微信客服
微信公众号
关键词：全球组合气候；环境耐久性；光伏组件
一． 概况
太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有长久巨大、相对安全、清洁无害、资源的充足性及潜在的经济性等优点，在长期的能源战略中具有重要地位。对太阳能的利用大致可以分为光热转换和光电转换两种方式，其中，光电转换是近些年来发展最快，也是最具经济潜力的能源开发领域。
太阳能光伏组件是一种暴露在太阳光下便会产生直流电的发电装置，因此只要有太阳光的地方都可利用太阳能光伏组件发电供给其它用电器。然而，地球上的太阳光具有能量密度低的特点：到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大，但是能量密度很低，要生产一定数量的电能，光伏发电所需要的占地面积与其它能源相比较大。地球上的太阳光还有不稳定性的特点：由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、 云、雨等随机因素的影响，到达某一地面的太阳辐射强度既是间断的又是极不稳定的。所以，这给太阳能的大规模应用增加了难度。为了提高经济性，大规模光伏发电系统的选址都定在太阳能资源丰富的地区，如中国西北部的戈壁荒漠地区，其它地区光伏发电只是作为一种能源补充，如城市中大型建筑上的太阳能光伏屋顶。
不难看出太阳能光伏组件有这样的工作特点：
1．在户外各种气候条件下运行：安装工作在地球上一切太阳能可以利用的地方。环境使用条件可能十分恶劣，且事先难以确定。
2．在安装地点固定运行：安装朝向使光伏组件在一年中所接收到的太阳辐射量最大；在安装地点经历春夏秋冬各种气候。
3．运行形式为间歇式工作制：正常运行时，太阳能光伏组件白昼发电，夜晚间歇。
4．光伏组件使用寿命与户外暴露时间相等。
为了适应太阳能光伏组件的工作特点，并满足其使用的经济性要求，在行业中形成了对太阳能光伏组件的如下基本技术要求：
1、能够提供足够的机械强度，使太阳能光伏组件能经受运输、安装和使用过程中发生的冲击、震动等产生的机械应力，能够经受住冰雹的冲击力；
2、具有良好的密封性，能够防风、防水、隔绝大气条件下对太阳能电池片的腐蚀；
3、具有良好的电绝缘性能；
4、抗紫外线能力强；
5、工作电压和输出功率按不同的要求设计，可以提供多种接线方式，满足不同的电压、电流和功率输出要求；
6、因太阳能电池片串、并联组合引起的发电效率损失小；
7、太阳能电池片连接可靠； 8、工作寿命长，要求太阳能光伏组件在自然条件下能够使用二十年以上。
二． 太阳能光伏组件耐久性试验的必要性
不论规模大小，太阳能光伏发电系统的经济效益除了取决于政府的金融信贷和鼓励措施之外，最主要地还是取决于系统在制造厂商保证的使用年限内，可靠地工作，按额定功率输出电量。如果在保修期内（十年内）太阳能光伏组件失效或损伤，或者需要保修之外的维修或服务，或者当发电效率降低到不可接受的程度，太阳能光伏发电系统就会给用户造成经济损失。
目前，大多数太阳能光伏组件生产厂家商都将产品的使用年限规定为二十到二十五年，有的甚至定为三十年。在规定的使用年限里，太阳能光伏组件使用十年后发电效率不能低于90%，使用二十年后发电效率不能低于80%。
但太阳能光伏业界真正需要面临的问题是：现行的太阳能光伏组件设计技术和生产制造技术仅有十几年积累，大规模的太阳能光伏组件在户外使用经验也不过十几年的时间，如何保证它们在二十年或更长的时间里的质量？有什么工具可以预测其使用寿命，并对这样的预测有信心？太阳能光伏组件的生产商、投资者及用户都非常关心这些问题的答案。
任何一种物品，无论是天然的，还是人工制造的，在使用过程中都会产生各类形式的失效，各种性能（外观、使用、安全等）随着使用时间的延长会逐渐下降，太阳能光伏组件也不例外。
