作者： Boris Farnung ， 比約恩•穆勒(Bjorn Müller) 翻譯： 蔣荒野 原文出處：本文原載于第十期《PV-Tech PRO》雜志中

【質量保障：相較以往，目前的全球光伏市場具有眾多吸引人的投資新機遇，但是這種快速擴張背后的推動力同時也提高了太陽能融資無法滿足長期資金和運營目標的風險。Fraunhofer ISE研究所的Boris Farnung、Björn Müller和Klaus Kiefer，以及VDE(美國)的Peter Bostock和John Sedgwick共同探討了主流質保措施，以及當下公共事業規模光伏電站獲得銀行可貼現行所遇到的挑戰。】


光伏市場正處于迅速的全球化擴張當中。不斷進行的研發與規模經濟的雙重作用下促使成本下降、效率提高。光伏電站的具有競爭力的價格水平減少了太陽能在實現具有吸引力的投資回報率時對政府補貼的依賴。為了能夠實現銀行可貼現性和產品差異化，在系統層級具有頂級認證和質量保障是極為關鍵的。

更重要的是，超越現有標準、使用質量有保障的新式客制化產品已經成為在系統層面解決質量問題的必要因素。這一方式可以降低技術風險、提高光伏系統作為保險投資的信任與信心。實地環境中的實驗強調了系統設計、合理規劃、工程調試、部件選擇和建造工作對一個光伏系統的成功所具有的重要性。此外，對光伏電站進行的全面質保需要涵蓋所有環節，從規劃直至系統運維[1]。

光伏電站質保

總的來說，電站的零部件、建造過程和運行等方面均可出現技術風險。在過去的幾年當中，組件成為實現銀行可貼現性的關鍵環節。但是，由于目前組件的投資份額不斷減少，逆變器和其他系統平衡(BOS)零部件，以及系統整體則獲得了愈來愈多的重視。逆變器作為發電系統與電網之間的接口，成為了系統可靠性和技術可貼現性的關鍵組成部分。時至今日，大規模光伏電站的質量也會由于其設計和建造的不同而具有差異性。

而從另一方面來看，如組件等零部件的生產具有極大的成本壓力，在全球范圍內生產地點不同、原料成本經常發生變動，但卻被用作是同一種組件類型。這些趨勢在質保方面為制造商和客戶都帶來了額外的挑戰。此外，近期出現的失敗機制——例如潛在誘導降解、微裂痕、蝸牛紋和褪色等——均可能導致投資者對光伏電站穩定性信心的下降。

性能比(PR)與平準化能源成本(LCOE)是評估大規模光伏電站質量的關鍵因素。近期的開發模式能夠對零部件和設計質量分別進行獨立評估，以保證在系統的整個使用壽命期間都能保持在最佳狀態。

性能評估

現在的公共事業規模光伏安裝系統都是多兆瓦級別的，從10MWp到500MWp不等。因此，其質量保障就必須涵蓋安裝在長達數英里金屬軌道上、通過若干捆電纜連接至數百臺逆變器、遍布數千英畝的數百萬塊組件。這就十分明確地顯示出大規模光伏電站同樣會由于設計和生產因素而產生差異性。無論是在零部件層面或是在系統層面，進行100%的測試是不現實的，因此最先進的系統工程調試需要標準化、為效率和完美建造而精心設計過的電站單元。

在將光伏電站作為一個整體進行評估時，其中關鍵的一點即為性能比——一個全球認可的光伏系統整體利用水平的測量方式[2]。IEC 61724國際標準對性能比(PR)進行了定義，并且可通過全球平面陣列(GPOA)輻射和直流能源發電而直接算得。因此，這一指標能夠反應出系統操作效率，并能夠將溫度、陽光輻射不完整使用(污染、光譜耗損、反射耗損等)、零部件效率或故障等造成的光伏系統額定功率耗損量考慮在內。

另外一個關鍵點是平準化能源成本——能源生產總成本(從建造階段到運維階段)與所生產的能源總量的比值：

參見方程1(左圖)

在對這一公式進行詳細分析時，其中多個質量參數(在方程2中圈出)應予以區分：

參見方程2(左圖)

