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摘要：太陽(yáng)能光伏組件發(fā)電對(duì)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(rèn)識(shí)到耐久性是影響太陽(yáng)能光伏組件發(fā)電經(jīng)濟(jì)性的最重要的方面，但過(guò)去一直沒(méi)有一個(gè)可用于評(píng)價(jià)太陽(yáng)能光伏組件耐久性的試驗(yàn)方法。Atlas利用其在多年環(huán)境氣候試驗(yàn)方面的經(jīng)驗(yàn)，并總結(jié)其二十五年以上在光伏和太陽(yáng)能材料氣候試驗(yàn)領(lǐng)域的研究成果，開(kāi)發(fā)了Atlas 25+太陽(yáng)能光伏組件耐久性綜合試驗(yàn)（文中簡(jiǎn)稱(chēng)光伏組件耐久性試驗(yàn)）。該方法提出了“全球組合氣候”的概念，面向太陽(yáng)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(zhǎng)期對(duì)失效老化的影響，綜合了人工環(huán)境試驗(yàn)與自然環(huán)境試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)。本文對(duì)光伏組件耐久性試驗(yàn)作一介紹，希望對(duì)從事材料和產(chǎn)品耐久性試驗(yàn)和壽命預(yù)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(yáng)能是人類(lèi)取之不盡用之不竭的可再生能源，具有長(zhǎng)久巨大、相對(duì)安全、清潔無(wú)害、資源的充足性及潛在的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，在長(zhǎng)期的能源戰(zhàn)略中具有重要地位。對(duì)太陽(yáng)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(lái)發(fā)展最快，也是最具經(jīng)濟(jì)潛力的能源開(kāi)發(fā)領(lǐng)域。
太陽(yáng)能光伏組件是一種暴露在太陽(yáng)光下便會(huì)產(chǎn)生直流電的發(fā)電裝置，因此只要有太陽(yáng)光的地方都可利用太陽(yáng)能光伏組件發(fā)電供給其它用電器。然而，地球上的太陽(yáng)光具有能量密度低的特點(diǎn)：到達(dá)地球表面的太陽(yáng)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(yáng)光還有不穩(wěn)定性的特點(diǎn)：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(jī)因素的影響，到達(dá)某一地面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度既是間斷的又是極不穩(wěn)定的。所以，這給太陽(yáng)能的大規(guī)模應(yīng)用增加了難度。為了提高經(jīng)濟(jì)性，大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)的選址都定在太陽(yáng)能資源豐富的地區(qū)，如中國(guó)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(bǔ)充，如城市中大型建筑上的太陽(yáng)能光伏屋頂。
不難看出太陽(yáng)能光伏組件有這樣的工作特點(diǎn)：
1．在戶(hù)外各種氣候條件下運(yùn)行：安裝工作在地球上一切太陽(yáng)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(diǎn)固定運(yùn)行：安裝朝向使光伏組件在一年中所接收到的太陽(yáng)輻射量最大；在安裝地點(diǎn)經(jīng)歷春夏秋冬各種氣候。
3．運(yùn)行形式為間歇式工作制：正常運(yùn)行時(shí)，太陽(yáng)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(hù)外暴露時(shí)間相等。
為了適應(yīng)太陽(yáng)能光伏組件的工作特點(diǎn)，并滿足其使用的經(jīng)濟(jì)性要求，在行業(yè)中形成了對(duì)太陽(yáng)能光伏組件的如下基本技術(shù)要求：
1、能夠提供足夠的機(jī)械強(qiáng)度，使太陽(yáng)能光伏組件能經(jīng)受運(yùn)輸、安裝和使用過(guò)程中發(fā)生的沖擊、震動(dòng)等產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)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(fēng)、防水、隔絕大氣條件下對(duì)太陽(yáng)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(qiáng)；
5、工作電壓和輸出功率按不同的要求設(shè)計(jì)，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(yáng)能電池片串、并聯(lián)組合引起的發(fā)電效率損失??；
7、太陽(yáng)能電池片連接可靠； 8、工作壽命長(zhǎng)，要求太陽(yáng)能光伏組件在自然條件下能夠使用二十年以上。
二． 太陽(yáng)能光伏組件耐久性試驗(yàn)的必要性
不論規(guī)模大小，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益除了取決于政府的金融信貸和鼓勵(lì)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(yáng)能光伏組件失效或損傷，或者需要保修之外的維修或服務(wù)，或者當(dāng)發(fā)電效率降低到不可接受的程度，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)就會(huì)給用戶(hù)造成經(jīng)濟(jì)損失。
目前，大多數(shù)太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能光伏業(yè)界真正需要面臨的問(wèn)題是：現(xiàn)行的太陽(yáng)能光伏組件設(shè)計(jì)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(yáng)能光伏組件在戶(hù)外使用經(jīng)驗(yàn)也不過(guò)十幾年的時(shí)間，如何保證它們?cè)诙昊蚋L(zhǎng)的時(shí)間里的質(zhì)量？有什么工具可以預(yù)測(cè)其使用壽命，并對(duì)這樣的預(yù)測(cè)有信心？太陽(yáng)能光伏組件的生產(chǎn)商、投資者及用戶(hù)都非常關(guān)心這些問(wèn)題的答案。