太阳能光伏组件老化失效现象的出现可能是其设计存在缺陷，原材料的问题，或者是生产装配过程出现的问题所致，也可能是组件户外使用过程中环境应力直接导致的或者受环境应力影响而诱发产生的。实际上，很多失效和性能下降是由于太阳能光伏组件长期暴露在严酷环境下产生的细微变化逐渐累积的结果，这就是通常所说的老化。一方面，太阳能光伏组件很多老化失效发生在相对较长的户外暴露过程中，一般都不是单一环境因素所致，而是环境因素，尤其是太阳辐射，温湿度及盐雾等的组合作用和重复作用的结果，是环境应力短期（天）和长期（季节）循环作用的结果。另一方面，在户外暴露过程中，各种太阳能光伏组件老化失效模式可能是同时存在，也可能是按顺序先后存在，最终的老化失效是这些老化失效模式累积叠加的结果。
被业内广泛采用的试验标准IEC61215、 IEC61646、IEC61730和UL1703等都属于短期的加速试验，目的是发现太阳能光伏组件早期的失效故障，鉴定产品的基本质量，包括安全质量。
这些试验很少涉及长期暴露之后产品的质量。 IEC61215等试验标准关于环境方面的内容有以下不足（试验参数来自IEC标准）：
1.没有任何单独的组件样品经历一整套的环境试验。
2.试验参数（温度，湿度等）比实际气候更加极端，不能代表所有的实际的气候。
3.除了短期的户外暴露试验外，没有试验是在全光谱太阳辐射下开展的。
4.所使用的气候环境试验箱不能像自然气候条件下,那样将太阳照射、温度湿度结合起来。
5.试验周期短，循环计数低（200个热循环或1000小时的湿热试验只用6个星期开展）。
6.在试验暴露期内，光伏组件一般不在运行状态。
值得一提的是即使延长试验时间或增加试验周期，这些试验只对发现一些潜在的失效老化模式有用，但无法模拟各种气候条件下的环境应力的组合，不能用作太阳能光伏组件耐久性试验。这些问题的产生大部分是由于试验方法不正确；缺少合适的足够大的气候环境试验箱，用以放置全尺寸光伏组件；所使用的样品是没有代表性的小型组件样品。
美国国家可再生能源实验室的卡尔.奥斯特伍德和汤姆.马克麦哈农曾发表过一份详细的自1975年以来关于太阳能光伏组件试验的回顾报告，其中也论及IEC标准所规定的试验和其它相关试验及其发展。他们分析了这些太阳能光伏组件试验方法的适用性和局限性,认识到改进方法的必要性，尤其在长期的耐久性试验领域内研发新的试验方法的必要性。
三．光伏组件耐久性试验
由于太阳能光伏组件发电的重要性，以及业内缺少有效的太阳能光伏组件耐久性加速环境试验方法，进入2000年以后，Atlas公司利用其九十多年环境气候试验方面的经验和并总结其二十五年以上在光伏和太阳能材料气候试验领域的研究成果，开发了光伏组件耐久性试验。该试验用于太阳能光伏组件产生实际场地的失效老化，估计太阳能光伏组件的服役寿命。在该试验里要发现的是因长期户外暴露而导致的失效老化以及相应的环境应力。
图1所示为光伏组件耐久性试验的标准流程。
在标准的光伏组件耐久性试验里，至少需要三组样品：一组置于干热环境试验场(美国-凤凰城或中国—吐鲁番)的太阳跟踪试验架上，一组置于湿热环境试验场(美国—迈阿密或中国—琼海)的太阳跟踪试验架上，第三组则需完全经历一个标准的光伏组件耐久性试验流程。
在标准的光伏组件耐久性试验里，无论何时在自然太阳光下或户内太阳模拟光下，所有的三组样品都在最大功率点的电阻负载下运行。在这种情况下太阳能光伏组件所受到的应力容易导致离子迁移，热斑，旁路二极管失效等。
图1 光伏组件耐久性试验标准流程
在户外太阳跟踪试验架上，组件样品经历了两种典型环境气候条件（干热、湿热）下的自然加速暴露试验，经受了如太阳光、温湿气氛、雨、风和沙尘等因素的自然作用。
在标准的光伏组件耐久性试验里，第三组样品被称做实验室样品，它的试验多数是在试验室人工环境试验箱里完成的。试验流程在时间顺序上是这样安排的：
最初十周要完成UV紫外光暴露试验、盐雾试验和冷凝试验。 UV紫外光暴露试验用于为样品提供基本的UV辐射量以激发样品开始老化进程，特别是样品中的聚合物材料和其它对UV敏感的材料。盐雾试验用于样品中的电接头、逆变器以及结构件等的耐腐蚀性检测。冷凝试验首先是要考核样品抗水汽进入光伏组件、接线盒、电插头等的能力，另一作用是去除盐雾试验过后样品上的盐残留物。
在完成UV紫外光暴露试验、盐雾试验和冷凝试验后，第三组样品要进入其试验流程中的核心阶段——模拟太阳光气候环境试验循环阶段：