其中(質量參數用黑體標出)：

I0 = 電站初始投資

C0 = 年度運維成本

n = 服務年限

i = 年度通貨膨脹率

r = 年度折損率

RP = 電站初始性能比

ηSTC = 標準測試條件(STC)下的初始組件效率

EY = 組件電池板上的能源輻射(如POA等)

d = 年度降解率

為確保平準化能源成本，從而進一步確保投資回報率(ROI)，需要對質量參數進行進可能準確的預測(如EY等)，或確保其穩定性(如ηSTC或RP等)。對光伏電站的質量來說，也可從LCOE中獲得適當的質量測量方式。圖一(見左圖)顯示出了不同項目階段中的質量保障測試。

在接下來的文章將重點介紹主流質量保障方式，并且會涉及公共事業規模光伏電站評估過程中所遇到的相關挑戰。

基礎——準確的產量評估

初期所遇到的實際操作困難是光伏電站如何實現其預估產能。實際操作經驗表明，如果不進行驗收測試的話，是無法對這一因素進行保證的[3]。初期，設計商的差異看似并不會對預期能源產量造成任何影響，但實際上所產生的影響還是很大的(例如，裝機功率的減少有可能是由于行距縮減所帶來的遮蔽耗損增加而造成的)。未查看系統安裝是否符合預期，即使對產能做出預測也是毫無用處的。

圖二(見左圖)顯示出了輸入數據的主要類型及其不確定性。很明顯，氣候數據對產能預期的不確定性具有最大影響。最先進的產能預期通常使用日照輻射時間數列的衛星數據作為系統建模的基礎。這些時間數列的質量在過去十年內得到了大幅改善：這對于總體平均偏差和與地面測量值相比較的日照輻射分布均產生了影響。通過多個地點計算出的平均偏差在零值左右浮動，而單個地點的偏差值可在3%左右。若希望了解對此參數的詳細分析，推薦讀者閱讀Ineichen的研究報告[4]。

雖然可能還未受到足夠關注，但近期的一個關于產能預期質量的研究話題即是關于可對預期能源產量產生影響的日照輻射的長期趨勢是否存在的研究。全球大多數地方都能在不同程度上觀察到這種被稱為全球明暗變化[5-7]的多代際變化趨勢?？偟膩碚f，在經歷了上世紀五十年代至八十年代間的暗階段后，八十年代中期開始了亮時代。

Muller等人[8]對這些趨勢對德國太陽能能源評估所造成的影響進行了分析：分析結果顯示，在30度傾角的陽面電池板中，日照輻射會出現4-5%左右的不確定性。在近期的太陽能能源評估中，如果僅使用近十年的日照輻射數據，則這一不確定性則會增加高達五個百分點。目前，全球其他地方的相關數據仍舊處于匱缺狀態。

光伏系統建模本身所引入的不確定性總體偏低(頻率為一年期及以上)[2, 9]。

其他可能會在特定條件下導致不確定性的建模步驟包括遮蔽損耗和污染損耗。此外，組件所接收到的有效日照輻射的計算(入射角效應、光譜等)到目前為止也未能被完全理解。但是，至少對于硅基組件來說，能夠通過使用相對簡單的模型來對整體影響進行預測，且偏差也在可測不確定范圍之內[9]。

對于光伏組件來說，輸入數據方面所遇到的較大挑戰在于光伏組件在非STC條件下的性能表現。已有計算表明，光伏組件在低光照下性能的數據表信息不足以用來進行可靠的產能評估[10]：因此，用來進行產能預測的參數應該單獨按照IEC 61853-1功率等級標準進行計算，或通過測量1000W/m2日照輻射下的溫度系數和25°C時的低光照性能表現來進行。通常情況下，實驗會對多個組件進行特征測試。在對1號生產商的產品實驗中，額定值完全符合實驗室中所測得的平均值(五個組件的平均值)。在對2號生產商的產品實驗中，額定值和測得值之間存在著較大的偏差；這種偏差可導致產能預估出現嚴重高估。[3, 10]。

