摘要：太陽能光伏組件發(fā)電對于世界能源的重要性是不言而喻的。雖然業(yè)內(nèi)已經(jīng)充分地認識到耐久性是影響太陽能光伏組件發(fā)電經(jīng)濟性的最重要的方面，但過去一直沒有一個可用于評價太陽能光伏組件耐久性的試驗方法。Atlas利用其在多年環(huán)境氣候試驗方面的經(jīng)驗，并總結(jié)其二十五年以上在光伏和太陽能材料氣候試驗領(lǐng)域的研究成果，開發(fā)了Atlas 25+太陽能光伏組件耐久性綜合試驗（文中簡稱光伏組件耐久性試驗）。該方法提出了“全球組合氣候”的概念，面向太陽能光伏組件主要的老化失效模型，兼顧典型氣候的短期和長期對失效老化的影響，綜合了人工環(huán)境試驗與自然環(huán)境試驗的優(yōu)點。本文對光伏組件耐久性試驗作一介紹，希望對從事材料和產(chǎn)品耐久性試驗和壽命預估的研究人員有所啟發(fā)和幫助。

關(guān)鍵詞：全球組合氣候；環(huán)境耐久性；光伏組件

一． 概況

太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源，具有長久巨大、相對安全、清潔無害、資源的充足性及潛在的經(jīng)濟性等優(yōu)點，在長期的能源戰(zhàn)略中具有重要地位。對太陽能的利用大致可以分為光熱轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換兩種方式，其中，光電轉(zhuǎn)換是近些年來發(fā)展最快，也是最具經(jīng)濟潛力的能源開發(fā)領(lǐng)域。

太陽能光伏組件是一種暴露在太陽光下便會產(chǎn)生直流電的發(fā)電裝置，因此只要有太陽光的地方都可利用太陽能光伏組件發(fā)電供給其它用電器。然而，地球上的太陽光具有能量密度低的特點：到達地球表面的太陽輻射的總量盡管很大，但是能量密度很低，要生產(chǎn)一定數(shù)量的電能，光伏發(fā)電所需要的占地面積與其它能源相比較大。地球上的太陽光還有不穩(wěn)定性的特點：由于受到晝夜、季節(jié)、地理緯度和海拔高度等自然條件的限制以及晴、陰、 云、雨等隨機因素的影響，到達某一地面的太陽輻射強度既是間斷的又是極不穩(wěn)定的。所以，這給太陽能的大規(guī)模應用增加了難度。為了提高經(jīng)濟性，大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)的選址都定在太陽能資源豐富的地區(qū)，如中國西北部的戈壁荒漠地區(qū)，其它地區(qū)光伏發(fā)電只是作為一種能源補充，如城市中大型建筑上的太陽能光伏屋頂。

不難看出太陽能光伏組件有這樣的工作特點：

1．在戶外各種氣候條件下運行：安裝工作在地球上一切太陽能可以利用的地方。環(huán)境使用條件可能十分惡劣，且事先難以確定。

2．在安裝地點固定運行：安裝朝向使光伏組件在一年中所接收到的太陽輻射量最大；在安裝地點經(jīng)歷春夏秋冬各種氣候。

3．運行形式為間歇式工作制：正常運行時，太陽能光伏組件白晝發(fā)電，夜晚間歇。

4．光伏組件使用壽命與戶外暴露時間相等。

為了適應太陽能光伏組件的工作特點，并滿足其使用的經(jīng)濟性要求，在行業(yè)中形成了對太陽能光伏組件的如下基本技術(shù)要求：

1、能夠提供足夠的機械強度，使太陽能光伏組件能經(jīng)受運輸、安裝和使用過程中發(fā)生的沖擊、震動等產(chǎn)生的機械應力，能夠經(jīng)受住冰雹的沖擊力；