模拟太阳光气候环境试验在综合环境试验箱完成。综合环境试验箱能实现全光谱太阳辐射，实现箱内气氛的温湿度控制。试验循环所需要的条件参数来自太阳能光伏组件所可能服役的三种主要气候的边界条件。实践表明，随着运行时间的增加，太阳能光伏组件对环境应力的自然循环逐渐敏感。模拟太阳光气候环境试验不仅模拟在自然条件下，短期（一天或数天）的环境应力变化或环境应力循环，而且模拟在自然条件下，长期（夏季、冬季）的环境应力变化或环境应力。全光谱太阳辐射能提供更实际的热应力；太阳负荷也能激发样品的光老化过程，在使样品生产电流的同时，也使样品经受电方面的应力作用。
模拟太阳光气候环境试验的另外一个重要方面是循环速度快。这种快速循环可以使样品受到持续不断的热—机械应力作用，并获得较高的试验加速因子。整个模拟太阳光气候环境试验循环阶段在一百天内完成。第三组样品接下来的试验是在户外进行：在最炎热的季节里，第三组样品置于亚利桑那Atlas暴露场的太阳跟踪试验架上完成规定天数（在每年的五月一日到九月三十日之间）的暴露试验，用于检验第三组样品对实际极端干热气候的适应性。
在标准的光伏组件耐久性试验里，第三组样品最后要进行一个扩展户外暴露试验：第三组样品置于亚利桑那Atlas暴露场的太阳跟踪试验架上完成一个暴露试验，其时间为一年当中剩余的时间。扩展户外暴露试验的目的在于使第三组样品接受尽可能多的太阳辐射量，经受更多的自然环境应力的作用。
四．光伏组件耐久性试验与IEC标准中产品质量环境试验的主要区别
前面已经指出IEC标准中产品质量环境试验的目的是发现太阳能光伏组件早期的失效故障，而光伏组件耐久性试验的目的是关注太阳能光伏组件在使用期内所经受的长期的气候环境的影响，以便提供重要的太阳能光伏组件长期性能变化的数据和预估服役寿命的数据。光伏组件耐久性试验没有复制或替换IEC标准中产品质量环境试验，但补充回答了这个问题：太阳能光伏组件产品能在户外工作多久？ 通过相应的比较可以清楚地看到IEC标准中产品质量环境试验和光伏组件耐久性
试验的主要区别（表1）
表1 IEC标准中产品质量环境试验和光伏组件耐久性试验对比
五．核心概念：全球组合气候
太阳能光伏组件的最终服役环境是多种多样(图2)，安装在任何一种的服役环境下使用，随着时间的推移，太阳能光伏组件的电性能等都会逐渐下降或出现失效。只不过由于气候环境的类型不同，环境严酷度有强弱之分，太阳能光伏组件的电性能等逐渐下降速度或快或慢，出现失效的时间有长有短，失效的类型有所不同。经验表明：像其它工业产品一样，对于太阳能光伏组件而言，有些服役环境的环境严酷度比其它地方更高，处于该环境条件下试验样品的性能变化更快，失效速度更快，失效形式更多。能够使太阳能光伏组件性能发生变化或失效的动因是其受到了环境应力的作用。如果太阳能光伏组件能够在各种环境因素严酷度最强的气候环境条件下可靠地运行一定的时间，则在其它相对较弱的气候环境条件下也应能可靠地运行同样的或更长的时间。出于这样的思想ATLAS提出了“全球组合气候”的概念。
图2 工业产品自然服役环境条件分类(GBT 4797.1-2005)
长期暴露试验的数据资料表明：在太阳能光伏组件服役环境中有三种环境的危害性最大：热带干热沙漠气候、热带/亚热带湿热气候和温带冷冻气候。ATLAS根据这三种典型气候环境所能出现的最严酷的气候环境条件，结合太阳能光伏组件的运行实际，设计了所谓的组合气候，作为即将在全球使用的太阳能光伏组件的标准试验环境，进而产生了光伏组件耐久性试验。太阳光伏组件在光伏板组件耐久性试验中所历经的主要气候就是“全球组合气候”。
六．光伏组件耐久性试验的相关性和加速性
光伏板组件耐久性试验是一种加速寿命试验方法。对加速寿命试验方法的基本要求是：第一，在没有改变机理的情况下，能复制一特殊的老化或失效模式（相关性要求）；第二，产生这一结果的时间比真实时间要短（加速性要求）。
加速寿命试验方法的基本实验原理是：用一较高水平上的环境应力（环境应力的水平状态可能是单值的、阶梯的或循环的），在比实际环境里短的时间内得到试验结果，然后外推试验数据，以获得产品在实际环境应力水平及实际时间里的性能变化和寿命。