任何一種物品，無(wú)論是天然的，還是人工制造的，在使用過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生各類(lèi)形式的失效，各種性能（外觀、使用、安全等）隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)逐漸下降，太陽(yáng)能光伏組件也不例外。
太陽(yáng)能光伏組件老化失效現(xiàn)象的出現(xiàn)可能是其設(shè)計(jì)存在缺陷，原材料的問(wèn)題，或者是生產(chǎn)裝配過(guò)程出現(xiàn)的問(wèn)題所致，也可能是組件戶(hù)外使用過(guò)程中環(huán)境應(yīng)力直接導(dǎo)致的或者受環(huán)境應(yīng)力影響而誘發(fā)產(chǎn)生的。實(shí)際上，很多失效和性能下降是由于太陽(yáng)能光伏組件長(zhǎng)期暴露在嚴(yán)酷環(huán)境下產(chǎn)生的細(xì)微變化逐漸累積的結(jié)果，這就是通常所說(shuō)的老化。一方面，太陽(yáng)能光伏組件很多老化失效發(fā)生在相對(duì)較長(zhǎng)的戶(hù)外暴露過(guò)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(yáng)輻射，溫濕度及鹽霧等的組合作用和重復(fù)作用的結(jié)果，是環(huán)境應(yīng)力短期（天）和長(zhǎng)期（季節(jié)）循環(huán)作用的結(jié)果。另一方面，在戶(hù)外暴露過(guò)程中，各種太陽(yáng)能光伏組件老化失效模式可能是同時(shí)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(yàn)標(biāo)準(zhǔn)IEC61215、 IEC61646、IEC61730和UL1703等都屬于短期的加速試驗(yàn)，目的是發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)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(yàn)很少涉及長(zhǎng)期暴露之后產(chǎn)品的質(zhì)量。 IEC61215等試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于環(huán)境方面的內(nèi)容有以下不足（試驗(yàn)參數(shù)來(lái)自IEC標(biāo)準(zhǔn)）：
1.沒(méi)有任何單獨(dú)的組件樣品經(jīng)歷一整套的環(huán)境試驗(yàn)。
2.試驗(yàn)參數(shù)（溫度，濕度等）比實(shí)際氣候更加極端，不能代表所有的實(shí)際的氣候。
3.除了短期的戶(hù)外暴露試驗(yàn)外，沒(méi)有試驗(yàn)是在全光譜太陽(yáng)輻射下開(kāi)展的。
4.所使用的氣候環(huán)境試驗(yàn)箱不能像自然氣候條件下,那樣將太陽(yáng)照射、溫度濕度結(jié)合起來(lái)。
5.試驗(yàn)周期短，循環(huán)計(jì)數(shù)低（200個(gè)熱循環(huán)或1000小時(shí)的濕熱試驗(yàn)只用6個(gè)星期開(kāi)展）。
6.在試驗(yàn)暴露期內(nèi)，光伏組件一般不在運(yùn)行狀態(tài)。
值得一提的是即使延長(zhǎng)試驗(yàn)時(shí)間或增加試驗(yàn)周期，這些試驗(yàn)只對(duì)發(fā)現(xiàn)一些潛在的失效老化模式有用，但無(wú)法模擬各種氣候條件下的環(huán)境應(yīng)力的組合，不能用作太陽(yáng)能光伏組件耐久性試驗(yàn)。這些問(wèn)題的產(chǎn)生大部分是由于試驗(yàn)方法不正確；缺少合適的足夠大的氣候環(huán)境試驗(yàn)箱，用以放置全尺寸光伏組件；所使用的樣品是沒(méi)有代表性的小型組件樣品。
美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的卡爾.奧斯特伍德和湯姆.馬克麥哈農(nóng)曾發(fā)表過(guò)一份詳細(xì)的自1975年以來(lái)關(guān)于太陽(yáng)能光伏組件試驗(yàn)的回顧報(bào)告，其中也論及IEC標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的試驗(yàn)和其它相關(guān)試驗(yàn)及其發(fā)展。他們分析了這些太陽(yáng)能光伏組件試驗(yàn)方法的適用性和局限性,認(rèn)識(shí)到改進(jìn)方法的必要性，尤其在長(zhǎng)期的耐久性試驗(yàn)領(lǐng)域內(nèi)研發(fā)新的試驗(yàn)方法的必要性。
三．光伏組件耐久性試驗(yàn)
由于太陽(yáng)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(yáng)能光伏組件耐久性加速環(huán)境試驗(yàn)方法，進(jìn)入2000年以后，Atlas公司利用其九十多年環(huán)境氣候試驗(yàn)方面的經(jīng)驗(yàn)和并總結(jié)其二十五年以上在光伏和太陽(yáng)能材料氣候試驗(yàn)領(lǐng)域的研究成果，開(kāi)發(fā)了光伏組件耐久性試驗(yàn)。該試驗(yàn)用于太陽(yáng)能光伏組件產(chǎn)生實(shí)際場(chǎng)地的失效老化，估計(jì)太陽(yáng)能光伏組件的服役壽命。在該試驗(yàn)里要發(fā)現(xiàn)的是因長(zhǎng)期戶(hù)外暴露而導(dǎo)致的失效老化以及相應(yīng)的環(huán)境應(yīng)力。
圖1所示為光伏組件耐久性試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)流程。
在標(biāo)準(zhǔn)的光伏組件耐久性試驗(yàn)里，至少需要三組樣品：一組置于干熱環(huán)境試驗(yàn)場(chǎng)(美國(guó)-鳳凰城或中國(guó)—吐魯番)的太陽(yáng)跟蹤試驗(yàn)架上，一組置于濕熱環(huán)境試驗(yàn)場(chǎng)(美國(guó)—邁阿密或中國(guó)—瓊海)的太陽(yáng)跟蹤試驗(yàn)架上，第三組則需完全經(jīng)歷一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的光伏組件耐久性試驗(yàn)流程。
在標(biāo)準(zhǔn)的光伏組件耐久性試驗(yàn)里，無(wú)論何時(shí)在自然太陽(yáng)光下或戶(hù)內(nèi)太陽(yáng)模擬光下，所有的三組樣品都在最大功率點(diǎn)的電阻負(fù)載下運(yùn)行。在這種情況下太陽(yáng)能光伏組件所受到的應(yīng)力容易導(dǎo)致離子遷移，熱斑，旁路二極管失效等。
圖1 光伏組件耐久性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)流程
在戶(hù)外太陽(yáng)跟蹤試驗(yàn)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(yàn)，經(jīng)受了如太陽(yáng)光、溫濕氣氛、雨、風(fēng)和沙塵等因素的自然作用。
