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紀振雙:深度探究組件最大功率過快衰減的致因及防控措施

日期:2019-10-12    來源:光伏頭條(微信號:PV-2005)

能源資訊中心

2019
10/12
08:36

關鍵詞: 光伏組件 光伏電站 組件功率

  運營期內,組件最大功率的保證程度是業內最關心的問題,也是光伏電站能否取得預期收益的基礎。下圖為根據鑒衡對幾百種不同型號投用組件的監測結果,對組件最大功率保證程度的總體分析和判斷。
  總體看:
  1) 已投運電站中組件最大功率的總體保證程度還不夠理想,相當比例的組件存在功率過快衰減的風險。
  2) 在制造端,提效降本仍是熱點,以最大功率保證能力為核心的可靠性研究還未得到應有的重視。
  3) 應用端還未建立起以可靠性為核心的技術研究體系,特別在組件最大功率衰減與其內在質量及運行環境的關聯關系、失效模式的研究方面。
  組件是電氣設備,各種原因導致的出力減損均可通過電學參數的變化做出解釋。本文試圖通過組件輸出特性(含計算參數)的變化探究組件最大功率過快衰減的致因及防控措施,以利于電站建設單位更為準確地確定組件的選型和驗證標準,包括運營過程的管控。
  圖1為典型的組件IV曲線。運營期內,圖中所示的電學參數,包括開路電壓(Voc)、短路電流(Isc)、運行電壓(Vmp)、運行電流(Imp),都會隨著時間推移按沿箭頭所示方向變化,填充因子(FF)和組件最大功率(Pmp)也會隨之變化。
  圖2為組件等效電路示意圖。基于圖2所示電路,本文導入名義串聯電阻(NRs)和名義并聯電阻(NRsh)兩個指標,公式1)、公式2)分別為兩個指標的計算方法。
  NRs=(Voc-Vmp)/IMP…………公式1)
  NRsh=Voc/(Isc-Imp)…………公式2)
  需要說明的是:
  a) 實際電路要復雜得多,圖中標示的串聯電阻(Rs)和并聯電阻(Rsh)不同于常規意義上的電阻。實際的電路中導致壓降的因素很多,如電池、漿料、導體的內阻及電路連接的接觸電阻,標示的串阻實為各類阻抗的組合;分流因素也很多,如電池內部或表面雜質、PN結不良、電池或組件局部連通導致的分流,標示的并聯電阻實為各類分流因素的組合。
  b) 基于數據的可獲得性,復雜問題簡單化,采用公式1)和公式2)給出的簡易方法計算電路的串、并聯電阻,計算結果與實際情況存在偏差,但具有同向性。
  一、運行期內組件電學參數隨時間的變化
  為考查組件投運初期輸出特性的變化特點,從3個電站各選取20塊同型號組件,在組件安裝前及投運6~8個月后,由同一實驗室進行IV對比測試。圖3為根據樣本組件的測試結果,對運行初期組件輸出特性變化的對比分析。圖中,M1、M2、M3分別代表3個不同型號的組件,Voc、Isc、Vmp、Imp、 FF 、Pmp的增減幅度為20塊樣本組件測試結果均值的對比。
  從結果看,投運初期,Voc、Vmp、 FF變化不大,Isc、Imp降幅較大,且與Pmp降幅接近,特別是Isc,說明組件投運初期的功率衰減主要由短路和運行電流的變化所致。導致短路電流下降的原因很多,例如電池少子壽命和陷光效應降低,玻璃和EVA透光率下降,需要具體問題具體分析。
  為考查組件投運一段時間后輸出特性隨時間的變化,在5款不同型號的組件中各選擇4塊組件,在投運一年及2年后,由同一實驗室進行輸出特性變化情況的對比測試。圖4為根據樣本組件的測試結果,對運行后不同時段組件輸出特性的對比分析。圖中,M1、M2、M3、M4、M5分別代表5個不同型號的組件,Voc、Isc、Vmp、Imp、 FF 、NRsh、NRs、Pmp的增減幅度為4塊樣本組件測試結果均值的對比。
  從結果看,Voc、Vmp、Isc、Imp、 FF 、NRsh、NRs均發生不同程度的變化,其中,降幅最大的是名義并聯電阻,意味著隨時間的推移,電池或組件的漏電流在增加。需要說明的是:
  a) NRsh、NRs為計算參數,理論上講,并聯電阻越大越好,串聯電阻越小越好。
  b) 數據上看,并聯電阻的下降主是由于組件Voc下降及IV曲線的水平臂變斜所致;另外,表觀看,相隔一年后,組件的名義串聯電阻降低,與常識相悖,并非實際情況,主要是由于IV曲線的水平擘變斜、最大功率跟蹤點下移所致。
  二、組件最大功率過快衰減的致因及防控措施
  如前所述,組件的電學特性都會隨投運時間的推移發生變化。對運行一段時間的組件,綜合反應在名義并聯電阻的降低或串聯電阻的提高上。
  為考察組件串、并聯電阻的變化情況,從已投用3年的2種型號組件中,各選擇10塊組件進行STC條件下的對比測試。圖5、圖6為根據IV測試結果,名義并聯和串聯電阻計算結果對比。
  從圖中可以看出,B款組件的并聯電阻和串聯電阻分別高或低于A款組件,且相對穩定。從電站實際發電量對比看,使用B款組件的方陣。發電量明顯高于使用A款組件的方陣。

