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導致組件功率衰減的罪魁禍首是誰?
發布時間:2019-10-29      點擊次數:477

 摘要:結合在組件生產和電站質量管理中遇到的問題,對組件材料老化衰減及組件初始光致衰減原因進行了分析和實驗測試,提出相應對策。結果表明:組件材料老化功率衰減主要是EVA和背板老化黃變引起,組件初始功率衰減主要由于硅片內硼、氧元素復合引起,提出的對策具有可行性。

 

0.引言

 

光伏組件是太陽能發電的關鍵元件,光伏組件功率衰減是指隨著光照時間的增加,組件輸出功率不斷呈下降趨勢的現象[1]。組件功率衰減直接關系到組件的發電效率。國內組件的功率衰減與國外最好的組件相比,仍存在一定差距,因此研究組件功率衰減非常有必要。組件功率衰減包括組件初始光致衰減、組件材料老化衰減及外界環境或破壞性因素導致的組件功率衰減[2]。外界環境導致功率衰減主要由光伏電站運營不當造成,可通過加強光伏電站的維護進行改善或避免;破壞性因素導致的組件功率衰減是由于組件明顯的質量問題所致,在組件生產和電站安裝過程對質量進行嚴格檢驗把控,可減少此類功率衰減的現象。本文主要研究組件初始光致衰減及材料老化衰減。

 

1.組件初始光致衰減分析

 

1.1組件初始光致衰減原理分析

 

組件初始光致衰減(LID)是指光伏組件在剛開始使用的幾天其輸出功率發生大幅下降,之后趨于穩定的現象。普遍認為的衰減機理為硼氧復合導致,即由p(摻硼)晶體硅片制作而成的光伏組件經過光照,其硅片中的硼、氧產生復合體,從而降低了其少子壽命。在光照或注入電流條件下,硅片中摻入的硼、氧越多,則生成復合體越多,少子壽命越低,組件功率衰減幅度就越大[3]。

 

1.2組件初始光致衰減的實驗分析

 

本研究采用對比實驗的辦法,在背板、EVA、玻璃和封裝工藝等條件完全一致情況下,采用兩組電池片(一組經初始光照,另一組未經初始光照),分別將其編號為III。同時,生產出的所有組件經質量全檢及電致發光(EL)檢測,確保質量完全正常。實驗過程條件確保完全一致,采用同一臺太陽能模擬儀測量光伏組件I-V曲線。

 

分別取III光伏組件各3組進行試驗,記錄其在STC狀態下的功率輸出值。隨后,將III光伏組件放置于輻照總量為60kWh/m2(根據IEC61215的室外暴曬試驗要求)的同一地點進行暴曬試驗,分別記錄其功率,結果見表1。

表1.jpg

 

由表1可知,I組光伏組件整體功率衰減明顯較II組低。因此,可推測光伏組件的初始光致衰減主要取決于電池的初始光致衰減。在光伏組件封裝前對其電池片進行初始光照,則組件功率衰減會顯著減弱。

 

1.3組件初始功率衰減與I-V曲線不良的關系研究

 

隨機選取一塊質量正常組件,組件內所有電池的衰減基本一致,對其進行功率測試,I-V曲線平滑曲線如圖1所示。

圖1.jpg

 

由圖1可知,盡管輸出功率下降,但I-V曲線平滑、無臺階,其紅外圖像類似正常組件,即無熱斑出現。

 

取光伏組件中任一電池片無初始光照衰減,即組件內電池的衰減不一致,對其進行功率測試,I-V曲線如圖2所示。

圖2.jpg

 

 

由圖2I-V曲線出現臺階可看出,組件內部整體輸出功率下降的同時,未經初始光照衰減的電池片造成光伏組件整體電流降低、輸出功率減小。

 

通過實驗說明,如果光伏組件內部電池片衰減不一致,導致組件內部串聯的電池片產生電流失配,由此I-V曲線出現臺階。在組件生產的質量檢驗過程中,對組件I-V曲線出現臺階的問題組件進行統計研究,也進一步驗證了組件的初始光致功率衰減是導致I-V曲線異常的內在原因。

 

1.4組件初始光致衰減的驗證

 

為確保組件功率質量,在組件制造過程中,隨機對抽取組件進行太陽下暴曬,暴曬至組件功率基本穩定為止,檢測其初始光致衰減值,測試數據見表2。

表2.jpg

 

由表2可知,光伏組件初始都有光致衰減現象,但不同批次功率衰減幅度差異較大,1%3.7%都有,因此改善初始光致衰減現象顯得非常必要。

 

通過以上分析可知,組件初始光衰幅度主要取決于電池光致衰減,電池光致衰減則由硅片的硼、氧含量等決定。要消除由于組件初始功率衰減導致的問題,可利用硅片分選機來控制硅片質量,確保硅片內部的硼、氧元素含量處于正常范圍,從而保障電池片的轉換效率;同時在組件封裝前,對電池片進行功率分檔,保證電池片功率匹配,從而改善組件的初始光致功率衰減問題。

 

2材料老化導致功率衰減分析

 

光伏組件封裝結構圖如圖3所示,組件的主要材料包括電池片、玻璃、EVA、背板等[1]。由圖3可知,光伏組件材料老化衰減主要可從電池片功率衰減及封裝材料的性能退化兩方面分析,而影響這兩方面因素的主要原因是紫外線照射及濕熱老化環境,而玻璃對紫外線和濕熱環境的性能變化較小[4],因此組件功率的老化衰減研究主要可圍繞EVA和背板兩種材料的老化開展。圖4為某電站運營后材料老化的外觀圖。