2、具有良好的密封性，能夠防風、防水、隔絕大氣條件下對太陽能電池片的腐蝕；

3、具有良好的電絕緣性能；

4、抗紫外線能力強；

5、工作電壓和輸出功率按不同的要求設(shè)計，可以提供多種接線方式，滿足不同的電壓、電流和功率輸出要求；

6、因太陽能電池片串、并聯(lián)組合引起的發(fā)電效率損失小；

7、太陽能電池片連接可靠； 8、工作壽命長，要求太陽能光伏組件在自然條件下能夠使用二十年以上。

二． 太陽能光伏組件耐久性試驗的必要性

不論規(guī)模大小，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟效益除了取決于政府的金融信貸和鼓勵措施之外，最主要地還是取決于系統(tǒng)在制造廠商保證的使用年限內(nèi)，可靠地工作，按額定功率輸出電量。如果在保修期內(nèi)（十年內(nèi)）太陽能光伏組件失效或損傷，或者需要保修之外的維修或服務，或者當發(fā)電效率降低到不可接受的程度，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)就會給用戶造成經(jīng)濟損失。

目前，大多數(shù)太陽能光伏組件生產(chǎn)廠家商都將產(chǎn)品的使用年限規(guī)定為二十到二十五年，有的甚至定為三十年。在規(guī)定的使用年限里，太陽能光伏組件使用十年后發(fā)電效率不能低于90%，使用二十年后發(fā)電效率不能低于80%。

但太陽能光伏業(yè)界真正需要面臨的問題是：現(xiàn)行的太陽能光伏組件設(shè)計技術(shù)和生產(chǎn)制造技術(shù)僅有十幾年積累，大規(guī)模的太陽能光伏組件在戶外使用經(jīng)驗也不過十幾年的時間，如何保證它們在二十年或更長的時間里的質(zhì)量？有什么工具可以預測其使用壽命，并對這樣的預測有信心？太陽能光伏組件的生產(chǎn)商、投資者及用戶都非常關(guān)心這些問題的答案。

任何一種物品，無論是天然的，還是人工制造的，在使用過程中都會產(chǎn)生各類形式的失效，各種性能（外觀、使用、安全等）隨著使用時間的延長會逐漸下降，太陽能光伏組件也不例外。

太陽能光伏組件老化失效現(xiàn)象的出現(xiàn)可能是其設(shè)計存在缺陷，原材料的問題，或者是生產(chǎn)裝配過程出現(xiàn)的問題所致，也可能是組件戶外使用過程中環(huán)境應力直接導致的或者受環(huán)境應力影響而誘發(fā)產(chǎn)生的。實際上，很多失效和性能下降是由于太陽能光伏組件長期暴露在嚴酷環(huán)境下產(chǎn)生的細微變化逐漸累積的結(jié)果，這就是通常所說的老化。一方面，太陽能光伏組件很多老化失效發(fā)生在相對較長的戶外暴露過程中，一般都不是單一環(huán)境因素所致，而是環(huán)境因素，尤其是太陽輻射，溫濕度及鹽霧等的組合作用和重復作用的結(jié)果，是環(huán)境應力短期（天）和長期（季節(jié)）循環(huán)作用的結(jié)果。另一方面，在戶外暴露過程中，各種太陽能光伏組件老化失效模式可能是同時存在，也可能是按順序先后存在，最終的老化失效是這些老化失效模式累積疊加的結(jié)果。

被業(yè)內(nèi)廣泛采用的試驗標準IEC61215、 IEC61646、IEC61730和UL1703等都屬于短期的加速試驗，目的是發(fā)現(xiàn)太陽能光伏組件早期的失效故障，鑒定產(chǎn)品的基本質(zhì)量，包括安全質(zhì)量。

這些試驗很少涉及長期暴露之后產(chǎn)品的質(zhì)量。 IEC61215等試驗標準關(guān)于環(huán)境方面的內(nèi)容有以下不足（試驗參數(shù)來自IEC標準）：