在標(biāo)準(zhǔn)的光伏組件耐久性試驗(yàn)里，第三組樣品被稱(chēng)做實(shí)驗(yàn)室樣品，它的試驗(yàn)多數(shù)是在試驗(yàn)室人工環(huán)境試驗(yàn)箱里完成的。試驗(yàn)流程在時(shí)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(yàn)、鹽霧試驗(yàn)和冷凝試驗(yàn)。 UV紫外光暴露試驗(yàn)用于為樣品提供基本的UV輻射量以激發(fā)樣品開(kāi)始老化進(jìn)程，特別是樣品中的聚合物材料和其它對(duì)UV敏感的材料。鹽霧試驗(yàn)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(cè)。冷凝試驗(yàn)首先是要考核樣品抗水汽進(jìn)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(yàn)過(guò)后樣品上的鹽殘留物。
在完成UV紫外光暴露試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)和冷凝試驗(yàn)后，第三組樣品要進(jìn)入其試驗(yàn)流程中的核心階段——模擬太陽(yáng)光氣候環(huán)境試驗(yàn)循環(huán)階段：
模擬太陽(yáng)光氣候環(huán)境試驗(yàn)在綜合環(huán)境試驗(yàn)箱完成。綜合環(huán)境試驗(yàn)箱能實(shí)現(xiàn)全光譜太陽(yáng)輻射，實(shí)現(xiàn)箱內(nèi)氣氛的溫濕度控制。試驗(yàn)循環(huán)所需要的條件參數(shù)來(lái)自太陽(yáng)能光伏組件所可能服役的三種主要?dú)夂虻倪吔鐥l件。實(shí)踐表明，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，太陽(yáng)能光伏組件對(duì)環(huán)境應(yīng)力的自然循環(huán)逐漸敏感。模擬太陽(yáng)光氣候環(huán)境試驗(yàn)不僅模擬在自然條件下，短期（一天或數(shù)天）的環(huán)境應(yīng)力變化或環(huán)境應(yīng)力循環(huán)，而且模擬在自然條件下，長(zhǎng)期（夏季、冬季）的環(huán)境應(yīng)力變化或環(huán)境應(yīng)力。全光譜太陽(yáng)輻射能提供更實(shí)際的熱應(yīng)力；太陽(yáng)負(fù)荷也能激發(fā)樣品的光老化過(guò)程，在使樣品生產(chǎn)電流的同時(shí)，也使樣品經(jīng)受電方面的應(yīng)力作用。
模擬太陽(yáng)光氣候環(huán)境試驗(yàn)的另外一個(gè)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(jī)械應(yīng)力作用，并獲得較高的試驗(yàn)加速因子。整個(gè)模擬太陽(yáng)光氣候環(huán)境試驗(yàn)循環(huán)階段在一百天內(nèi)完成。第三組樣品接下來(lái)的試驗(yàn)是在戶(hù)外進(jìn)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(chǎng)的太陽(yáng)跟蹤試驗(yàn)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(yàn)，用于檢驗(yàn)第三組樣品對(duì)實(shí)際極端干熱氣候的適應(yīng)性。
在標(biāo)準(zhǔn)的光伏組件耐久性試驗(yàn)里，第三組樣品最后要進(jìn)行一個(gè)擴(kuò)展戶(hù)外暴露試驗(yàn)：第三組樣品置于亞利桑那Atlas暴露場(chǎng)的太陽(yáng)跟蹤試驗(yàn)架上完成一個(gè)暴露試驗(yàn)，其時(shí)間為一年當(dāng)中剩余的時(shí)間。擴(kuò)展戶(hù)外暴露試驗(yàn)的目的在于使第三組樣品接受盡可能多的太陽(yáng)輻射量，經(jīng)受更多的自然環(huán)境應(yīng)力的作用。
四．光伏組件耐久性試驗(yàn)與IEC標(biāo)準(zhǔn)中產(chǎn)品質(zhì)量環(huán)境試驗(yàn)的主要區(qū)別
前面已經(jīng)指出IEC標(biāo)準(zhǔn)中產(chǎn)品質(zhì)量環(huán)境試驗(yàn)的目的是發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)能光伏組件早期的失效故障，而光伏組件耐久性試驗(yàn)的目的是關(guān)注太陽(yáng)能光伏組件在使用期內(nèi)所經(jīng)受的長(zhǎng)期的氣候環(huán)境的影響，以便提供重要的太陽(yáng)能光伏組件長(zhǎng)期性能變化的數(shù)據(jù)和預(yù)估服役壽命的數(shù)據(jù)。光伏組件耐久性試驗(yàn)沒(méi)有復(fù)制或替換IEC標(biāo)準(zhǔn)中產(chǎn)品質(zhì)量環(huán)境試驗(yàn)，但補(bǔ)充回答了這個(gè)問(wèn)題：太陽(yáng)能光伏組件產(chǎn)品能在戶(hù)外工作多久？ 通過(guò)相應(yīng)的比較可以清楚地看到IEC標(biāo)準(zhǔn)中產(chǎn)品質(zhì)量環(huán)境試驗(yàn)和光伏組件耐久性
試驗(yàn)的主要區(qū)別（表1）
五．核心概念：全球組合氣候
太陽(yáng)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(shí)間的推移，太陽(yáng)能光伏組件的電性能等都會(huì)逐漸下降或出現(xiàn)失效。只不過(guò)由于氣候環(huán)境的類(lèi)型不同，環(huán)境嚴(yán)酷度有強(qiáng)弱之分，太陽(yáng)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(shí)間有長(zhǎng)有短，失效的類(lèi)型有所不同。經(jīng)驗(yàn)表明：像其它工業(yè)產(chǎn)品一樣，對(duì)于太陽(yáng)能光伏組件而言，有些服役環(huán)境的環(huán)境嚴(yán)酷度比其它地方更高，處于該環(huán)境條件下試驗(yàn)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(yáng)能光伏組件性能發(fā)生變化或失效的動(dòng)因是其受到了環(huán)境應(yīng)力的作用。如果太陽(yáng)能光伏組件能夠在各種環(huán)境因素嚴(yán)酷度最強(qiáng)的氣候環(huán)境條件下可靠地運(yùn)行一定的時(shí)間，則在其它相對(duì)較弱的氣候環(huán)境條件下也應(yīng)能可靠地運(yùn)行同樣的或更長(zhǎng)的時(shí)間。出于這樣的思想ATLAS提出了“全球組合氣候”的概念。
圖2 工業(yè)產(chǎn)品自然服役環(huán)境條件分類(lèi)(GBT 4797.1-2005)
