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(zhì)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(biāo)的風(fēng)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(zhì)保措施，以及當(dāng)下公共事業(yè)規(guī)模光伏電站獲得銀行可貼現(xiàn)行所遇到的挑戰(zhàn)。】


光伏市場正處于迅速的全球化擴張當(dāng)中。不斷進(jìn)行的研發(fā)與規(guī)模經(jīng)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(xiàn)具有吸引力的投資回報率時對政府補貼的依賴。為了能夠?qū)崿F(xiàn)銀行可貼現(xiàn)性和產(chǎn)品差異化，在系統(tǒng)層級具有頂級認(rèn)證和質(zhì)量保障是極為關(guān)鍵的。

更重要的是，超越現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)、使用質(zhì)量有保障的新式客制化產(chǎn)品已經(jīng)成為在系統(tǒng)層面解決質(zhì)量問題的必要因素。這一方式可以降低技術(shù)風(fēng)險、提高光伏系統(tǒng)作為保險投資的信任與信心。實地環(huán)境中的實驗強調(diào)了系統(tǒng)設(shè)計、合理規(guī)劃、工程調(diào)試、部件選擇和建造工作對一個光伏系統(tǒng)的成功所具有的重要性。此外，對光伏電站進(jìn)行的全面質(zhì)保需要涵蓋所有環(huán)節(jié)，從規(guī)劃直至系統(tǒng)運維[1]。

光伏電站質(zhì)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(xiàn)技術(shù)風(fēng)險。在過去的幾年當(dāng)中，組件成為實現(xiàn)銀行可貼現(xiàn)性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。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(tǒng)平衡(BOS)零部件，以及系統(tǒng)整體則獲得了愈來愈多的重視。逆變器作為發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的接口，成為了系統(tǒng)可靠性和技術(shù)可貼現(xiàn)性的關(guān)鍵組成部分。時至今日，大規(guī)模光伏電站的質(zhì)量也會由于其設(shè)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(chǎn)具有極大的成本壓力，在全球范圍內(nèi)生產(chǎn)地點不同、原料成本經(jīng)常發(fā)生變動，但卻被用作是同一種組件類型。這些趨勢在質(zhì)保方面為制造商和客戶都帶來了額外的挑戰(zhàn)。此外，近期出現(xiàn)的失敗機制——例如潛在誘導(dǎo)降解、微裂痕、蝸牛紋和褪色等——均可能導(dǎo)致投資者對光伏電站穩(wěn)定性信心的下降。

性能比(PR)與平準(zhǔn)化能源成本(LCOE)是評估大規(guī)模光伏電站質(zhì)量的關(guān)鍵因素。近期的開發(fā)模式能夠?qū)α悴考驮O(shè)計質(zhì)量分別進(jìn)行獨立評估，以保證在系統(tǒng)的整個使用壽命期間都能保持在最佳狀態(tài)。

性能評估

現(xiàn)在的公共事業(yè)規(guī)模光伏安裝系統(tǒng)都是多兆瓦級別的，從10MWp到500MWp不等。因此，其質(zhì)量保障就必須涵蓋安裝在長達(dá)數(shù)英里金屬軌道上、通過若干捆電纜連接至數(shù)百臺逆變器、遍布數(shù)千英畝的數(shù)百萬塊組件。這就十分明確地顯示出大規(guī)模光伏電站同樣會由于設(shè)計和生產(chǎn)因素而產(chǎn)生差異性。無論是在零部件層面或是在系統(tǒng)層面，進(jìn)行100%的測試是不現(xiàn)實的，因此最先進(jìn)的系統(tǒng)工程調(diào)試需要標(biāo)準(zhǔn)化、為效率和完美建造而精心設(shè)計過的電站單元。

在將光伏電站作為一個整體進(jìn)行評估時，其中關(guān)鍵的一點即為性能比——一個全球認(rèn)可的光伏系統(tǒng)整體利用水平的測量方式[2]。IEC 61724國際標(biāo)準(zhǔn)對性能比(PR)進(jìn)行了定義，并且可通過全球平面陣列(GPOA)輻射和直流能源發(fā)電而直接算得。因此，這一指標(biāo)能夠反應(yīng)出系統(tǒng)操作效率，并能夠?qū)囟取㈥柟廨椛洳煌暾褂?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(tǒng)額定功率耗損量考慮在內(nèi)。

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

參見方程1(左圖)