圖四(見左圖)顯示的是針對溫度系數所進行的同樣的評估。其中較為特別的是，為開路電壓(Voc)所設置的溫度系數上出現了與預期范圍差別較大的偏差(高達90%分位數)。圖三和圖四中所顯示的90%分位數綜合了Fraunhofer ISE研究所在過去兩年間所進行的超過100個測試結果。這些評估結果能夠在使用數據表和生產商所提供的數據作為產能預期的輸入數據之前對其進行初步核實。除了實驗室測量來對輸入數據進行驗證，還可通過本文接下來所要介紹的在系統測試階段進行現場測試和性能評估來提高產能預期的準確性。(見左圖)

實驗室測試

實驗室測試在項目的不同階段都十分重要，從上文就能看出，這種重要性規劃設計階段就已開始顯現。但同時，規劃和設計階段還是樹立產品信心的關鍵階段。一個質量標桿流程，配合上預先制定好的質量標準，可對如下方面有所助益：

防止出現系統表現不佳的狀況；
為產能評估提供獨立參數；
檢測到組件靈敏度，以找到失效機制(如閃電紋、黃變、潛在誘導降解等)
將產品與最先進技術結果相對比
最終的測試流程，特別是穩定性的測試流程，應該根據顧客的質量標準、實地操作的經驗和環境因素(安裝場地、系統布局等)來安排。實驗室測試的目的并非對標準中所規定的細節進行重復測試，卻不進行具備任何對預期使用壽命內數據進行探索的可能；實驗室測試的目的須是防止在實地現場發生已知故障(如閃電紋、黃變、PID等)，以及通過確認相關降解機制對該組件類型并沒有太大影響這一事實來增加對產品的信心。

在安裝階段，推薦對組件進行獨立性能檢測，以防止所購買的組件出現系統性能表現不佳的狀況。在這一期間里需要根據所選等的對照組為基礎，對生產商在模擬器清單(電能特性清單)中所表明的值進行檢測。圖五(見左圖)表明在一定程度上來說，選擇不同生產批號和功率范圍的組件是十分重要的。

銀行或投資商通常會對規定對一定數量的組件進行測試。為了簡化流程，組件都是隨機進行選擇的；在大多數情況下，這就意味著，如果需要對50個組件進行測試，就要寄送兩箱未經篩選的組件進行實驗室測試。在這種情況下，大對數組件都具有相同的生產批號，因此，代表的是同一時間段內的生產狀況。圖六中的例證明確地展現出對應的小范圍幅度。在實際操作中，對同一批次中的25個組件進行測試，在防止所購買的整批組件在系統層面出現性能不佳所實際起到的作用不大。

為了規避組件出現系統層面的性能不佳，取樣流程需要極為謹慎，并且對結果評估的準確性要求極高。在Fraunhofer ISE實驗室中，對晶硅組件所進行的測試均遵循業內領先的1.6%不確定性[11]，對于薄膜組件，則會使用較高一點的不確定性標準。

對于評估來說，將可能對實地使用中的性能產生影響的初始效用考慮在內也是極為重要的。晶硅組件在實際運行的前幾個小時中會損失3%的功率[12]，這一衰減通常會在10-20 kWh/m2的日照曝光度范圍內完成，組件性能隨后則保持穩定。為滿足DIN EN50380:2003-09[13]標準要求，組件需在經過20kWh/m2及以上的日照曝光度后，達到銘牌和數據表中所規定的STC標準下的額定功率。

對于薄膜光伏組件來說，確定實地操作過程中的功率需要極為專業的技術知識[12, 14]。根據所使用的技術不同，初始衰減或暗儲能的影響會改變功率。因此，預處理過程就必須在I-V曲線測量之前進行，以將組件調試至能夠體現實地操作情形的狀態(CIGS和CdTe)。

系統測試

大多數驗收測試、初始性能與安全評估或是電站認證都是在項目的調試階段進行的。正如前文所提及的，性能比在對光伏電站的整個評估過程中起到了極為關鍵的作用——這一指標顯示出了一套光伏系統的運行性能。

除了進行虛擬檢測和安全與零部件測試外，系統的實際性能比也將被進行鑒定測試。通過對比實際性能比(測得值)與預期性能比(模擬值)，我們可以獲得關于系統是否如預期般運行的重要信息。在進行性能比計算時較為重要的輸入數據包括實際日照輻射值和系統輸出值，這就以為這兩個數值需要在系統運行時進行實際測量。但是，筆者發現，在很多情況下，測試所使用的測量設備可靠度與準確度都無法得到保證。