1.沒有任何單獨的組件樣品經(jīng)歷一整套的環(huán)境試驗。

2.試驗參數(shù)（溫度，濕度等）比實際氣候更加極端，不能代表所有的實際的氣候。

3.除了短期的戶外暴露試驗外，沒有試驗是在全光譜太陽輻射下開展的。

4.所使用的氣候環(huán)境試驗箱不能像自然氣候條件下,那樣將太陽照射、溫度濕度結(jié)合起來。

5.試驗周期短，循環(huán)計數(shù)低（200個熱循環(huán)或1000小時的濕熱試驗只用6個星期開展）。

6.在試驗暴露期內(nèi)，光伏組件一般不在運行狀態(tài)。

值得一提的是即使延長試驗時間或增加試驗周期，這些試驗只對發(fā)現(xiàn)一些潛在的失效老化模式有用，但無法模擬各種氣候條件下的環(huán)境應力的組合，不能用作太陽能光伏組件耐久性試驗。這些問題的產(chǎn)生大部分是由于試驗方法不正確；缺少合適的足夠大的氣候環(huán)境試驗箱，用以放置全尺寸光伏組件；所使用的樣品是沒有代表性的小型組件樣品。

美國國家可再生能源實驗室的卡爾.奧斯特伍德和湯姆.馬克麥哈農(nóng)曾發(fā)表過一份詳細的自1975年以來關(guān)于太陽能光伏組件試驗的回顧報告，其中也論及IEC標準所規(guī)定的試驗和其它相關(guān)試驗及其發(fā)展。他們分析了這些太陽能光伏組件試驗方法的適用性和局限性,認識到改進方法的必要性，尤其在長期的耐久性試驗領(lǐng)域內(nèi)研發(fā)新的試驗方法的必要性。

三．光伏組件耐久性試驗

由于太陽能光伏組件發(fā)電的重要性，以及業(yè)內(nèi)缺少有效的太陽能光伏組件耐久性加速環(huán)境試驗方法，進入2000年以后，Atlas公司利用其九十多年環(huán)境氣候試驗方面的經(jīng)驗和并總結(jié)其二十五年以上在光伏和太陽能材料氣候試驗領(lǐng)域的研究成果，開發(fā)了光伏組件耐久性試驗。該試驗用于太陽能光伏組件產(chǎn)生實際場地的失效老化，估計太陽能光伏組件的服役壽命。在該試驗里要發(fā)現(xiàn)的是因長期戶外暴露而導致的失效老化以及相應的環(huán)境應力。

圖1所示為光伏組件耐久性試驗的標準流程。

在標準的光伏組件耐久性試驗里，至少需要三組樣品：一組置于干熱環(huán)境試驗場(美國-鳳凰城或中國—吐魯番)的太陽跟蹤試驗架上，一組置于濕熱環(huán)境試驗場(美國—邁阿密或中國—瓊海)的太陽跟蹤試驗架上，第三組則需完全經(jīng)歷一個標準的光伏組件耐久性試驗流程。

在標準的光伏組件耐久性試驗里，無論何時在自然太陽光下或戶內(nèi)太陽模擬光下，所有的三組樣品都在最大功率點的電阻負載下運行。在這種情況下太陽能光伏組件所受到的應力容易導致離子遷移，熱斑，旁路二極管失效等。


在戶外太陽跟蹤試驗架上，組件樣品經(jīng)歷了兩種典型環(huán)境氣候條件（干熱、濕熱）下的自然加速暴露試驗，經(jīng)受了如太陽光、溫濕氣氛、雨、風和沙塵等因素的自然作用。