圖3.jpg

圖4.jpg

 

 

2.1EVA老化對光伏組件功率衰減影響

 

把組件分為A、B、C、F8064組,分別采用4個不同廠家的EVA材料,電池片、玻璃、背板、焊帶、邊框等材料及生產工藝設備都一致,制作每塊組件的同時還制作一個陪樣,用于測試組件EVA材料的黃變指數。生產出的組件經過EL檢測和I-V曲線的測試,確定質量合格,把4組組件和陪樣同時放入環境試驗箱進行濕熱老化,測試條件為溫度85℃、濕度85%。每隔一段時間測試其組件功率及陪樣EVA的黃變指數,共測試1000h后把組件取出,其組件測試數據如圖5所示,對應陪樣EVA的黃變指數如圖6所示。

圖5圖6.jpg

 

由圖5和圖6可看出,不同品牌的EVA耐濕熱老化性能差異很大,其中F806EVA黃變小,耐老化性能明顯比其他EVA強,做成的組件功率衰減少。這個實驗結果與組件老化功率衰減結果相符合,說明EVA黃變是組件材料老化導致功率衰減的一個重要原因。

 

為了深入對此質量問題進行分析,結合類似的EVA黃變現象,本文選取某研究所光伏電站的組件進行調查研究,發現該光伏電站的組件也部分存在EVA黃變現象,如圖7所示。

 

圖7.jpg

 

在該電站上分別選取一塊EVA黃變組件和一塊EVA未黃變組件,分別測試其功率,數據見表3。

                                      

表3.jpg

由表3可知,EVA未黃變組件在電站運營過程中只衰減了2.23%,而EVA黃變組件的功率衰減了5.7%,因此進一步驗證了EVA黃變是造成組件功率衰減的一個重要原因。

 

2.2背板老化對光伏組件功率衰減影響

 

把組件分為A、B兩組,分別采用兩個不同廠家的背板材料(A組背板為雙面含氟背板,B組為不含氟的背板),電池片、玻璃、背板、焊帶、邊框等材料及生產工藝設備都一致,制作每塊組件的同時還制作一個陪樣,用于測試背板的耐紫外黃變指數。生產出的組件經過EL檢測和I-V曲線的測試,確定質量合格,實驗前記錄兩組光伏組件及陪樣組件在STC狀態下的功率輸出值。按照IEC61215-2005的實驗要求,將兩組光伏組件放于紫外試驗箱中,溫度控制在規定范圍內(60±5),組件受波長為280385nm范圍的紫外輻射(15kWh/m2),其中波長為280320nm的紫外輻照不少于5kWh/m2[1]。用太陽能測試儀測試組件的功率,結果見表4;同時測試陪樣背板及樣品紫外老化后的黃變指數,結果如圖8所示。

表4.jpg

圖8.jpg

 

從表4和圖8可知,A組光伏組件背板雙面含氟(黃變指數為2.2),具有較強耐紫外功能,因此其功率衰減較??;而B組光伏組件背板不含氟,有黃變現象(黃變指數為67.4),功率衰減明顯。2.3材料老化功率衰減現場跟蹤測試分析本文對某研究所光伏電站進行跟蹤測試分析,選取一塊質量正常的組件定期進行功率測試,其功率衰減數據見表5。

表5.jpg

圖9.jpg

各時間段該組件的EL圖片如圖9所示,EL圖片顯示組件內部完好,未發生隱裂等質量問題,每次測試時清除表面的臟污和灰塵,排除外界條件對組件功率的影響。測試結果說明組件功率衰減是由于自身材料老化原因所造成,衰減的比例與功率質保規定的質保統一標準接近。

 

從實驗測試結果和具體電站中組件分析可看出,EVA和背板材料的老化、黃變是導致組件功率老化衰減的主要原因,采用高質量的EVA和背板能有效減少組件的功率老化衰減。

 

3結論

 

本文重點對組件初始功率衰減和材料老化功率衰減兩種現象進行分析研究,同時對某研究所電站進行現場跟蹤測試分析,得出以下結論:

 

1)光伏組件的初始光致衰減主要是由于電池片的初始光致衰減不同所致。不同批次硅片的硼氧含量不同,導致電池片的初始光致衰減不同。因此利用硅片分選機控制硅片質量,從而保證電池片的初始光致衰減是解決光伏組件初始光致衰減的有效方法。

 

2)光伏組件的材料老化衰減主要取決于光伏組件封裝過程中EVA和背板質量,使用濕熱老化功能較強和耐紫外的背板和EVA材料,能較大程度保證光伏組件質量。

 

參考文獻

[1]馬志恒.太陽能電池組件功率衰減分析[J].中國高新技術企業,2012,(17):3233.

[2]林存超.光伏組件質量問題分析及安裝質量控制[J].中國科技信息,2015,(2):204205.

[3]張光春,陳如龍,溫建軍,等.P型摻硼單晶硅太陽電池和組件早期光致衰減問題的研究[A].第十屆中國太陽能光伏會議論文集[C],常州,2008.

[4]吳翠姑,于波,韓帥,等.多晶硅光伏組件功率衰減的原因分析以及優化措施[J].電氣技術,2009,(8):113114.

 

黃盛娟1,2 唐榮2 唐立軍1

(1. 長沙理工大學物理與電子科學學院;2. 湖南紅太陽新能源科技有限公司)

 


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