在实践中，如何选择环境应力类型、施加方式以及应力水平是进行加速寿命试验的关键。例如，对于循环环境应力，试验的加速性取决于环境应力的大小和变化速率。这两者在设计试验以及考虑试验的加速性时尤为重要。
对于简单的、单一的环境应力，诱发老化的机理相对直接，能呈现原因——效应的相关性，这通常是机械磨损时所遇到的情况。对于气候环境老化这种多环境应力相互作用的多因素机理的复杂类型，计算加速因子是十分困难的。传统的加速寿命试验方法需要一个失效模型，对产生失效的应力须充分的理解。应事实求是指出，对于太阳能光伏组件而言以多种形式老化或失效，引起这些老化或失效的机理及应力间的相互影响，到目前为止，还没有被充分地揭示。通常，多种老化机理按时间依顺序起作用或同时起作用。对于太阳能光伏组件，一些老化现象对其电性能的影响特别大，如串联电阻的增加、热斑等，他们都是由于多种因素造成的。一方面要考虑太阳能光伏组件各种老化或失效机理，又要结合太阳能光伏组件的最终使用环境的各种可能性，这使得模拟加速试验工作十分困难。
这可以用以下事实予以说明：用现行的IEC标准中产品质量环境试验不能预测太阳能光伏组件的长期使用的老化性能。在现行的标准体系内难以进行太阳能光伏组件的耐久性试验。
光伏组件耐久性试验是一种先进的用于检验太阳光伏组件的耐久性气候加速老化试验方法。光伏组件耐久性试验中单一加速试验的加速性，也就是试验的加速因子容易受到太阳能光伏组件的设计、制造方法、老化机理和其它许多因素的影响。关于试验模型以及试验材料与现实世界行为的相关性，则需要用真实时间长期暴露试验的数据予以证明的。对于太阳光伏组件的性能和老化失效模型，相关性和加速性都是特别的。对于指定的太阳光伏组件设计，若没有长期的户外暴露数据作证明，其加速因子和试验的相关性将不能被预测。在许多情况下，需要了解老化失效机理，要用到活化能，而实际中，对应的活化能通常不是现成的。但是，活化能对于老化失效模型以及外推从加速试验中获得的数据则是必须的。
在光伏组件耐久性试验中的人工模拟试验中的主要是模拟主要气候的环境应力，如在气候加速老化试验箱每一试验循环的所能产生的环境应力至少等于2～5天户外常见的老化或失效模型所对应的环境应力，而这些户外常见的老化或失效模型是已经被证实过的。这基于许多模型工具，如Arrhenius化学热反应公式、Coffin-Manson疲劳公式、Paris 疲劳裂纹公式等（见表2）。考虑到实际环境中的其它可能遇到的气候，在光伏组件耐久性试验中附加了另外的加速试验。整个光伏组件耐久性试验过程所能产生的环境应力总量将超过10年户外真实时间的累积。
表2 太阳能光伏组件主要失效老化模式
七．结束语
光伏组件耐久性试验已经开始为太阳能光伏组件制造厂商服务。具体试验表明：太阳能光伏组件耐久性综合试验在失效模型、长期老化、发电效率等方面上能提供有价值的信息。在试验中所观察到失效模式和长期老化现象，在太阳能光伏组件过往的现场实际的长期运行中也被发现。光伏组件耐久性试验不仅是目前最全面的、可行的、易于理解的太阳能光伏组件耐久性试验方法，对其它户外产品的耐久性试验也有借鉴的意义。
参考文献 [1] Allen F. Zielnik ,David P. Dumbleton Atlas 25+ White Paper, Atlas 25+® (2012), 22 June, 2012 [2] C.Osterwald, T.McMahon, “History of Accelerated and Qualification Testing of Terrestrial Photovoltaic Modules: A Literature Review”, Progress in Photovoltaics: Research and Applications 2009; 17:11-33, Wiley InterScience, ©2008.
作者简介：
江鲁（1959—），男，高级工程师，长期从事环境试验技术方面的研究工作。
冯江涛（1979—），男，工学博士，研究方向为光伏组件耐久性及寿命预测。
0 条