光伏组件可靠性评估的研究现状与思考_中科检测

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光伏组件可靠性评估的研究现状与思考

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2021-12-09
来源：中科检测

　　光伏组件作为光伏发电系统的核心部分，其可靠性评估显得极为重要。从光伏组件结构入手，分析组件可靠性影响因素，并从基于历史数据可靠性评估、基于加速试验可靠性评估和基于加速退化试验可靠性评估三个方面。

　　讨论光伏组件可靠性评估方法的特点，结合目前评估方法中存在的问题，指出对EVA-Si-TPT'型光伏组件宜采用基于历史数据的可靠性评估方法，而对其他类型的更新速度较快，使用寿命长的光伏组件，结合光伏组件失效机理宜采用基于加速试验的可靠性评估方法；若运用加速试验在到达应力极限值时仍未能获得足够的失效数据，则应考虑采用加速退化试验。

　　光伏组件作为光伏发电系统的核心部分，其可靠性直接关系到光伏系统性能，因此光伏组件投入使用的预期寿命受到普遍关注。随着光伏产品使用寿命不断增加，如何在短时间内进行光伏组件可靠性评估已成为目前的热门研究课题。

　　本文将重点对可用于光伏组件可靠性评估的传统方法、加速试验方法进行评述，分析组件可靠性评估特点，指出光伏组件可靠性评估方法存在的问题以及可能的解决办法。

　　根据所用光电转换材料的不同，光伏组件可分为晶体硅、非晶硅两类"。考虑到目前晶体硅光伏组件发电量占光伏总发电量80%以上，本文以晶体硅光伏组件为例展开讨论。典型晶体硅光伏组件结构，它包含电池片、乙烯和醋酸乙烯酯共聚物EVA、背板、钢化玻璃、铝框、连接线和接线盒等主要部件。

　　其中，电池片的功能是将光能转换成电能；EVA材料(充满于钢化玻璃、电池片和背板间)用于粘接、密封和保护电池片；背板、铝框等起到防腐蚀、固定作用；钢化玻璃具有透光、隔离与抗压作用。

　　研究表明，影响光伏组件可靠性的因素有电池片破裂、连接线断裂、EVA 脱粘与黄变、钢化玻璃破裂、铝框变形、背板脱粘以及接线盒失效等35]。若将EVA、背板和铝框归到封装材料类，连接线、焊接带归到内部电路中，则光伏组件主要影响因素来自内部电路(占49%)、封装材料(占41%)和电池片(占10% )三方面。

　　光伏组件可靠性评估方法

　　国内外对光伏组件的可靠性试验与评估研究随着光伏组件的应用不断深入发展的。

　　桑迪亚国家实验室的 McMahon 等人，基于对光伏组件30年寿命预测可信度研究，认为实际应用环境中应力较为复杂，采用单应力预测试验结果不可靠；

　　英国BP Solar公司的 Wohlgemuth等人，通过分析长期暴露的光伏组件的失效数据，得到整个组件退化率；美国国家可再生能源实验室的Jorgensen等人，在研究加速应力环境下光伏组件各界面的粘合性能后认为， Si-EVA界面的粘性受外界应力影响较大，对光伏组件可靠性有重要影响；美国国家可再生能源实验室的 Smith等人分析光伏组件退化电参数变化，从电流、电压角度研究光伏组件可靠性退化规律。

　　国内对光伏组件可靠性试验研究处于起步阶段，研究主要侧重于从组成部件方面分析外界环境对光伏组件寿命的影响。研究者对不同组成的EVA胶膜进行1000h的紫外光老化试验后指出，紫外光强度对光伏组件有着重要影响；研究者从化学机理出发，认为EVA在紫外线、高温和潮湿环境中会发生Norrish Typel和 Norrish Type lI化学反应，导致组件透光率下降，影响组件整体的可靠性；

　　阿特斯测试中心的张增明等人应用FT-IR法分析了温度和湿度对EVA水解反应的影响，并简要分析了EVA水解机理；研究者利用傅里叶变换衰减全反射红外光谱仪，对光伏背板耐湿热老化性能进行测试分析表明，湿热环境下背板的可靠性下降较为明显。根据评估原理不同，现有光伏组件可靠性评估方法主要有基于历史数据、基于加速试验和基于加速退化试验等三类可靠性评估方法。