長(zhǎng)期暴露試驗(yàn)的數(shù)據(jù)資料表明：在太陽(yáng)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(yán)酷的氣候環(huán)境條件，結(jié)合太陽(yáng)能光伏組件的運(yùn)行實(shí)際，設(shè)計(jì)了所謂的組合氣候，作為即將在全球使用的太陽(yáng)能光伏組件的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)環(huán)境，進(jìn)而產(chǎn)生了光伏組件耐久性試驗(yàn)。太陽(yáng)光伏組件在光伏板組件耐久性試驗(yàn)中所歷經(jīng)的主要?dú)夂蚓褪?ldquo;全球組合氣候”。
六．光伏組件耐久性試驗(yàn)的相關(guān)性和加速性
光伏板組件耐久性試驗(yàn)是一種加速壽命試驗(yàn)方法。對(duì)加速壽命試驗(yàn)方法的基本要求是：第一，在沒(méi)有改變機(jī)理的情況下，能復(fù)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(shí)間比真實(shí)時(shí)間要短（加速性要求）。
加速壽命試驗(yàn)方法的基本實(shí)驗(yàn)原理是：用一較高水平上的環(huán)境應(yīng)力（環(huán)境應(yīng)力的水平狀態(tài)可能是單值的、階梯的或循環(huán)的），在比實(shí)際環(huán)境里短的時(shí)間內(nèi)得到試驗(yàn)結(jié)果，然后外推試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以獲得產(chǎn)品在實(shí)際環(huán)境應(yīng)力水平及實(shí)際時(shí)間里的性能變化和壽命。
在實(shí)踐中，如何選擇環(huán)境應(yīng)力類(lèi)型、施加方式以及應(yīng)力水平是進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)的關(guān)鍵。例如，對(duì)于循環(huán)環(huán)境應(yīng)力，試驗(yàn)的加速性取決于環(huán)境應(yīng)力的大小和變化速率。這兩者在設(shè)計(jì)試驗(yàn)以及考慮試驗(yàn)的加速性時(shí)尤為重要。
對(duì)于簡(jiǎn)單的、單一的環(huán)境應(yīng)力，誘發(fā)老化的機(jī)理相對(duì)直接，能呈現(xiàn)原因——效應(yīng)的相關(guān)性，這通常是機(jī)械磨損時(shí)所遇到的情況。對(duì)于氣候環(huán)境老化這種多環(huán)境應(yīng)力相互作用的多因素機(jī)理的復(fù)雜類(lèi)型，計(jì)算加速因子是十分困難的。傳統(tǒng)的加速壽命試驗(yàn)方法需要一個(gè)失效模型，對(duì)產(chǎn)生失效的應(yīng)力須充分的理解。應(yīng)事實(shí)求是指出，對(duì)于太陽(yáng)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(jī)理及應(yīng)力間的相互影響，到目前為止，還沒(méi)有被充分地揭示。通常，多種老化機(jī)理按時(shí)間依順序起作用或同時(shí)起作用。對(duì)于太陽(yáng)能光伏組件，一些老化現(xiàn)象對(duì)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(yáng)能光伏組件各種老化或失效機(jī)理，又要結(jié)合太陽(yáng)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(yàn)工作十分困難。
這可以用以下事實(shí)予以說(shuō)明：用現(xiàn)行的IEC標(biāo)準(zhǔn)中產(chǎn)品質(zhì)量環(huán)境試驗(yàn)不能預(yù)測(cè)太陽(yáng)能光伏組件的長(zhǎng)期使用的老化性能。在現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)體系內(nèi)難以進(jìn)行太陽(yáng)能光伏組件的耐久性試驗(yàn)。
光伏組件耐久性試驗(yàn)是一種先進(jìn)的用于檢驗(yàn)太陽(yáng)光伏組件的耐久性氣候加速老化試驗(yàn)方法。光伏組件耐久性試驗(yàn)中單一加速試驗(yàn)的加速性，也就是試驗(yàn)的加速因子容易受到太陽(yáng)能光伏組件的設(shè)計(jì)、制造方法、老化機(jī)理和其它許多因素的影響。關(guān)于試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵约霸囼?yàn)材料與現(xiàn)實(shí)世界行為的相關(guān)性，則需要用真實(shí)時(shí)間長(zhǎng)期暴露試驗(yàn)的數(shù)據(jù)予以證明的。對(duì)于太陽(yáng)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(duì)于指定的太陽(yáng)光伏組件設(shè)計(jì)，若沒(méi)有長(zhǎng)期的戶(hù)外暴露數(shù)據(jù)作證明，其加速因子和試驗(yàn)的相關(guān)性將不能被預(yù)測(cè)。在許多情況下，需要了解老化失效機(jī)理，要用到活化能，而實(shí)際中，對(duì)應(yīng)的活化能通常不是現(xiàn)成的。但是，活化能對(duì)于老化失效模型以及外推從加速試驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)則是必須的。
在光伏組件耐久性試驗(yàn)中的人工模擬試驗(yàn)中的主要是模擬主要?dú)夂虻沫h(huán)境應(yīng)力，如在氣候加速老化試驗(yàn)箱每一試驗(yàn)循環(huán)的所能產(chǎn)生的環(huán)境應(yīng)力至少等于2～5天戶(hù)外常見(jiàn)的老化或失效模型所對(duì)應(yīng)的環(huán)境應(yīng)力，而這些戶(hù)外常見(jiàn)的老化或失效模型是已經(jīng)被證實(shí)過(guò)的。這基于許多模型工具，如Arrhenius化學(xué)熱反應(yīng)公式、Coffin-Manson疲勞公式、Paris 疲勞裂紋公式等（見(jiàn)表2）。考慮到實(shí)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(yàn)中附加了另外的加速試驗(yàn)。整個(gè)光伏組件耐久性試驗(yàn)過(guò)程所能產(chǎn)生的環(huán)境應(yīng)力總量將超過(guò)10年戶(hù)外真實(shí)時(shí)間的累積。
表2 太陽(yáng)能光伏組件主要失效老化模式
七．結(jié)束語(yǔ)
光伏組件耐久性試驗(yàn)已經(jīng)開(kāi)始為太陽(yáng)能光伏組件制造廠商服務(wù)。具體試驗(yàn)表明：太陽(yáng)能光伏組件耐久性綜合試驗(yàn)在失效模型、長(zhǎng)期老化、發(fā)電效率等方面上能提供有價(jià)值的信息。在試驗(yàn)中所觀察到失效模式和長(zhǎng)期老化現(xiàn)象，在太陽(yáng)能光伏組件過(guò)往的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的長(zhǎng)期運(yùn)行中也被發(fā)現(xiàn)。光伏組件耐久性試驗(yàn)不僅是目前最全面的、可行的、易于理解的太陽(yáng)能光伏組件耐久性試驗(yàn)方法，對(duì)其它戶(hù)外產(chǎn)品的耐久性試驗(yàn)也有借鑒的意義。
