)生的電性能衰減現(xiàn)象，如果電站中發(fā)生了PID，一般各個(gè)組串都有可能發(fā)生，其衰減程度也不盡相同，但隨著時(shí)間的推移，輕微PID組件的衰減程度會(huì)逐漸增加，同時(shí)PID

17、組件由于內(nèi)部電池片的失配嚴(yán)重，因此將存在較大的熱斑隱患，對(duì)于PID衰減嚴(yán)重的組件可通過(guò)測(cè)試開路電壓進(jìn)行檢驗(yàn)，而輕微PID的組件還需要在低輻照下檢測(cè)，本部分列舉了在電站現(xiàn)場(chǎng)快速檢驗(yàn)PID組件的方法，以供業(yè)內(nèi)人士參考。3.1 測(cè)試方法（1）便攜式I-V測(cè)試法晶硅組件發(fā)生PID后，其I-V曲線形狀會(huì)出現(xiàn)異常，電性能參數(shù)表現(xiàn)為Rsh、填充因子和開路電壓Voc的降低。PID越嚴(yán)重，其曲線移動(dòng)的趨勢(shì)就如圖15箭頭所示。而對(duì)于輕微PID組件，其IV曲線的異常特征不太明顯，還需結(jié)合下面的方法（開路電壓法、EL）進(jìn)行綜合分析。圖15 單片電池片PID衰減后的I-V曲線（2）開路電壓（Voc）測(cè)試法由于PID組件

18、電性能參數(shù)有一個(gè)明顯特征，即并聯(lián)電阻值會(huì)下降很多，甚至低到個(gè)位數(shù)，正常組件的Rsh值一般在幾百兆歐以上。并聯(lián)電阻值的大小對(duì)組件的弱光效應(yīng)有較大的影響，如果Rsh值較低，在輻照度較高時(shí)，開路電壓值和正常組件差異會(huì)較小，所以難以辨別，而在低輻照度下，Rsh值較低的組件，開路電壓值會(huì)隨著輻照的降低而出現(xiàn)大幅下降。因此開路電壓法測(cè)試需要選擇低輻照時(shí)間，便于和正常組件進(jìn)行明顯區(qū)分。特別對(duì)于PID衰減不明顯的組件（功率衰減10%），通過(guò)I-V測(cè)試難以判斷的情況下，可以用該法進(jìn)行判斷。（3）便攜式EL測(cè)試法需要使用便攜式EL設(shè)備，PID組件在EL下的明顯特征為邊框四周電池片發(fā)黑（因電池PN結(jié)失效）。如下圖1

19、6所示，PID越嚴(yán)重，那么發(fā)黑的區(qū)域會(huì)增多，一般從邊框四周開始，逐漸蔓延到組件中間區(qū)域。圖16 左：功率衰減27% 中：功率衰減42% 右：功率衰減52%3.2 組串排查方法（1）在低輻照情況下（建議輻照度低于400W/m2），通過(guò)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)或現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，對(duì)每個(gè)匯流箱側(cè)的每一路的組串開路電壓進(jìn)行測(cè)試，查找低電壓組串。（2）對(duì)于低電壓組串，一般PID容易發(fā)生在組串的負(fù)極側(cè)，如20片一串的，要重點(diǎn)測(cè)試負(fù)極側(cè)第一片到第十片，并一直測(cè)試到出現(xiàn)正常組件為止。（3）根據(jù)I-V測(cè)試曲線或者開路電壓測(cè)試法判斷。3.3 需要注意的地方若存在非PID引起的低電壓組件，可能為其他原因造成，如旁路二極管失效、電池片失效等

20、，對(duì)于此類低電壓組件可利用PID組件的弱光效應(yīng)進(jìn)行測(cè)試排除。另外由于PID組件也會(huì)存在熱斑現(xiàn)象，使用紅外相機(jī)拍照雖然也是一種方法，但是很難和非PID造成的熱斑組件進(jìn)行區(qū)分。四、總結(jié)鑒于目前國(guó)內(nèi)電站質(zhì)量參差不齊，電站運(yùn)行一段時(shí)間后，業(yè)主也無(wú)法知曉實(shí)際的裝機(jī)容量以及衰減情況，因此為掌握電站組件的實(shí)際總功率，一般以匯流箱為一個(gè)單元逐個(gè)檢測(cè)，由于各個(gè)組串到匯流箱的距離不同，除光強(qiáng)和溫度修正外，還需要考慮方陣的匹配損失、線纜損耗、灰塵遮擋損耗、儀器測(cè)試誤差等因素并進(jìn)行補(bǔ)償，才能得到較為準(zhǔn)確的電站組件總功率，和組件標(biāo)稱峰值功率相比較，即可計(jì)算實(shí)際的衰減率。同時(shí)文中介紹了常用I-V測(cè)試儀的原理和特點(diǎn)，并介紹輻照采集、溫度采集、修正方法相關(guān)內(nèi)容。輻照采集目前主要是熱電型總輻射表和硅基光電二極管型光電表（包括使