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1、影响光伏组件发电的因素分析李世民何炜花亚萍刘琼甘肃自然能源研究所甘肃省，兰州市人民路20号 邮编730000电话：0931-8386006 Email: lishimingneri.org摘要：本文以在西北地区实际运行多年的单晶硅组件和非晶硅组件为例，讨 论光伏组件在长期使用过程中，光伏电池的物理化学性能、电化学性能和光学性 能等随着使用时间、强光辐射和野外恶劣气候等影响因素造成衰减的问题，通过 大量实际测试数据的比对和分析，归纳出了影响光伏组件的输出功率以及性能衰 减的变化规律。关键词：电池、光伏组件、寿命、衰减引言光伏组件的光伏发电性能会随着使用时间而降低，这是由于构成光伏组件的 光伏电池
2、的电性能与组件生产过程中使用的辅助封装材料的电化学和光学性能 等会被使用时间、强光辐射和野外恶劣气候等因素所影响，造成光伏组件的输出 功率和发电效率逐年下降。尽管我国从上世纪50年代就开始研究光伏发电技术， 但直到上世纪80年代初才真正投入规模化地面应用。由于种种原因，当初建设 并现存电站已寥寥无几，而且由于应用环境和测试条件有限，很难取得完整、详 细的实测数据。目前，人们对光伏组件的衰减情况大部分材料是在实验室模拟条 件下测得的，而对实地应用的光伏组件的衰减情况往往是比较模糊的。如果不能 充分估计光伏组件在实地的衰减情况和其他影响光伏组件发电的因素，会导致建 成的光伏电站发电不能达到预期的目
3、的。本论文对目前市场上的各种单晶硅和多晶硅电池组件进行检测分析，并对座 落于甘肃兰州郊外的太阳能采暖与降温试验示范基地10KW太阳能光伏电站进 行了长期研究。该电站是1984年日本政府、日本京瓷公司捐赠给我国甘肃省榆 中县园子乡的一座独立村级光伏供电站，后来被转移到该示范基地，是我国最早 的独立村级光伏发电系统，也是至今仍在运行的、运行时间最长的（27年）太 阳能光伏系统。通过多年对该电站的光伏组件进行追踪监测和维护、维修，取得 了一系列具有代表性的数据。1、影响光伏组件性能的内部因素分析1.1影响晶体硅电池发电性能的主要因素光衰减是光伏电池性能下降的主要原因之一，它是指组件内光伏电池暴晒于
4、阳光下产生的不可逆转的性能衰减。由于各地获得的日照光谱和强度不同，气候 条件差异很大，光伏组件的衰减也是有很大差异的。光伏组件长年工作在野外， 阳光暴晒，风吹雨淋，四季、白昼间温差变化很大等等恶劣工作环境对光伏发电 系统的长期稳定工作都提出了较高的要求，特别是会加速组件封装材料EVA等 的老化，导致光伏发电组件的发电效率衰减，输出功率下降。座落于甘肃兰州郊外的太阳能采暖与降温试验示范基地10KW太阳能光伏 电站的太阳电池组件采用36片单晶102x102绒面电池片封装，据生产厂家报道， 单体组件原标称输出功率45峰瓦。经过27年的使用，该电站光伏组件出现了电 池转换效率下降、玻璃表面结垢、EVA
5、变色、光伏电池效率下降、热斑、组件 内部焊带脱焊等一系列老化现象和故障。通过采用便携式户外IV曲线测试仪对 该电站其中的144块组件进行了检测，检测统计结果如表1所示。表1运行了 27年的10KW光伏电站组件检测统计表问题或故障数量（共144块）出现概率（）效率下降7-10%8257效率下降10-12%3524效率下降12%以上2719背板气泡12385.4组件内部焊带脱焊，接触不良1611.1组件内部焊带折断10.7严重热斑现象10.7玻璃表面结垢144100接线盒脱落10.69自然破损我们对国内很多太阳能光伏系统进行检测，发现了一系列影响光伏组件发电效率和寿命 的问题，基本上可以归纳为光伏