在對這一公式進(jìn)行詳細(xì)分析時，其中多個質(zhì)量參數(shù)(在方程2中圈出)應(yīng)予以區(qū)分：

參見方程2(左圖)

其中(質(zhì)量參數(shù)用黑體標(biāo)出)：

I0 = 電站初始投資

C0 = 年度運維成本

n = 服務(wù)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(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)化能源成本，從而進(jìn)一步確保投資回報率(ROI)，需要對質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行進(jìn)可能準(zhǔn)確的預(yù)測(如EY等)，或確保其穩(wěn)定性(如ηSTC或RP等)。對光伏電站的質(zhì)量來說，也可從LCOE中獲得適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量測量方式。圖一(見左圖)顯示出了不同項目階段中的質(zhì)量保障測試。

在接下來的文章將重點介紹主流質(zhì)量保障方式，并且會涉及公共事業(yè)規(guī)模光伏電站評估過程中所遇到的相關(guān)挑戰(zhàn)。

基礎(chǔ)——準(zhǔn)確的產(chǎn)量評估

初期所遇到的實際操作困難是光伏電站如何實現(xiàn)其預(yù)估產(chǎn)能。實際操作經(jīng)驗表明，如果不進(jìn)行驗收測試的話，是無法對這一因素進(jìn)行保證的[3]。初期，設(shè)計商的差異看似并不會對預(yù)期能源產(chǎn)量造成任何影響，但實際上所產(chǎn)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(tǒng)安裝是否符合預(yù)期，即使對產(chǎn)能做出預(yù)測也是毫無用處的。

圖二(見左圖)顯示出了輸入數(shù)據(jù)的主要類型及其不確定性。很明顯，氣候數(shù)據(jù)對產(chǎn)能預(yù)期的不確定性具有最大影響。最先進(jìn)的產(chǎn)能預(yù)期通常使用日照輻射時間數(shù)列的衛(wèi)星數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)建模的基礎(chǔ)。這些時間數(shù)列的質(zhì)量在過去十年內(nèi)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(chǎn)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(shù)的詳細(xì)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(guān)注，但近期的一個關(guān)于產(chǎn)能預(yù)期質(zhì)量的研究話題即是關(guān)于可對預(yù)期能源產(chǎn)量產(chǎn)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(shù)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。總的來說，在經(jīng)歷了上世紀(jì)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?xí)r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(jìn)行了分析：分析結(jié)果顯示，在30度傾角的陽面電池板中，日照輻射會出現(xiàn)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(shù)據(jù)，則這一不確定性則會增加高達(dá)五個百分點。目前，全球其他地方的相關(guān)數(shù)據(jù)仍舊處于匱缺狀態(tài)。

光伏系統(tǒng)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(dǎo)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(yīng)、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(jìn)行預(yù)測，且偏差也在可測不確定范圍之內(nèi)[9]。

對于光伏組件來說，輸入數(shù)據(jù)方面所遇到的較大挑戰(zhàn)在于光伏組件在非STC條件下的性能表現(xiàn)。已有計算表明，光伏組件在低光照下性能的數(shù)據(jù)表信息不足以用來進(jìn)行可靠的產(chǎn)能評估[10]：因此，用來進(jìn)行產(chǎn)能預(yù)測的參數(shù)應(yīng)該單獨按照IEC 61853-1功率等級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計算，或通過測量1000W/m2日照輻射下的溫度系數(shù)和25°C時的低光照性能表現(xiàn)來進(jìn)行。通常情況下，實驗會對多個組件進(jìn)行特征測試。在對1號生產(chǎn)商的產(chǎn)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(chǎn)商的產(chǎn)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(dǎo)致產(chǎn)能預(yù)估出現(xiàn)嚴(yán)重高估。[3, 10]。