參考文獻(xiàn) [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(jiǎn)介：
江魯（1959—），男，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)方面的研究工作。
馮江濤（1979—），男，工學(xué)博士，研究方向?yàn)楣夥M件耐久性及壽命預(yù)測(cè)。
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(yáng)能是人類(lèi)取之不盡用之不竭的可再生能源，具有長(zhǎng)久巨大、相對(duì)安全、清潔無(wú)害、資源的充足性及潛在的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，在長(zhǎng)期的能源戰(zhàn)略中具有重要地位。對(duì)太陽(yáng)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(lái)發(fā)展最快，也是最具經(jīng)濟(jì)潛力的能源開(kāi)發(fā)領(lǐng)域。
太陽(yáng)能光伏組件是一種暴露在太陽(yáng)光下便會(huì)產(chǎn)生直流電的發(fā)電裝置，因此只要有太陽(yáng)光的地方都可利用太陽(yáng)能光伏組件發(fā)電供給其它用電器。然而，地球上的太陽(yáng)光具有能量密度低的特點(diǎn)：到達(dá)地球表面的太陽(yáng)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(yáng)光還有不穩(wěn)定性的特點(diǎn)：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(jī)因素的影響，到達(dá)某一地面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度既是間斷的又是極不穩(wěn)定的。所以，這給太陽(yáng)能的大規(guī)模應(yīng)用增加了難度。為了提高經(jīng)濟(jì)性，大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)的選址都定在太陽(yáng)能資源豐富的地區(qū)，如中國(guó)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(bǔ)充，如城市中大型建筑上的太陽(yáng)能光伏屋頂。
不難看出太陽(yáng)能光伏組件有這樣的工作特點(diǎn)：
1．在戶(hù)外各種氣候條件下運(yùn)行：安裝工作在地球上一切太陽(yáng)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(diǎn)固定運(yùn)行：安裝朝向使光伏組件在一年中所接收到的太陽(yáng)輻射量最大；在安裝地點(diǎn)經(jīng)歷春夏秋冬各種氣候。
3．運(yùn)行形式為間歇式工作制：正常運(yùn)行時(shí)，太陽(yáng)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(hù)外暴露時(shí)間相等。
為了適應(yīng)太陽(yáng)能光伏組件的工作特點(diǎn)，并滿足其使用的經(jīng)濟(jì)性要求，在行業(yè)中形成了對(duì)太陽(yáng)能光伏組件的如下基本技術(shù)要求：
1、能夠提供足夠的機(jī)械強(qiáng)度，使太陽(yáng)能光伏組件能經(jīng)受運(yùn)輸、安裝和使用過(guò)程中發(fā)生的沖擊、震動(dòng)等產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)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(fēng)、防水、隔絕大氣條件下對(duì)太陽(yáng)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(qiáng)；
5、工作電壓和輸出功率按不同的要求設(shè)計(jì)，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(yáng)能電池片串、并聯(lián)組合引起的發(fā)電效率損失??；
7、太陽(yáng)能電池片連接可靠； 8、工作壽命長(zhǎng)，要求太陽(yáng)能光伏組件在自然條件下能夠使用二十年以上。
二． 太陽(yáng)能光伏組件耐久性試驗(yàn)的必要性
不論規(guī)模大小，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益除了取決于政府的金融信貸和鼓勵(lì)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(yáng)能光伏組件失效或損傷，或者需要保修之外的維修或服務(wù)，或者當(dāng)發(fā)電效率降低到不可接受的程度，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)就會(huì)給用戶(hù)造成經(jīng)濟(jì)損失。
目前，大多數(shù)太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能光伏業(yè)界真正需要面臨的問(wèn)題是：現(xiàn)行的太陽(yáng)能光伏組件設(shè)計(jì)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(yáng)能光伏組件在戶(hù)外使用經(jīng)驗(yàn)也不過(guò)十幾年的時(shí)間，如何保證它們?cè)诙昊蚋L(zhǎng)的時(shí)間里的質(zhì)量？有什么工具可以預(yù)測(cè)其使用壽命，并對(duì)這樣的預(yù)測(cè)有信心？太陽(yáng)能光伏組件的生產(chǎn)商、投資者及用戶(hù)都非常關(guān)心這些問(wèn)題的答案。
任何一種物品，無(wú)論是天然的，還是人工制造的，在使用過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生各類(lèi)形式的失效，各種性能（外觀、使用、安全等）隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)逐漸下降，太陽(yáng)能光伏組件也不例外。
