综合序列加速老化测试|组件寿命评估的关键工具

组件是太阳能发电系统的核心组成部分，其性能稳定性对系统的长期运行至关重要。在可靠性测试项目中，IEC61215和IEC61730系列标准是在测试内容和测试方法方面均最重要的依据，而常规可靠性测试是只针对组件基本性能进行的合格性测试，测试无法持续很长时间，导致测试结果可能表现出一定程度的不充分性，因此近来，组件综合序列加速老化测试受到越来越多的关注。本期美能光伏将对综合序列加速老化测试及相应解决方案进行讨论。

 

常规可靠测试‍‍‍‍‍‍

IEC61215和IEC61730中的高加速寿命试验和高加速老化筛选测试并不能良好地反映出长期户外环境对光伏组件性能老化衰减的影响，主要原因为：1) 时间或循环次数过少；2) 只考虑单一环境因素。

 

 

1)时间或循环次数过少

 

 

大部分组件都可以顺利通过1000h的DH测试，但要想通过DH测试判别光伏组件的实际耐久性，测试时间至少要达到3000h(超过4个月)。如果组件在沙漠地区运行25年，其背面接收到的总紫外(UV)辐照量约为275 kWh/m2，这一数值远超IEC61730系列标准中规定的对光伏组件进行UV老化测试时的UV辐照量(60 kWh/m2)。组件的失效率随时间的增加呈现出“浴盆曲线(bathtub curve)”的变化趋势，可分为早期失效期、偶然故障期和耗损失效期3个阶段，如图1所示。高加速寿命和老化筛选测试只能反映早期失效期问题，因此相对更长时间的加速老化测试能反映出光伏组件在整个使用寿命中可能出现的失效问题。

图1. 浴盆曲线和试验范围

 

 

2)只考虑单一环境因素

 

IEC61215和IEC61730系列标准要求的湿热、湿冻、热循环、UV老化等试验中，每一项测试均在独立的试验环境下进行，而组件在户外实际运行过程中需要承受温度、湿度、UV辐照等共同作用。有研究表明1000 h湿热试验与多晶硅光伏组件户外的性能衰减之间没有相关性，即湿热试验与室外光伏组件的性能衰减关系不大，因此常规的加速老化测试的加速程度是有限的。

 

 

综合序列加速老化测试

 

 

IEC TR 63279—2020中规定：要求对光伏组件进行75次热循环(TC)测试且需在温度极值处保持1 h，组件未发生脱层的情况。然而，如果其他条件不变，在温度保持在75 ℃的1 h内，对组件施加一定量的UV辐照(在波长300～400 nm范围内光的辐照度为180 W/m2)，在75次TC测试后，太阳电池和乙烯-乙酸乙烯共聚物(EVA)之间沿着汇流条发生了脱层，且在120次TC测试后脱层现象变得显著。因此，综合序列老化测试与单一环境因素的可靠性测试存在本质区别。P型PERC单晶硅太阳电池(未封装成光伏组件)进行UV辐照量为199.8 kWh/m2的UV老化测试(UV辐照度为600 W/m2)前、后，该太阳电池在400～1100 nm波长范围下对应的内量子效率及反射率的变化，结果如图2所示。

图2. UV辐照量为199.8 kWh/m2的UV老化测试前、后的IQE和反射率曲线

 

 

相较于测试前，经过UV老化测试处理后p型PERC单晶硅太阳电池在450～1000nm波长范围内的IQE呈下降趋势，反射率也有明显的下降，原因主要在于UV辐照改变了太阳电池表面材料的物理和化学特性，即氮化硅(SiNx)减反射膜中的部分Si—H键被氧化为Si—O键或Si—O—H键，增强了SiNx膜的减反射能力。

 

 

在较高的UV辐照度下，UV条件对电性能的有利性会更为明显。随着UV辐照量的上升，经UV辐照处理后p型PERC单晶硅太阳电池的开路电压Voc、短路电流Isc、填充因子FF和光电转换效率η的衰减情况。以未经过UV辐照处理的p型PERC单晶硅太阳电池的电性能为基础，当UV辐照度分别为600/2000W/m2时，经UV辐照处理后p型PERC单晶硅太阳电池的电性能衰减情况统计结果如表1所示。

 

表1. 不同UV条件处理后p型PERC单晶硅太阳电池的电性能衰减情况统计结果

 

 为了确保加速老化测试结果与光伏组件现场运行情况一致，用合适的方法确定老化测试条件非常重要。通过建立数学模型，得到组件在3种不同气候条件下运行25年时所对应的DH测试(测试箱温度为85 ℃、RH为85%)，热带气候下的DH测试时间为9545 h，沙漠气候下的DH测试时间为5530 h，高山气候下的DH测试时间为2060 h。这也反映出IEC标准中的测试条件可能无法满足实际运行需求。

美能热循环试验箱‍‍‍‍‍‍

 

美能热循环环境模拟试验，可以验证评估组件或材料的可靠性，并通过热疲劳诱导失效模式，早期识别制造缺陷。

 

 

满足标准：IEC61215-MQT11（热循环试验）； IEC61730-MST51（温度循环试验）

 

•升降温速率：-40℃←→+85℃，线性3.3℃/min（升降温速率0~3.3℃/min可调）

 

•平均耗电量：≤100 KW·h（TC200单个循环耗电量）

 

•可靠性：不停机连续无故障运行时间不低于4个月

 

美能湿热环境试验箱

满足标准:IEC61215-MQT13；IEC61730-MST53

 

•在85℃和85%RH的状态下持续运行1000个小时以上需要超高的稳定性，无论在制造工艺上还是电子设备可靠性上都十分优质。

 

•内置循环风道以及长轴通风机，进行有效的热交换，环境箱内部温度均匀稳定

 

•采用进口温度控制器，实现多段温度编程，精度高，可靠性好

 

•可以在持续的高温高湿环境下运行，也可依据工程人员的计划进行高低温交互试验

 

•搭配潜在电势诱导衰减测试仪，可更直观观测组件的性能

 

 

美能热循环试验箱、湿热环境试验箱搭配潜在电势诱导衰减测试仪使用：

长期泄漏电流会造成电池片载流子及耗尽层状态发生变化、电路中的接触电阻受到腐蚀、封装材料受到电化学腐蚀等问题，从而导致电池片功率衰减、串联电阻增大、透光率降低、脱层等影响组件长期发电量及寿命的现象。

综合序列加速老化测试通常会考虑到光照强度、温度变化、湿度、风速等多种因素，并将这些因素结合起来，模拟出组件在复杂环境下的工作状态。将组件持续暴露于这些条件下，可以观察其性能参数的变化情况，如功率输出、电流、电压等，并分析其衰减规律。来自美能光伏的热循环试验箱、湿热环境试验箱、潜在电势诱导衰减测试仪，为太阳能发电系统的可靠性和稳定性提供重要参考，推动光伏技术的发展和应用。