圖四(見左圖)顯示的是針對溫度系數(shù)所進(jìn)行的同樣的評估。其中較為特別的是，為開路電壓(Voc)所設(shè)置的溫度系數(shù)上出現(xiàn)了與預(yù)期范圍差別較大的偏差(高達(dá)90%分位數(shù))。圖三和圖四中所顯示的90%分位數(shù)綜合了Fraunhofer ISE研究所在過去兩年間所進(jìn)行的超過100個測試結(jié)果。這些評估結(jié)果能夠在使用數(shù)據(jù)表和生產(chǎn)商所提供的數(shù)據(jù)作為產(chǎn)能預(yù)期的輸入數(shù)據(jù)之前對其進(jìn)行初步核實。除了實驗室測量來對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，還可通過本文接下來所要介紹的在系統(tǒng)測試階段進(jìn)行現(xiàn)場測試和性能評估來提高產(chǎn)能預(yù)期的準(zhǔn)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(guī)劃設(shè)計階段就已開始顯現(xiàn)。但同時，規(guī)劃和設(shè)計階段還是樹立產(chǎn)品信心的關(guān)鍵階段。一個質(zhì)量標(biāo)桿流程，配合上預(yù)先制定好的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，可對如下方面有所助益：

防止出現(xiàn)系統(tǒng)表現(xiàn)不佳的狀況；
為產(chǎn)能評估提供獨立參數(shù)；
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(dǎo)降解等)
將產(chǎn)品與最先進(jìn)技術(shù)結(jié)果相對比
最終的測試流程，特別是穩(wěn)定性的測試流程，應(yīng)該根據(jù)顧客的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、實地操作的經(jīng)驗和環(huán)境因素(安裝場地、系統(tǒng)布局等)來安排。實驗室測試的目的并非對標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的細(xì)節(jié)進(jìn)行重復(fù)測試，卻不進(jìn)行具備任何對預(yù)期使用壽命內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行探索的可能；實驗室測試的目的須是防止在實地現(xiàn)場發(fā)生已知故障(如閃電紋、黃變、PID等)，以及通過確認(rèn)相關(guān)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(chǎn)品的信心。

在安裝階段，推薦對組件進(jìn)行獨立性能檢測，以防止所購買的組件出現(xiàn)系統(tǒng)性能表現(xiàn)不佳的狀況。在這一期間里需要根據(jù)所選等的對照組為基礎(chǔ)，對生產(chǎn)商在模擬器清單(電能特性清單)中所表明的值進(jìn)行檢測。圖五(見左圖)表明在一定程度上來說，選擇不同生產(chǎn)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(guī)定對一定數(shù)量的組件進(jìn)行測試。為了簡化流程，組件都是隨機進(jìn)行選擇的；在大多數(shù)情況下，這就意味著，如果需要對50個組件進(jìn)行測試，就要寄送兩箱未經(jīng)篩選的組件進(jìn)行實驗室測試。在這種情況下，大對數(shù)組件都具有相同的生產(chǎn)批號，因此，代表的是同一時間段內(nèi)的生產(chǎn)狀況。圖六中的例證明確地展現(xiàn)出對應(yīng)的小范圍幅度。在實際操作中，對同一批次中的25個組件進(jìn)行測試，在防止所購買的整批組件在系統(tǒng)層面出現(xiàn)性能不佳所實際起到的作用不大。

為了規(guī)避組件出現(xiàn)系統(tǒng)層面的性能不佳，取樣流程需要極為謹(jǐn)慎，并且對結(jié)果評估的準(zhǔn)確性要求極高。在Fraunhofer ISE實驗室中，對晶硅組件所進(jìn)行的測試均遵循業(yè)內(nèi)領(lǐng)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(biāo)準(zhǔn)。

對于評估來說，將可能對實地使用中的性能產(chǎn)生影響的初始效用考慮在內(nèi)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(nèi)完成，組件性能隨后則保持穩(wěn)定。為滿足DIN EN50380:2003-09[13]標(biāo)準(zhǔn)要求，組件需在經(jīng)過20kWh/m2及以上的日照曝光度后，達(dá)到銘牌和數(shù)據(jù)表中所規(guī)定的STC標(biāo)準(zhǔn)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(yè)的技術(shù)知識[12, 14]。根據(jù)所使用的技術(shù)不同，初始衰減或暗儲能的影響會改變功率。因此，預(yù)處理過程就必須在I-V曲線測量之前進(jìn)行，以將組件調(diào)試至能夠體現(xiàn)實地操作情形的狀態(tài)(CIGS和CdTe)。

系統(tǒng)測試

大多數(shù)驗收測試、初始性能與安全評估或是電站認(rèn)證都是在項目的調(diào)試階段進(jìn)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(guān)鍵的作用——這一指標(biāo)顯示出了一套光伏系統(tǒng)的運行性能。