6、电池性能衰减、封装材料老化、透明度下降、组件内部电池 故障等原因。1.1.1光伏电池效率衰减光伏组件经过几十年的阳光暴晒，光伏电池会发生不同程度的性能蜕变，效率衰减。其 衰减速率差距也较大。但是由于光伏组件内的光伏电池被封闭在组件内，无法直接测试其性 能。只能对组件的综合性能进行测试。实际测试已经使用了 27年的光伏组件最大综合衰减 值约15%，平均衰减约9-10%。1.1.2封装辅助材料老化除了电池片自身性能衰减外，大部分光伏电池长期受阳光暴晒，电池表面有 轻微发黄、混浊等颜色变化，特别是靠近焊带和接线盒的区域变化尤为突出，如 图1所示。这些变化可能是在电池板封装前，电池片上助焊材料没能被彻
7、底清洗 干净，导致在阳光暴晒和高温环境中，这些材料逐步扩散到周边电池片表面或 EVA中所致。这是影响电池板效率下降的主要因素之一。1.1.3由于个别电池片与组件内其他电池片的性能差异较大等诸多因素，会产生热斑现象，天长日久的积累会加速该电池片的老化变质，造成恶性循环，最终导致 组件报废。图2是通过热成像仪器检测到的某大型光伏电站组件的热斑现象，从 图中可以看到该光伏组件其中一块电池的温度明显高于其他电池，在大部分电池 片温度只有25度左右的时候，该电池片的温度已达67度左右，显然该电池片工 作在不正常的状态，与该组件上的电池片工作不协调，久而久之，该片电池性能 会严重衰减，产生恶性循环，影响整
8、个组件甚至阵列的发电性能。图2出现在个别光伏组件内部的电池的热斑效应1.1.4气泡经过多年使用的太阳能组件，组件背板普遍有气泡现象。气泡会导致背板失去密封，甚 至透水或积水，破坏光伏组件的耐压电气性能。对于直流端电压比较高的系统，严重的气泡 会导致组件电池与铝边框短路打火，损坏组件甚至造成不可预料的后果和损失。1.1.5焊带脱焊或断裂昼夜温差大，电池组件内部链接经过多年热胀冷缩的微弱弯折运动，会对焊 带的链接产生影响和移位，造成断路或接触不良等电路故障，如图3所示。曾有 部分生产厂家的产品由于太阳电池片之间的间距设计不合理或焊带质量不良，最 终导致金属疲劳而折断而造成组件报废的情况。大部分内部
9、焊带脱焊断路故障经过维修都能修复，但修复对组件的密封性造 成的损伤也是永久性的。上述结果有共性的问题，也有个别特殊性的问题。并不代表市场上所有光伏 组件都具备相同的品质。无论如何，我国近30年的光伏地面实际应用经验和实 测数据，都表明一个质量较好的光伏组件在其 25年周期的效率衰减一般在 10-15% 左右。1.2影响非晶硅电池发电性能的主要因素与多晶硅太阳能电池相比，非晶硅光伏电池以生产过程污染小、成本低、温 度系数小、弱光效应好等一系列优点成为目前光伏市场上倍受青睐的新星，占有 一席之地。通过一系列实验对晶体硅光伏组件与非晶硅光伏组件的性能进行分 析，我们可以掌握它们的特点，更好的应用于发
10、电领域。非晶硅电池有良好的弱光发电特性，据试验测定，同等标称功率的晶硅电池 和非晶硅电池，在太阳辐射低于150W/的条件下，非晶硅电池的输出功率要比 晶硅电池大515%。值得说明的是，此时的光伏电池的总发电量也就只有标称 功率的1015%，因此作为发电站用的非晶硅电池此时的实际发电贡献是比较微 弱的甚至是没有意义的。但该性能在诸如电子计算器、手表等经常工作在弱光条 件下的消费产品上就凸现了它的极大优越性。非晶硅电池的一个致命弱点是效率光衰减，特别是第一年的光衰减（实验室 测试衰减约11-14%左右）。实际试验将两块同一厂家、同时生产、性能接近的非 晶硅光伏组件分别放置于室内和暴晒于室外阳光下，
11、一年后的分别再对该两块组 件进行测试，其试验结果表明：放置于室内的组件其输出性能随时间改变几乎没 什么变化，而暴晒于阳光下的组件其输出性能却发生了巨大的变化。实际测试大 部分晶体硅和非晶硅光伏电池效率光衰减曲线如图4所示图4晶体硅和非晶硅光伏电池效率光衰减曲线一般而言，目前市场上的非晶硅太阳电池组件的性能一般须经过约100 150天的强阳光暴晒，其剧烈的光衰减性能才能达到基本稳定，一年后可以基本 达到相对稳定的工作状态。为此，大部分生产厂家都会为客户提供足够的宽裕量， 以保证用户的实际利益和产品的质量。2、影响光伏组件发电的外部因素分析光伏组件长工作于野外的恶劣环境中会加速组件封装材料EVA等