太陽(yáng)能光伏組件老化失效現(xiàn)象的出現(xiàn)可能是其設(shè)計(jì)存在缺陷，原材料的問(wèn)題，或者是生產(chǎn)裝配過(guò)程出現(xiàn)的問(wèn)題所致，也可能是組件戶(hù)外使用過(guò)程中環(huán)境應(yīng)力直接導(dǎo)致的或者受環(huán)境應(yīng)力影響而誘發(fā)產(chǎn)生的。實(shí)際上，很多失效和性能下降是由于太陽(yáng)能光伏組件長(zhǎng)期暴露在嚴(yán)酷環(huán)境下產(chǎn)生的細(xì)微變化逐漸累積的結(jié)果，這就是通常所說(shuō)的老化。一方面，太陽(yáng)能光伏組件很多老化失效發(fā)生在相對(duì)較長(zhǎng)的戶(hù)外暴露過(guò)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(yáng)輻射，溫濕度及鹽霧等的組合作用和重復(fù)作用的結(jié)果，是環(huán)境應(yīng)力短期（天）和長(zhǎng)期（季節(jié)）循環(huán)作用的結(jié)果。另一方面，在戶(hù)外暴露過(guò)程中，各種太陽(yáng)能光伏組件老化失效模式可能是同時(shí)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(yàn)標(biāo)準(zhǔn)IEC61215、 IEC61646、IEC61730和UL1703等都屬于短期的加速試驗(yàn)，目的是發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)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(yàn)很少涉及長(zhǎng)期暴露之后產(chǎn)品的質(zhì)量。 IEC61215等試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于環(huán)境方面的內(nèi)容有以下不足（試驗(yàn)參數(shù)來(lái)自IEC標(biāo)準(zhǔn)）：
1.沒(méi)有任何單獨(dú)的組件樣品經(jīng)歷一整套的環(huán)境試驗(yàn)。
2.試驗(yàn)參數(shù)（溫度，濕度等）比實(shí)際氣候更加極端，不能代表所有的實(shí)際的氣候。
3.除了短期的戶(hù)外暴露試驗(yàn)外，沒(méi)有試驗(yàn)是在全光譜太陽(yáng)輻射下開(kāi)展的。
4.所使用的氣候環(huán)境試驗(yàn)箱不能像自然氣候條件下,那樣將太陽(yáng)照射、溫度濕度結(jié)合起來(lái)。
5.試驗(yàn)周期短，循環(huán)計(jì)數(shù)低（200個(gè)熱循環(huán)或1000小時(shí)的濕熱試驗(yàn)只用6個(gè)星期開(kāi)展）。
6.在試驗(yàn)暴露期內(nèi)，光伏組件一般不在運(yùn)行狀態(tài)。
值得一提的是即使延長(zhǎng)試驗(yàn)時(shí)間或增加試驗(yàn)周期，這些試驗(yàn)只對(duì)發(fā)現(xiàn)一些潛在的失效老化模式有用，但無(wú)法模擬各種氣候條件下的環(huán)境應(yīng)力的組合，不能用作太陽(yáng)能光伏組件耐久性試驗(yàn)。這些問(wèn)題的產(chǎn)生大部分是由于試驗(yàn)方法不正確；缺少合適的足夠大的氣候環(huán)境試驗(yàn)箱，用以放置全尺寸光伏組件；所使用的樣品是沒(méi)有代表性的小型組件樣品。
美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的卡爾.奧斯特伍德和湯姆.馬克麥哈農(nóng)曾發(fā)表過(guò)一份詳細(xì)的自1975年以來(lái)關(guān)于太陽(yáng)能光伏組件試驗(yàn)的回顧報(bào)告，其中也論及IEC標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的試驗(yàn)和其它相關(guān)試驗(yàn)及其發(fā)展。他們分析了這些太陽(yáng)能光伏組件試驗(yàn)方法的適用性和局限性,認(rèn)識(shí)到改進(jìn)方法的必要性，尤其在長(zhǎng)期的耐久性試驗(yàn)領(lǐng)域內(nèi)研發(fā)新的試驗(yàn)方法的必要性。
三．光伏組件耐久性試驗(yàn)
由于太陽(yáng)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(yáng)能光伏組件耐久性加速環(huán)境試驗(yàn)方法，進(jìn)入2000年以后，Atlas公司利用其九十多年環(huán)境氣候試驗(yàn)方面的經(jīng)驗(yàn)和并總結(jié)其二十五年以上在光伏和太陽(yáng)能材料氣候試驗(yàn)領(lǐng)域的研究成果，開(kāi)發(fā)了光伏組件耐久性試驗(yàn)。該試驗(yàn)用于太陽(yáng)能光伏組件產(chǎn)生實(shí)際場(chǎng)地的失效老化，估計(jì)太陽(yáng)能光伏組件的服役壽命。在該試驗(yàn)里要發(fā)現(xiàn)的是因長(zhǎng)期戶(hù)外暴露而導(dǎo)致的失效老化以及相應(yīng)的環(huán)境應(yīng)力。
圖1所示為光伏組件耐久性試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)流程。
在標(biāo)準(zhǔn)的光伏組件耐久性試驗(yàn)里，至少需要三組樣品：一組置于干熱環(huán)境試驗(yàn)場(chǎng)(美國(guó)-鳳凰城或中國(guó)—吐魯番)的太陽(yáng)跟蹤試驗(yàn)架上，一組置于濕熱環(huán)境試驗(yàn)場(chǎng)(美國(guó)—邁阿密或中國(guó)—瓊海)的太陽(yáng)跟蹤試驗(yàn)架上，第三組則需完全經(jīng)歷一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的光伏組件耐久性試驗(yàn)流程。
在標(biāo)準(zhǔn)的光伏組件耐久性試驗(yàn)里，無(wú)論何時(shí)在自然太陽(yáng)光下或戶(hù)內(nèi)太陽(yáng)模擬光下，所有的三組樣品都在最大功率點(diǎn)的電阻負(fù)載下運(yùn)行。在這種情況下太陽(yáng)能光伏組件所受到的應(yīng)力容易導(dǎo)致離子遷移，熱斑，旁路二極管失效等。
圖1 光伏組件耐久性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)流程
在戶(hù)外太陽(yáng)跟蹤試驗(yàn)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(yàn)，經(jīng)受了如太陽(yáng)光、溫濕氣氛、雨、風(fēng)和沙塵等因素的自然作用。
在標(biāo)準(zhǔn)的光伏組件耐久性試驗(yàn)里，第三組樣品被稱(chēng)做實(shí)驗(yàn)室樣品，它的試驗(yàn)多數(shù)是在試驗(yàn)室人工環(huán)境試驗(yàn)箱里完成的。試驗(yàn)流程在時(shí)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(yàn)、鹽霧試驗(yàn)和冷凝試驗(yàn)。 UV紫外光暴露試驗(yàn)用于為樣品提供基本的UV輻射量以激發(fā)樣品開(kāi)始老化進(jìn)程，特別是樣品中的聚合物材料和其它對(duì)UV敏感的材料。鹽霧試驗(yàn)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(cè)。冷凝試驗(yàn)首先是要考核樣品抗水汽進(jìn)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(yàn)過(guò)后樣品上的鹽殘留物。