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

因此，在這種方法中，獲得的監(jiān)控數(shù)據(jù)通過與已安裝一定時間的、經(jīng)過校準(zhǔn)的高品質(zhì)測量設(shè)備進(jìn)行比較來得到驗證；在必要的情況下，已校準(zhǔn)設(shè)備的測量結(jié)果可被用于調(diào)校所獲得的監(jiān)控數(shù)據(jù)。如果可以對由于污染遮蔽而造成的實際功率損耗進(jìn)行測量，則可獲得更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。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(jìn)行的，同時，測試也對清洗流程進(jìn)行了評估，以對特定場地中污染遮蔽所產(chǎn)生的影響的進(jìn)行估算。

在驗證和校準(zhǔn)后，現(xiàn)有的監(jiān)控數(shù)據(jù)可用于確定實際的性能比。為與預(yù)期性能比進(jìn)行比較，所測得的氣象數(shù)據(jù)(輻照強度、溫度)將通過使用既定程序和系統(tǒng)模型，以及從原始產(chǎn)能預(yù)期中獲得的參數(shù)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(chǎn)業(yè)對這一程序進(jìn)行開發(fā)，并使之能夠適用于當(dāng)前的科學(xué)和技術(shù)水平。在所有特定電站參數(shù)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(jìn)行功率等級測量所得出的參數(shù)。

在近幾年中，這一性能驗證流程已成功地應(yīng)用于全球各地的公用事業(yè)規(guī)模光伏電站上。結(jié)果顯示，電站的性能可以在幾個星期內(nèi)就得到精確的評估，同時，隨著電站的監(jiān)測系統(tǒng)得到證實，使得對現(xiàn)有和未來產(chǎn)量數(shù)據(jù)進(jìn)行第三方評估成為可能。

另一個重要的方面是，性能評估應(yīng)該涵蓋光伏系統(tǒng)及其性能所涉及的所有零部件。特別是逆變器，作為發(fā)電方和電網(wǎng)之間的鏈接，對于電站可靠性和技術(shù)可貼現(xiàn)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(chǔ)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(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的測試，在某一特定地點的特定喚醒中，仍舊可能會導(dǎo)致明顯的產(chǎn)能損失。例如，幾百個并聯(lián)運行的逆變器、與其他逆變器或是高噪點電網(wǎng)之間的聯(lián)接均可能導(dǎo)致在現(xiàn)場出現(xiàn)問題。因此，對于系統(tǒng)的技術(shù)可貼現(xiàn)性來說，并非僅僅關(guān)注單個零部件是極為重要的。

光伏電站運營經(jīng)驗

對商用和公用事業(yè)規(guī)模的光伏安裝系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測和控制是屬于電站運行的強制性要求。運行過程中出現(xiàn)的故障必通過可靠的方法進(jìn)行檢測，以避免出現(xiàn)重大產(chǎn)能損失。但是，精準(zhǔn)的監(jiān)測同時還能顯示出設(shè)備性能是否穩(wěn)定，這一點將可保證項目投資的回報率；此外，相關(guān)監(jiān)測還能提供用于記錄系統(tǒng)布局、工藝和所使用零部件的基本數(shù)據(jù)。因此，在評估項目的銀行可貼現(xiàn)性時，獨立第三方性能報告是必要條件。

Fraunhofer ISE實驗室所監(jiān)測的300多個光伏電站的標(biāo)桿數(shù)據(jù)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(shù)具有基本的初始質(zhì)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(xiàn)有高質(zhì)量光伏電站的初始性能比預(yù)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(tǒng)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(dāng)?shù)馁|(zhì)量保障措施，當(dāng)今的太陽能已然能夠成為可靠的能源來源。

結(jié)論

質(zhì)量是實現(xiàn)技術(shù)銀行可貼現(xiàn)性的關(guān)鍵因素；這也就意味著需要引入最先進(jìn)的系統(tǒng)設(shè)計和標(biāo)準(zhǔn)。適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量保障措施，如工廠認(rèn)證等，可降低組件或系統(tǒng)故障所帶來的技術(shù)風(fēng)險，并同時實現(xiàn)準(zhǔn)確度更高的性能驗證。因此，質(zhì)量為系統(tǒng)的財務(wù)回報提供了一個更為明確的前景。對于零部件供應(yīng)商和系統(tǒng)集成商來說，當(dāng)不同股東在評估項目投資過程中采用不同的標(biāo)準(zhǔn)時，質(zhì)量可以幫助其在競爭激烈的市場上實現(xiàn)差異化。

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