  保持較高且相對一致的并聯電阻以及較低且相對一致的串聯電阻是一款高可靠性組件的應有特質。
  如前所述,隨時間推移,并聯電阻的降低為組件最大功率衰減的首要原因,意味著防止特殊原因導致的并聯電阻異常變化為防控重點。
  為探究組件并聯電阻異常變化的原因,從4個電站中各選取同型號的3塊組件作為一個樣本組,合計4個樣本組進行IV和EL對比測試。圖7為名義并聯電阻計算結果均值指數對比(注:均值指數指單塊組件名義電阻與同組名義電阻均值的比值),圖8為各組并聯電阻較低組件的EL圖片。
  從圖中可以看出,并聯電阻明顯低于正常水平的組件,均存在明顯的缺陷。


 
  需要說明的是:目前某些被業界認為影響較大的缺陷,實際的影響不一定大,而某些容易忽略的缺陷,也可能是組件最大功率過快衰減的主因。
  三、結語
  組件交付的同時,提供最大功率保證已是行業慣例,但在實際工作中,一是存在測不準、測不了的問題;二是對組件最大功率衰減的機理、過快衰減的原因缺少系統研究,難于從預防的角度,制定更為系統、完整的可用于制程控制和質量檢測方面的標準。標準缺少、檢測手段滯后也是導致行業在可靠性方面研究的主動性不夠的主因之一。
  現實情況下,從應用角度,可將基于電學參數實測及模型分析結果作為判斷組件最大功率衰減程度及趨勢預測的輔助手段。另外,從以往的測試數據和分析結果看,需要特別注意以下兩點:
  1) 存在內在缺陷是導致組件最大功率過快衰減的主因,應將控制組件的缺陷水平作為防止功率過快衰減的首要措施。另外,從經濟性考慮,需要加強各類缺陷及其變化與電學參數關聯關系及對最大功率影響程度的研究,該加嚴的加嚴,該放松的放松。
  2) 近幾年,為提高效率,制造端可謂無所不用其極,組件微觀結構越來越復雜,工藝環節也在增多。邏輯上講,結構和工藝越復雜,可靠性風險越高,需要制造端實施更為精細和嚴格的控制。從已有的數據看,個別類型高效組件的最大功率存在前高后低的情況,電學特性也不夠穩定、一致性也較差,需要引起重視。
 
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