在標準的光伏組件耐久性試驗里，第三組樣品被稱做實驗室樣品，它的試驗多數(shù)是在試驗室人工環(huán)境試驗箱里完成的。試驗流程在時間順序上是這樣安排的：

最初十周要完成UV紫外光暴露試驗、鹽霧試驗和冷凝試驗。 UV紫外光暴露試驗用于為樣品提供基本的UV輻射量以激發(fā)樣品開始老化進程，特別是樣品中的聚合物材料和其它對UV敏感的材料。鹽霧試驗用于樣品中的電接頭、逆變器以及結(jié)構(gòu)件等的耐腐蝕性檢測。冷凝試驗首先是要考核樣品抗水汽進入光伏組件、接線盒、電插頭等的能力，另一作用是去除鹽霧試驗過后樣品上的鹽殘留物。

在完成UV紫外光暴露試驗、鹽霧試驗和冷凝試驗后，第三組樣品要進入其試驗流程中的核心階段——模擬太陽光氣候環(huán)境試驗循環(huán)階段：

模擬太陽光氣候環(huán)境試驗在綜合環(huán)境試驗箱完成。綜合環(huán)境試驗箱能實現(xiàn)全光譜太陽輻射，實現(xiàn)箱內(nèi)氣氛的溫濕度控制。試驗循環(huán)所需要的條件參數(shù)來自太陽能光伏組件所可能服役的三種主要氣候的邊界條件。實踐表明，隨著運行時間的增加，太陽能光伏組件對環(huán)境應力的自然循環(huán)逐漸敏感。模擬太陽光氣候環(huán)境試驗不僅模擬在自然條件下，短期（一天或數(shù)天）的環(huán)境應力變化或環(huán)境應力循環(huán)，而且模擬在自然條件下，長期（夏季、冬季）的環(huán)境應力變化或環(huán)境應力。全光譜太陽輻射能提供更實際的熱應力；太陽負荷也能激發(fā)樣品的光老化過程，在使樣品生產(chǎn)電流的同時，也使樣品經(jīng)受電方面的應力作用。

模擬太陽光氣候環(huán)境試驗的另外一個重要方面是循環(huán)速度快。這種快速循環(huán)可以使樣品受到持續(xù)不斷的熱—機械應力作用，并獲得較高的試驗加速因子。整個模擬太陽光氣候環(huán)境試驗循環(huán)階段在一百天內(nèi)完成。第三組樣品接下來的試驗是在戶外進行：在最炎熱的季節(jié)里，第三組樣品置于亞利桑那Atlas暴露場的太陽跟蹤試驗架上完成規(guī)定天數(shù)（在每年的五月一日到九月三十日之間）的暴露試驗，用于檢驗第三組樣品對實際極端干熱氣候的適應性。

在標準的光伏組件耐久性試驗里，第三組樣品最后要進行一個擴展戶外暴露試驗：第三組樣品置于亞利桑那Atlas暴露場的太陽跟蹤試驗架上完成一個暴露試驗，其時間為一年當中剩余的時間。擴展戶外暴露試驗的目的在于使第三組樣品接受盡可能多的太陽輻射量，經(jīng)受更多的自然環(huán)境應力的作用。

四．光伏組件耐久性試驗與IEC標準中產(chǎn)品質(zhì)量環(huán)境試驗的主要區(qū)別

前面已經(jīng)指出IEC標準中產(chǎn)品質(zhì)量環(huán)境試驗的目的是發(fā)現(xiàn)太陽能光伏組件早期的失效故障，而光伏組件耐久性試驗的目的是關(guān)注太陽能光伏組件在使用期內(nèi)所經(jīng)受的長期的氣候環(huán)境的影響，以便提供重要的太陽能光伏組件長期性能變化的數(shù)據(jù)和預估服役壽命的數(shù)據(jù)。光伏組件耐久性試驗沒有復制或替換IEC標準中產(chǎn)品質(zhì)量環(huán)境試驗，但補充回答了這個問題：太陽能光伏組件產(chǎn)品能在戶外工作多久？ 通過相應的比較可以清楚地看到IEC標準中產(chǎn)品質(zhì)量環(huán)境試驗和光伏組件耐久性