在完成UV紫外光暴露試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)和冷凝試驗(yàn)后，第三組樣品要進(jìn)入其試驗(yàn)流程中的核心階段——模擬太陽(yáng)光氣候環(huán)境試驗(yàn)循環(huán)階段：
模擬太陽(yáng)光氣候環(huán)境試驗(yàn)在綜合環(huán)境試驗(yàn)箱完成。綜合環(huán)境試驗(yàn)箱能實(shí)現(xiàn)全光譜太陽(yáng)輻射，實(shí)現(xiàn)箱內(nèi)氣氛的溫濕度控制。試驗(yàn)循環(huán)所需要的條件參數(shù)來(lái)自太陽(yáng)能光伏組件所可能服役的三種主要?dú)夂虻倪吔鐥l件。實(shí)踐表明，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，太陽(yáng)能光伏組件對(duì)環(huán)境應(yīng)力的自然循環(huán)逐漸敏感。模擬太陽(yáng)光氣候環(huán)境試驗(yàn)不僅模擬在自然條件下，短期（一天或數(shù)天）的環(huán)境應(yīng)力變化或環(huán)境應(yīng)力循環(huán)，而且模擬在自然條件下，長(zhǎng)期（夏季、冬季）的環(huán)境應(yīng)力變化或環(huán)境應(yīng)力。全光譜太陽(yáng)輻射能提供更實(shí)際的熱應(yīng)力；太陽(yáng)負(fù)荷也能激發(fā)樣品的光老化過(guò)程，在使樣品生產(chǎn)電流的同時(shí)，也使樣品經(jīng)受電方面的應(yīng)力作用。
模擬太陽(yáng)光氣候環(huán)境試驗(yàn)的另外一個(gè)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(jī)械應(yīng)力作用，并獲得較高的試驗(yàn)加速因子。整個(gè)模擬太陽(yáng)光氣候環(huán)境試驗(yàn)循環(huán)階段在一百天內(nèi)完成。第三組樣品接下來(lái)的試驗(yàn)是在戶(hù)外進(jìn)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(chǎng)的太陽(yáng)跟蹤試驗(yàn)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(yàn)，用于檢驗(yàn)第三組樣品對(duì)實(shí)際極端干熱氣候的適應(yīng)性。
在標(biāo)準(zhǔn)的光伏組件耐久性試驗(yàn)里，第三組樣品最后要進(jìn)行一個(gè)擴(kuò)展戶(hù)外暴露試驗(yàn)：第三組樣品置于亞利桑那Atlas暴露場(chǎng)的太陽(yáng)跟蹤試驗(yàn)架上完成一個(gè)暴露試驗(yàn)，其時(shí)間為一年當(dāng)中剩余的時(shí)間。擴(kuò)展戶(hù)外暴露試驗(yàn)的目的在于使第三組樣品接受盡可能多的太陽(yáng)輻射量，經(jīng)受更多的自然環(huán)境應(yīng)力的作用。
四．光伏組件耐久性試驗(yàn)與IEC標(biāo)準(zhǔn)中產(chǎn)品質(zhì)量環(huán)境試驗(yàn)的主要區(qū)別
前面已經(jīng)指出IEC標(biāo)準(zhǔn)中產(chǎn)品質(zhì)量環(huán)境試驗(yàn)的目的是發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)能光伏組件早期的失效故障，而光伏組件耐久性試驗(yàn)的目的是關(guān)注太陽(yáng)能光伏組件在使用期內(nèi)所經(jīng)受的長(zhǎng)期的氣候環(huán)境的影響，以便提供重要的太陽(yáng)能光伏組件長(zhǎng)期性能變化的數(shù)據(jù)和預(yù)估服役壽命的數(shù)據(jù)。光伏組件耐久性試驗(yàn)沒(méi)有復(fù)制或替換IEC標(biāo)準(zhǔn)中產(chǎn)品質(zhì)量環(huán)境試驗(yàn)，但補(bǔ)充回答了這個(gè)問(wèn)題：太陽(yáng)能光伏組件產(chǎn)品能在戶(hù)外工作多久？ 通過(guò)相應(yīng)的比較可以清楚地看到IEC標(biāo)準(zhǔn)中產(chǎn)品質(zhì)量環(huán)境試驗(yàn)和光伏組件耐久性
試驗(yàn)的主要區(qū)別（表1）
表1 IEC標(biāo)準(zhǔn)中產(chǎn)品質(zhì)量環(huán)境試驗(yàn)和光伏組件耐久性試驗(yàn)對(duì)比
五．核心概念：全球組合氣候
太陽(yáng)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(shí)間的推移，太陽(yáng)能光伏組件的電性能等都會(huì)逐漸下降或出現(xiàn)失效。只不過(guò)由于氣候環(huán)境的類(lèi)型不同，環(huán)境嚴(yán)酷度有強(qiáng)弱之分，太陽(yáng)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(shí)間有長(zhǎng)有短，失效的類(lèi)型有所不同。經(jīng)驗(yàn)表明：像其它工業(yè)產(chǎn)品一樣，對(duì)于太陽(yáng)能光伏組件而言，有些服役環(huán)境的環(huán)境嚴(yán)酷度比其它地方更高，處于該環(huán)境條件下試驗(yàn)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(yáng)能光伏組件性能發(fā)生變化或失效的動(dòng)因是其受到了環(huán)境應(yīng)力的作用。如果太陽(yáng)能光伏組件能夠在各種環(huán)境因素嚴(yán)酷度最強(qiáng)的氣候環(huán)境條件下可靠地運(yùn)行一定的時(shí)間，則在其它相對(duì)較弱的氣候環(huán)境條件下也應(yīng)能可靠地運(yùn)行同樣的或更長(zhǎng)的時(shí)間。出于這樣的思想ATLAS提出了“全球組合氣候”的概念。
圖2 工業(yè)產(chǎn)品自然服役環(huán)境條件分類(lèi)(GBT 4797.1-2005)
長(zhǎng)期暴露試驗(yàn)的數(shù)據(jù)資料表明：在太陽(yáng)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(yán)酷的氣候環(huán)境條件，結(jié)合太陽(yáng)能光伏組件的運(yùn)行實(shí)際，設(shè)計(jì)了所謂的組合氣候，作為即將在全球使用的太陽(yáng)能光伏組件的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)環(huán)境，進(jìn)而產(chǎn)生了光伏組件耐久性試驗(yàn)。太陽(yáng)光伏組件在光伏板組件耐久性試驗(yàn)中所歷經(jīng)的主要?dú)夂蚓褪?ldquo;全球組合氣候”。
六．光伏組件耐久性試驗(yàn)的相關(guān)性和加速性
光伏板組件耐久性試驗(yàn)是一種加速壽命試驗(yàn)方法。對(duì)加速壽命試驗(yàn)方法的基本要求是：第一，在沒(méi)有改變機(jī)理的情況下，能復(fù)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(shí)間比真實(shí)時(shí)間要短（加速性要求）。