12、的老化和 光伏电池的光衰减，导致光伏发电组件的发电效率衰减，输出功率下降，对光伏 发电系统的长期稳定工作造成重大影响。但是诸如温度，粉尘沉积等环境因素还 会直接影响光伏组件的发电效率。2.1温度对光伏发电效率的影响尽管大多数人们对光伏电池的负温特性有所了解，但实际上在很多电站的工 程设计上光伏电池的温度影响因素被低估了。图5为在不同太阳辐射强度下，光 伏电池温度的变化规律。由图可以看出，太阳辐射对光伏组件的发电效率影响是很大的，太阳辐射越 强，板温就越高，温度对输出的影响就越大。因此，温度对光伏输出效能的影响 必须根据太阳辐射强度的加权计算，一般而言，由于温度对光伏组件的发电效率 的最大影响值
13、约1014%，日平均影响约占710%左右。2.2玻璃外表面积垢和粉尘对光伏发电的影响由于光伏电池板长期处于野外恶劣气候条件下，沉积在玻璃表面的尘土一般 无法及时清扫，特别是我国西部干旱少雨，沙尘天气较多，大量的沙尘沉积在光 伏组件表面大大阻挡和削弱了太阳光的穿透，粉尘吸收太阳能后还会导致光伏组 件表面温度升高进一步加剧光伏组件发电的效能的下降。据测量，在我国西部地 区冬季，一个月沉积的沙尘若不及时清扫会导致光伏组件的发电量降低30%以 上。部分含石灰岩的沙土遇到下雨还会被雨水溶化并再次附着并沉积在玻璃表面 上，成年累月逐渐在玻璃外表面形成了一层类似水垢的薄膜物质，一般较难擦除。 大大影响了玻璃
14、的透光性能，导致太阳电池组件发电效率下降。图6、图7显示了沙尘结垢后的光伏组件。图6光伏组件盖板上的粉尘遇小雨后的痕迹图7玻璃外表面的结垢现象3、温度对晶体硅光伏组件与非晶硅光伏组件影响的对比晶硅电池的温度系数一般为-0.4-0.45%/C，非晶硅电池的温度系数也有 -0.19-0.21%/C，是晶体硅太阳能电池的一半。不要轻视了这一点点温度系数， 太阳能电池在环境温度为25度、太阳辐射为1000W/m2左右的在阳光的照射下， 其板温会升高到50-60C左右。晶体硅太阳电池组件在中午强阳光下的发电损失 将超过10%以上，如图8所示。而非晶硅电池将展现它的优越性，特别是在高温地区工作，其优点就越
15、发突 出。如果不考虑非晶硅电池的衰减问题，同等标称功率的稳定的非晶硅电池组件 每年平均发电量要比晶体硅高810%左右。图8温度对晶体硅光伏组件与非晶硅光伏组件的光伏发电效率的影响4、结论：(1) 光伏组件长期处于野外恶劣气候条件下，这将导致光伏电池自身光衰 减、封装材料老化、EVA变色、气泡、热斑、组件内部焊带脱焊等，从而造成 光伏电池转换效率下降；其中光伏电池的光衰减、封装材料老化是造成光伏电池 转换效率下降的主要原因。(2) 对比晶体硅光伏组件与非晶硅光伏组件可知，非晶硅光伏组件的效率光 衰减高于晶体硅光伏组件，非晶硅光伏组件一年曝晒后光衰减率约为12-15%， 其后相对比较稳定，相同条件
16、下晶体硅光伏组件衰减率小于5%。但是非晶硅光 伏组件的温度系数优于晶体硅光伏组件，这使得在同等标称功率的稳定的非晶硅 电池组件每年平均发电量要比晶体硅高810%左右。(3) 光伏组件工作的恶劣环境是影响光伏发电的另一个重要原因。强紫外 线，四季、白昼间温差变化会加速光伏电池的老化和影响光伏组件的寿命。外表 面积垢和粉尘也会导致光伏组件性能的严重下降从而影响发电效率，导致输出功 率下降。5、参考文献：1 太阳能实用工程技术化学工业出版社，2001年2月2 “运行了 23年的光伏组件性能检测分析”李世民；喜文华；何伟。节 电技术与绿色能源杂志2006年5月3 沈辉，曾祖勤，太阳能光伏发电技术，北京化学工业出版社，2005 - 79-804 王长贵，王斯成，太阳能光伏发电实用技术化学工业出版社，2009年10 月。
