綜合序列加速老化測試|組件壽命評估的關(guān)鍵工具

組件是太陽能發(fā)電系統(tǒng)的核心組成部分，其性能穩(wěn)定性對系統(tǒng)的長期運行至關(guān)重要。在可靠性測試項目中，IEC61215和IEC61730系列標(biāo)準(zhǔn)是在測試內(nèi)容和測試方法方面均最重要的依據(jù)，而常規(guī)可靠性測試是只針對組件基本性能進行的合格性測試，測試無法持續(xù)很長時間，導(dǎo)致測試結(jié)果可能表現(xiàn)出一定程度的不充分性，因此近來，組件綜合序列加速老化測試受到越來越多的關(guān)注。本期美能光伏將對綜合序列加速老化測試及相應(yīng)解決方案進行討論。

常規(guī)可靠測試??????

IEC61215和IEC61730中的高加速壽命試驗和高加速老化篩選測試并不能良好地反映出長期戶外環(huán)境對光伏組件性能老化衰減的影響，主要原因為：1) 時間或循環(huán)次數(shù)過少；2) 只考慮單一環(huán)境因素。

1)時間或循環(huán)次數(shù)過少

大部分組件都可以順利通過1000h的DH測試，但要想通過DH測試判別光伏組件的實際耐久性，測試時間至少要達到3000h(超過4個月)。如果組件在沙漠地區(qū)運行25年，其背面接收到的總紫外(UV)輻照量約為275kWh/m2，這一數(shù)值遠超IEC61730系列標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的對光伏組件進行UV老化測試時的UV輻照量(60kWh/m2)。組件的失效率隨時間的增加呈現(xiàn)出“浴盆曲線(bathtub curve)”的變化趨勢，可分為早期失效期、偶然故障期和耗損失效期3個階段，如圖1所示。高加速壽命和老化篩選測試只能反映早期失效期問題，因此相對更長時間的加速老化測試能反映出光伏組件在整個使用壽命中可能出現(xiàn)的失效問題。

圖1.浴盆曲線和試驗范圍

2)只考慮單一環(huán)境因素

IEC61215和IEC61730系列標(biāo)準(zhǔn)要求的濕熱、濕凍、熱循環(huán)、UV老化等試驗中，每一項測試均在獨立的試驗環(huán)境下進行，而組件在戶外實際運行過程中需要承受溫度、濕度、UV輻照等共同作用。有研究表明1000 h濕熱試驗與多晶硅光伏組件戶外的性能衰減之間沒有相關(guān)性，即濕熱試驗與室外光伏組件的性能衰減關(guān)系不大，因此常規(guī)的加速老化測試的加速程度是有限的。

綜合序列加速老化測試

IEC TR 63279—2020中規(guī)定：要求對光伏組件進行75次熱循環(huán)(TC)測試且需在溫度極值處保持1 h，組件未發(fā)生脫層的情況。然而，如果其他條件不變，在溫度保持在75 ℃的1 h內(nèi)，對組件施加一定量的UV輻照(在波長300～400 nm范圍內(nèi)光的輻照度為180 W/m2)，在75次TC測試后，太陽電池和乙烯-乙酸乙烯共聚物(EVA)之間沿著匯流條發(fā)生了脫層，且在120次TC測試后脫層現(xiàn)象變得顯著。因此，綜合序列老化測試與單一環(huán)境因素的可靠性測試存在本質(zhì)區(qū)別。P型PERC單晶硅太陽電池(未封裝成光伏組件)進行UV輻照量為199.8 kWh/m2的UV老化測試(UV輻照度為600 W/m2)前、后，該太陽電池在400～1100 nm波長范圍下對應(yīng)的內(nèi)量子效率及反射率的變化，結(jié)果如圖2所示。

圖2. UV輻照量為199.8 kWh/m2的UV老化測試前、后的IQE和反射率曲線

相較于測試前，經(jīng)過UV老化測試處理后p型PERC單晶硅太陽電池在450～1000nm波長范圍內(nèi)的IQE呈下降趨勢，反射率也有明顯的下降，原因主要在于UV輻照改變了太陽電池表面材料的物理和化學(xué)特性，即氮化硅(SiNx)減反射膜中的部分Si—H鍵被氧化為Si—O鍵或Si—O—H鍵，增強了SiNx膜的減反射能力。