加速壽命試驗(yàn)方法的基本實(shí)驗(yàn)原理是：用一較高水平上的環(huán)境應(yīng)力（環(huán)境應(yīng)力的水平狀態(tài)可能是單值的、階梯的或循環(huán)的），在比實(shí)際環(huán)境里短的時(shí)間內(nèi)得到試驗(yàn)結(jié)果，然后外推試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以獲得產(chǎn)品在實(shí)際環(huán)境應(yīng)力水平及實(shí)際時(shí)間里的性能變化和壽命。
在實(shí)踐中，如何選擇環(huán)境應(yīng)力類(lèi)型、施加方式以及應(yīng)力水平是進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)的關(guān)鍵。例如，對(duì)于循環(huán)環(huán)境應(yīng)力，試驗(yàn)的加速性取決于環(huán)境應(yīng)力的大小和變化速率。這兩者在設(shè)計(jì)試驗(yàn)以及考慮試驗(yàn)的加速性時(shí)尤為重要。
對(duì)于簡(jiǎn)單的、單一的環(huán)境應(yīng)力，誘發(fā)老化的機(jī)理相對(duì)直接，能呈現(xiàn)原因——效應(yīng)的相關(guān)性，這通常是機(jī)械磨損時(shí)所遇到的情況。對(duì)于氣候環(huán)境老化這種多環(huán)境應(yīng)力相互作用的多因素機(jī)理的復(fù)雜類(lèi)型，計(jì)算加速因子是十分困難的。傳統(tǒng)的加速壽命試驗(yàn)方法需要一個(gè)失效模型，對(duì)產(chǎn)生失效的應(yīng)力須充分的理解。應(yīng)事實(shí)求是指出，對(duì)于太陽(yáng)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(jī)理及應(yīng)力間的相互影響，到目前為止，還沒(méi)有被充分地揭示。通常，多種老化機(jī)理按時(shí)間依順序起作用或同時(shí)起作用。對(duì)于太陽(yáng)能光伏組件，一些老化現(xiàn)象對(duì)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(yáng)能光伏組件各種老化或失效機(jī)理，又要結(jié)合太陽(yáng)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(yàn)工作十分困難。
這可以用以下事實(shí)予以說(shuō)明：用現(xiàn)行的IEC標(biāo)準(zhǔn)中產(chǎn)品質(zhì)量環(huán)境試驗(yàn)不能預(yù)測(cè)太陽(yáng)能光伏組件的長(zhǎng)期使用的老化性能。在現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)體系內(nèi)難以進(jìn)行太陽(yáng)能光伏組件的耐久性試驗(yàn)。
光伏組件耐久性試驗(yàn)是一種先進(jìn)的用于檢驗(yàn)太陽(yáng)光伏組件的耐久性氣候加速老化試驗(yàn)方法。光伏組件耐久性試驗(yàn)中單一加速試驗(yàn)的加速性，也就是試驗(yàn)的加速因子容易受到太陽(yáng)能光伏組件的設(shè)計(jì)、制造方法、老化機(jī)理和其它許多因素的影響。關(guān)于試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵约霸囼?yàn)材料與現(xiàn)實(shí)世界行為的相關(guān)性，則需要用真實(shí)時(shí)間長(zhǎng)期暴露試驗(yàn)的數(shù)據(jù)予以證明的。對(duì)于太陽(yáng)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(duì)于指定的太陽(yáng)光伏組件設(shè)計(jì)，若沒(méi)有長(zhǎng)期的戶(hù)外暴露數(shù)據(jù)作證明，其加速因子和試驗(yàn)的相關(guān)性將不能被預(yù)測(cè)。在許多情況下，需要了解老化失效機(jī)理，要用到活化能，而實(shí)際中，對(duì)應(yīng)的活化能通常不是現(xiàn)成的。但是，活化能對(duì)于老化失效模型以及外推從加速試驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)則是必須的。
在光伏組件耐久性試驗(yàn)中的人工模擬試驗(yàn)中的主要是模擬主要?dú)夂虻沫h(huán)境應(yīng)力，如在氣候加速老化試驗(yàn)箱每一試驗(yàn)循環(huán)的所能產(chǎn)生的環(huán)境應(yīng)力至少等于2～5天戶(hù)外常見(jiàn)的老化或失效模型所對(duì)應(yīng)的環(huán)境應(yīng)力，而這些戶(hù)外常見(jiàn)的老化或失效模型是已經(jīng)被證實(shí)過(guò)的。這基于許多模型工具，如Arrhenius化學(xué)熱反應(yīng)公式、Coffin-Manson疲勞公式、Paris 疲勞裂紋公式等（見(jiàn)表2）。考慮到實(shí)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(yàn)中附加了另外的加速試驗(yàn)。整個(gè)光伏組件耐久性試驗(yàn)過(guò)程所能產(chǎn)生的環(huán)境應(yīng)力總量將超過(guò)10年戶(hù)外真實(shí)時(shí)間的累積。
表2 太陽(yáng)能光伏組件主要失效老化模式
七．結(jié)束語(yǔ)
光伏組件耐久性試驗(yàn)已經(jīng)開(kāi)始為太陽(yáng)能光伏組件制造廠商服務(wù)。具體試驗(yàn)表明：太陽(yáng)能光伏組件耐久性綜合試驗(yàn)在失效模型、長(zhǎng)期老化、發(fā)電效率等方面上能提供有價(jià)值的信息。在試驗(yàn)中所觀察到失效模式和長(zhǎng)期老化現(xiàn)象，在太陽(yáng)能光伏組件過(guò)往的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的長(zhǎng)期運(yùn)行中也被發(fā)現(xiàn)。光伏組件耐久性試驗(yàn)不僅是目前最全面的、可行的、易于理解的太陽(yáng)能光伏組件耐久性試驗(yàn)方法，對(duì)其它戶(hù)外產(chǎn)品的耐久性試驗(yàn)也有借鑒的意義。
參考文獻(xiàn) [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(jiǎn)介：
江魯（1959—），男，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)方面的研究工作。
馮江濤（1979—），男，工學(xué)博士，研究方向?yàn)楣夥M件耐久性及壽命預(yù)測(cè)。
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