試驗的主要區(qū)別（表1）


五．核心概念：全球組合氣候

太陽能光伏組件的最終服役環(huán)境是多種多樣(圖2)，安裝在任何一種的服役環(huán)境下使用，隨著時間的推移，太陽能光伏組件的電性能等都會逐漸下降或出現(xiàn)失效。只不過由于氣候環(huán)境的類型不同，環(huán)境嚴酷度有強弱之分，太陽能光伏組件的電性能等逐漸下降速度或快或慢，出現(xiàn)失效的時間有長有短，失效的類型有所不同。經(jīng)驗表明：像其它工業(yè)產(chǎn)品一樣，對于太陽能光伏組件而言，有些服役環(huán)境的環(huán)境嚴酷度比其它地方更高，處于該環(huán)境條件下試驗樣品的性能變化更快，失效速度更快，失效形式更多。能夠使太陽能光伏組件性能發(fā)生變化或失效的動因是其受到了環(huán)境應力的作用。如果太陽能光伏組件能夠在各種環(huán)境因素嚴酷度最強的氣候環(huán)境條件下可靠地運行一定的時間，則在其它相對較弱的氣候環(huán)境條件下也應能可靠地運行同樣的或更長的時間。出于這樣的思想ATLAS提出了“全球組合氣候”的概念。



長期暴露試驗的數(shù)據(jù)資料表明：在太陽能光伏組件服役環(huán)境中有三種環(huán)境的危害性最大：熱帶干熱沙漠氣候、熱帶/亞熱帶濕熱氣候和溫帶冷凍氣候。ATLAS根據(jù)這三種典型氣候環(huán)境所能出現(xiàn)的最嚴酷的氣候環(huán)境條件，結(jié)合太陽能光伏組件的運行實際，設(shè)計了所謂的組合氣候，作為即將在全球使用的太陽能光伏組件的標準試驗環(huán)境，進而產(chǎn)生了光伏組件耐久性試驗。太陽光伏組件在光伏板組件耐久性試驗中所歷經(jīng)的主要氣候就是“全球組合氣候”。

六．光伏組件耐久性試驗的相關(guān)性和加速性

光伏板組件耐久性試驗是一種加速壽命試驗方法。對加速壽命試驗方法的基本要求是：第一，在沒有改變機理的情況下，能復制一特殊的老化或失效模式（相關(guān)性要求）；第二，產(chǎn)生這一結(jié)果的時間比真實時間要短（加速性要求）。

加速壽命試驗方法的基本實驗原理是：用一較高水平上的環(huán)境應力（環(huán)境應力的水平狀態(tài)可能是單值的、階梯的或循環(huán)的），在比實際環(huán)境里短的時間內(nèi)得到試驗結(jié)果，然后外推試驗數(shù)據(jù)，以獲得產(chǎn)品在實際環(huán)境應力水平及實際時間里的性能變化和壽命。

在實踐中，如何選擇環(huán)境應力類型、施加方式以及應力水平是進行加速壽命試驗的關(guān)鍵。例如，對于循環(huán)環(huán)境應力，試驗的加速性取決于環(huán)境應力的大小和變化速率。這兩者在設(shè)計試驗以及考慮試驗的加速性時尤為重要。

對于簡單的、單一的環(huán)境應力，誘發(fā)老化的機理相對直接，能呈現(xiàn)原因——效應的相關(guān)性，這通常是機械磨損時所遇到的情況。對于氣候環(huán)境老化這種多環(huán)境應力相互作用的多因素機理的復雜類型，計算加速因子是十分困難的。傳統(tǒng)的加速壽命試驗方法需要一個失效模型，對產(chǎn)生失效的應力須充分的理解。應事實求是指出，對于太陽能光伏組件而言以多種形式老化或失效，引起這些老化或失效的機理及應力間的相互影響，到目前為止，還沒有被充分地揭示。通常，多種老化機理按時間依順序起作用或同時起作用。對于太陽能光伏組件，一些老化現(xiàn)象對其電性能的影響特別大，如串聯(lián)電阻的增加、熱斑等，他們都是由于多種因素造成的。一方面要考慮太陽能光伏組件各種老化或失效機理，又要結(jié)合太陽能光伏組件的最終使用環(huán)境的各種可能性，這使得模擬加速試驗工作十分困難。