在較高的UV輻照度下，UV條件對電性能的有利性會更為明顯。隨著UV輻照量的上升，經(jīng)UV輻照處理后p型PERC單晶硅太陽電池的開路電壓Voc、短路電流Isc、填充因子FF和光電轉(zhuǎn)換效率η的衰減情況。以未經(jīng)過UV輻照處理的p型PERC單晶硅太陽電池的電性能為基礎(chǔ)，當(dāng)UV輻照度分別為600/2000W/m2時，經(jīng)UV輻照處理后p型PERC單晶硅太陽電池的電性能衰減情況統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1. 不同UV條件處理后p型PERC單晶硅太陽電池的電性能衰減情況統(tǒng)計結(jié)果

為了確保加速老化測試結(jié)果與光伏組件現(xiàn)場運行情況一致，用合適的方法確定老化測試條件非常重要。通過建立數(shù)學(xué)模型，得到組件在3種不同氣候條件下運行25年時所對應(yīng)的DH測試(測試箱溫度為85 ℃、RH為85%)，熱帶氣候下的DH測試時間為9545 h，沙漠氣候下的DH測試時間為5530 h，高山氣候下的DH測試時間為2060 h。這也反映出IEC標(biāo)準(zhǔn)中的測試條件可能無法滿足實際運行需求。

美能熱循環(huán)試驗箱??????

美能熱循環(huán)環(huán)境模擬試驗，可以驗證評估組件或材料的可靠性，并通過熱疲勞誘導(dǎo)失效模式，早期識別制造缺陷。

滿足標(biāo)準(zhǔn)：IEC61215-MQT11（熱循環(huán)試驗）；IEC61730-MST51（溫度循環(huán)試驗）

?升降溫速率：-40℃←→+85℃，線性3.3℃/min（升降溫速率0~3.3℃/min可調(diào)）

?平均耗電量：≤100 KW·h（TC200單個循環(huán)耗電量）

?可靠性：不停機連續(xù)無故障運行時間不低于4個月

美能濕熱環(huán)境試驗箱

滿足標(biāo)準(zhǔn):IEC61215-MQT13；IEC61730-MST53

?在85℃和85%RH的狀態(tài)下持續(xù)運行1000個小時以上需要超高的穩(wěn)定性，無論在制造工藝上還是電子設(shè)備可靠性上都十分優(yōu)質(zhì)。

?內(nèi)置循環(huán)風(fēng)道以及長軸通風(fēng)機，進行有效的熱交換，環(huán)境箱內(nèi)部溫度均勻穩(wěn)定

?采用進口溫度控制器，實現(xiàn)多段溫度編程，精度高，可靠性好

?可以在持續(xù)的高溫高濕環(huán)境下運行，也可依據(jù)工程人員的計劃進行高低溫交互試驗

?搭配潛在電勢誘導(dǎo)衰減測試儀，可更直觀觀測組件的性能

美能熱循環(huán)試驗箱、濕熱環(huán)境試驗箱搭配潛在電勢誘導(dǎo)衰減測試儀使用：

長期泄漏電流會造成電池片載流子及耗盡層狀態(tài)發(fā)生變化、電路中的接觸電阻受到腐蝕、封裝材料受到電化學(xué)腐蝕等問題，從而導(dǎo)致電池片功率衰減、串聯(lián)電阻增大、透光率降低、脫層等影響組件長期發(fā)電量及壽命的現(xiàn)象。

綜合序列加速老化測試通常會考慮到光照強度、溫度變化、濕度、風(fēng)速等多種因素，并將這些因素結(jié)合起來，模擬出組件在復(fù)雜環(huán)境下的工作狀態(tài)。將組件持續(xù)暴露于這些條件下，可以觀察其性能參數(shù)的變化情況，如功率輸出、電流、電壓等，并分析其衰減規(guī)律。來自美能光伏的熱循環(huán)試驗箱、濕熱環(huán)境試驗箱、潛在電勢誘導(dǎo)衰減測試儀，為太陽能發(fā)電系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性提供重要參考，推動光伏技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。