因此，在這種方法中，獲得的監控數據通過與已安裝一定時間的、經過校準的高品質測量設備進行比較來得到驗證；在必要的情況下，已校準設備的測量結果可被用于調校所獲得的監控數據。如果可以對由于污染遮蔽而造成的實際功率損耗進行測量，則可獲得更為精準的數據。該測試是在選定的組件串上(同時存在有污染和沒有污染兩種狀況)進行的，同時，測試也對清洗流程進行了評估，以對特定場地中污染遮蔽所產生的影響的進行估算。

在驗證和校準后，現有的監控數據可用于確定實際的性能比。為與預期性能比進行比較，所測得的氣象數據(輻照強度、溫度)將通過使用既定程序和系統模型，以及從原始產能預期中獲得的參數來模擬性能比(參見圖七、圖八)(見左圖)。

在過去的幾年中，光伏產業對這一程序進行開發，并使之能夠適用于當前的科學和技術水平。在所有特定電站參數中(如逆變器效率、電纜損耗等)，模型中還包括了那些在選定電站中進行功率等級測量所得出的參數。

在近幾年中，這一性能驗證流程已成功地應用于全球各地的公用事業規模光伏電站上。結果顯示，電站的性能可以在幾個星期內就得到精確的評估，同時，隨著電站的監測系統得到證實，使得對現有和未來產量數據進行第三方評估成為可能。

另一個重要的方面是，性能評估應該涵蓋光伏系統及其性能所涉及的所有零部件。特別是逆變器，作為發電方和電網之間的鏈接，對于電站可靠性和技術可貼現性來說是極為重要的組成部分。在效率、市場可獲得性和長期維修/更換費用的基礎上，逆變器可以決定一個投資的成功與否。即使逆變器本身已通過所有現行標準所規定的測試，在某一特定地點的特定喚醒中，仍舊可能會導致明顯的產能損失。例如，幾百個并聯運行的逆變器、與其他逆變器或是高噪點電網之間的聯接均可能導致在現場出現問題。因此，對于系統的技術可貼現性來說，并非僅僅關注單個零部件是極為重要的。

光伏電站運營經驗

對商用和公用事業規模的光伏安裝系統進行適當的監測和控制是屬于電站運行的強制性要求。運行過程中出現的故障必通過可靠的方法進行檢測，以避免出現重大產能損失。但是，精準的監測同時還能顯示出設備性能是否穩定，這一點將可保證項目投資的回報率；此外，相關監測還能提供用于記錄系統布局、工藝和所使用零部件的基本數據。因此，在評估項目的銀行可貼現性時，獨立第三方性能報告是必要條件。

Fraunhofer ISE實驗室所監測的300多個光伏電站的標桿數據顯示，2014年的年度性能比在60-90％之間(見圖九，左圖)。對于大多數具有基本的初始質量保障和連貫的運維合約的新光伏電站來說，所得到的性能比均大于80％。在歐洲中部，現有高質量光伏電站的初始性能比預計可在85％以上。

已運行了15至20年的電站的性能比大多在75％到80％之間。圖十(見左圖)展示了德國北部某4.88kWp電站自1993年投入運行以來的性能比演變。該系統在過去20年間具有77％的平均性能比，年度同比波動極小，僅為±2.7％。還有其他若干案例顯示，如果能夠采用適當的質量保障措施，當今的太陽能已然能夠成為可靠的能源來源。

結論

質量是實現技術銀行可貼現性的關鍵因素；這也就意味著需要引入最先進的系統設計和標準。適當的質量保障措施，如工廠認證等，可降低組件或系統故障所帶來的技術風險，并同時實現準確度更高的性能驗證。因此，質量為系統的財務回報提供了一個更為明確的前景。對于零部件供應商和系統集成商來說，當不同股東在評估項目投資過程中采用不同的標準時，質量可以幫助其在競爭激烈的市場上實現差異化。

最后，技術可貼現性從金融機構的角度來看是衡量項目吸引力的一個指標。以往，在對項目可貼現性進行評估時，往往會選擇對特定的零部件進行分析，而當下，電站的整體質量正變得越來越重要。