這可以用以下事實予以說明：用現(xiàn)行的IEC標準中產(chǎn)品質(zhì)量環(huán)境試驗不能預測太陽能光伏組件的長期使用的老化性能。在現(xiàn)行的標準體系內(nèi)難以進行太陽能光伏組件的耐久性試驗。

光伏組件耐久性試驗是一種先進的用于檢驗太陽光伏組件的耐久性氣候加速老化試驗方法。光伏組件耐久性試驗中單一加速試驗的加速性，也就是試驗的加速因子容易受到太陽能光伏組件的設(shè)計、制造方法、老化機理和其它許多因素的影響。關(guān)于試驗模型以及試驗材料與現(xiàn)實世界行為的相關(guān)性，則需要用真實時間長期暴露試驗的數(shù)據(jù)予以證明的。對于太陽光伏組件的性能和老化失效模型，相關(guān)性和加速性都是特別的。對于指定的太陽光伏組件設(shè)計，若沒有長期的戶外暴露數(shù)據(jù)作證明，其加速因子和試驗的相關(guān)性將不能被預測。在許多情況下，需要了解老化失效機理，要用到活化能，而實際中，對應的活化能通常不是現(xiàn)成的。但是，活化能對于老化失效模型以及外推從加速試驗中獲得的數(shù)據(jù)則是必須的。

在光伏組件耐久性試驗中的人工模擬試驗中的主要是模擬主要氣候的環(huán)境應力，如在氣候加速老化試驗箱每一試驗循環(huán)的所能產(chǎn)生的環(huán)境應力至少等于2～5天戶外常見的老化或失效模型所對應的環(huán)境應力，而這些戶外常見的老化或失效模型是已經(jīng)被證實過的。這基于許多模型工具，如Arrhenius化學熱反應公式、Coffin-Manson疲勞公式、Paris 疲勞裂紋公式等（見表2）。考慮到實際環(huán)境中的其它可能遇到的氣候，在光伏組件耐久性試驗中附加了另外的加速試驗。整個光伏組件耐久性試驗過程所能產(chǎn)生的環(huán)境應力總量將超過10年戶外真實時間的累積。


七．結(jié)束語

光伏組件耐久性試驗已經(jīng)開始為太陽能光伏組件制造廠商服務。具體試驗表明：太陽能光伏組件耐久性綜合試驗在失效模型、長期老化、發(fā)電效率等方面上能提供有價值的信息。在試驗中所觀察到失效模式和長期老化現(xiàn)象，在太陽能光伏組件過往的現(xiàn)場實際的長期運行中也被發(fā)現(xiàn)。光伏組件耐久性試驗不僅是目前最全面的、可行的、易于理解的太陽能光伏組件耐久性試驗方法，對其它戶外產(chǎn)品的耐久性試驗也有借鑒的意義。

參考文獻 [1] Allen F. Zielnik ,David P. Dumbleton Atlas 25+ White Paper, Atlas 25+® (2012), 22 June, 2012 [2] C.Osterwald, T.McMahon, “History of Accelerated and Qualification Testing of Terrestrial Photovoltaic Modules: A Literature Review”, Progress in Photovoltaics: Research and Applications 2009; 17:11-33, Wiley InterScience, ©2008.

作者簡介：

江魯（1959—），男，高級工程師，長期從事環(huán)境試驗技術(shù)方面的研究工作。

馮江濤（1979—），男，工學博士，研究方向為光伏組件耐久性及壽命預測。