　　1、基于历史数据的可靠性评估方法

　　基于历史数据的可靠性评估方法是指在分析光伏组件退化失效数据的基础上，结合组件的退化机理，得到组件可靠性特征的一种可靠性试验方法。基于历史数据的光伏组件可靠性评估方法侧重于从统计学规律出发评估光伏组件的可靠性，若是进行光伏组件可靠性试验与需要预测的光伏组件类型相同、应用环境相似，则模型准确度较高。但由于可靠性试验数据来源于特定环境、特定对象，模型应用范围较窄，需经过修正才能应用。

　　2、基于加速试验的可靠性评估方法

　　基于加速试验的可靠性评估方法即在超出正常应力水平的加速应力环境下获得组件退化失效数据，再进行推算，得到组件正常环境可靠性特征的一种试验方法。将基于加速试验的可靠性评估方法用于光伏组件上已取得进展，但试验以EVA、背板和电池片等部件为主，研究则集中在紫外线﹑温度等单应力方面，难以与组件实际的综合应力工作环境相匹配，组件整体的可靠性评估理论研究有待加强。

　　3、基于加速退化试验的可靠性评估方法

　　加速退化试验，即运用加大应力的方法加速产品的退化，记录其退化数据，并用退化数据推得产品寿命的试验方法。与加速试验相同，加速退化试验以不改变产品失效机理为前提来确定产品的可靠性特征，但它无需失效数据，只需在产品不失效情况下获得足够的退化数据，再利用退化数据推算出产品失效数据，可用于高可靠、长寿命的产品，如光伏组件可靠性评估。

　　研究者运用加速退化试验对太阳电池进行研究时，获得了有意义的数据。研究者还试图利用设计装置对有机光伏组件的寿命进行预测，并用现场退化数据验证加速退化试验的准确性。加速退化试验作为加速试验的优化、补充，为高可靠、长寿命产品(如光伏组件等)提供了一种可靠性评估方法，但其在系统级产品、小样本分析等方面仍存在问题。

　　对光伏组件可靠性评估方法的思考

　　基于历史数据的可靠性评估方法和基于加速试验的可靠性评估方法各有特点，目前都还有不完善之处，在实际使用中应加以灵活应用、综合应用，或引入诸如加速退化试验方法。

　　1)如果可靠性的评估对象结构为寿命长且更新速度相对较慢的EVA-Si-TPT型光伏组件，且试验对象类型与预测对象相同，在这种情况下，如果某特定环境的历史数据充足，则宜采用基于历史数据的可靠性评估方法；但如果封装材料或电池片等某部分材料发生变化，导致评估组件历史数据量较少时，难以使用此方法评估组件寿命。

　　这时可结合产品的失效机理建立产品的失效模型，或者利用产品性能退化数据推得其寿命特征，即结合加速试验进行可靠性评估。

　　2)如果可靠性评估对象为其他类型的更新速度较快、失效时间长或新出现的光伏组件，由于缺少必要的可靠性数据，基于历史数据的可靠性评估方法不适用，此时建议结合光伏组件的失效机理，采用基于加速试验的可靠性评估方法，必要时还可以与旧型光伏组件加速试验结果进行对比，以评估试验结果的准确程度。

　　3)基于加速试验的可靠性评估方法存在着最大极限应力的限制，超过极限应力时组件失效机理会发生改变。如果运用加速试验在到达应力极限值时，仍未能获得足够的失效数据，则应考虑采用基于加速退化试验的可靠性评估方法，运用试验获得退化数据，推出组件的失效数据，评估其寿命特征。

　　但是，如何对加速退化试验进行设计，优化以适用于光伏组件可靠性评估，仍需要进一步深入研究。

　　以上就是关于光伏组件可靠性评估的研究分享与讲解，希望对大家有所帮助。中科检测不仅有开展光伏组件可靠性试验的服务，还有提供洁净度检测、毒理检测、盐雾试验等服务。拥有60年技术积累与管理经验的中科检测的分析技术已帮助众多世界五百强企业解析了诸多未知的疑问，从而帮助他们快速找到改进和提高的方向。

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