光伏組件作為光伏發(fā)電的核心設(shè)備，其質(zhì)量倍受關(guān)注，能否達(dá)到預(yù)期使用壽命也經(jīng)常受到質(zhì)疑。時(shí)至今日，光伏發(fā)電已實(shí)質(zhì)性地進(jìn)入“去補(bǔ)貼”時(shí)代，為降低度電成本，有人會(huì)問：組件預(yù)期使用壽命為什么是25年?能否使用30年或更長(zhǎng)時(shí)間?為什么市場(chǎng)上會(huì)有很多達(dá)不到預(yù)期壽命的組件?“短命”組件問題到底出在何處?新征程，需要我們有新思考。帶著問題和疑問，本文基于數(shù)據(jù)做了解析。
鑒衡認(rèn)證中心 紀(jì)振雙
一、總體分析和判斷
目前，多數(shù)企業(yè)對(duì)交付使用的光伏組件提供兩類質(zhì)保，一類是有限產(chǎn)品質(zhì)保，質(zhì)保期大多為 10 年或 12 年，質(zhì)保范圍為組件的設(shè)計(jì)、材料或工藝原因造成的質(zhì)量問題;二是有限電性能，即最大輸出功率質(zhì)保，通常為 25 年線性質(zhì)保，有的企業(yè)為提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)特殊類型的組件(如雙玻組件)提供了 30 年質(zhì)保。由于組件在系統(tǒng)成本中占比最高，光伏電站設(shè)計(jì)使用壽命通常與組件最大功率保證年限相同。
客觀地說，將組件預(yù)期使用壽命確定為 25 年或認(rèn)為組件最大輸出功率衰減至初始功率的 80% 即不能經(jīng)濟(jì)地使用，只是約定俗成，并無有說服力的理論依據(jù)或經(jīng)驗(yàn)證實(shí)。
針對(duì)行業(yè)關(guān)心的問題，鑒衡認(rèn)證中心一直在開展相關(guān)的檢測(cè)和研究工作。近幾年，結(jié)合各種類型的電站檢測(cè)，鑒衡有意識(shí)地對(duì)不同類型、不同氣候區(qū)組件的使用情況進(jìn)行了針對(duì)性檢測(cè)和分析。圖 1 為鑒衡在位于我國(guó)亞濕熱、曖溫、寒溫等光伏應(yīng)用較廣區(qū)域內(nèi)的 20 座電站中，每類氣候區(qū)選擇 21 種不同類型和型號(hào)的組件，合計(jì) 63 種組件最大功率衰減程度的測(cè)試和分析結(jié)果。
圖1：組件最大功率衰減均值和極值指數(shù)，來源：鑒衡認(rèn)證
解釋和說明：
1)按投用時(shí)間，樣本組件分三檔，包括投用時(shí)間在1 年以內(nèi)、3 年左右、5 年左右。
2)導(dǎo)入“最大功率衰減均值指數(shù)”、“最大功率衰減極值指數(shù)”兩個(gè)指標(biāo)用以衡量組件最大功率相對(duì)于保證值的衰減水平，并進(jìn)行橫、縱向比較。其中，“最大功率衰減均值指數(shù)”是指某電站、單一型號(hào)“抽檢組件樣本組”最大功率衰減率均值與對(duì)應(yīng)期限最大功率衰減保證值(線性計(jì)算)的比值;“最大功率衰減極值指數(shù)”是指某電站、單一型號(hào)“抽檢組件樣本組”中最大功率衰減率最大值與對(duì)應(yīng)期限衰減率保證值的比值。
3)按標(biāo)稱功率計(jì)算組件最大功率衰減率;數(shù)據(jù)處理時(shí)，未考慮最大功率的測(cè)量不確定度。
4)數(shù)據(jù)處理時(shí)，剔除有明顯外觀和內(nèi)部質(zhì)量缺陷組件的檢測(cè)數(shù)據(jù)。
5)未考慮初始實(shí)測(cè)與標(biāo)稱功率的差異及測(cè)量不確定度的影響，雖為統(tǒng)計(jì)結(jié)果，仍存在偏差。
鑒衡認(rèn)證所檢測(cè)的 63 種組件“最大功率衰減均值指數(shù)”的平均值為 0.71。其中，運(yùn)行時(shí)間在一年以內(nèi)的組件有19種，“最大功率衰減均值指數(shù)”為 0.71;運(yùn)行時(shí)間在3年左右的組件有32種，“最大功率衰減均值指數(shù)”為 0.71;運(yùn)行時(shí)間在5年左右的組件有 12 種，“最大功率衰減均值指數(shù)”為 0.72，意味著組件平均功率衰減水平明顯優(yōu)于保證值。以運(yùn)行時(shí)間5年左右的多晶硅組件為例，按首年衰減不超過2.5%、其后每年不超過 0.7% 的線性保證值計(jì)算，運(yùn)行 5 年的組件最大功率衰減的保證值為不超過 5.3%，“最大功率衰減均值指數(shù)”為 0.72，組件實(shí)際最大功率衰減的平均值為 3.98%。
從這組數(shù)據(jù)看，組件平均功率衰減水平優(yōu)于保證值;另外，運(yùn)行時(shí)間在 1 年、3 年、5 年的組件，“最大功率衰減均值指數(shù)”差異較小，線性外推，單純從最大功率衰減程度看，可以粗略地認(rèn)為：大部分組件可以經(jīng)濟(jì)地使用 25 年或更長(zhǎng)時(shí)間。
二、組件使用壽命的影響因素
盡管沒有強(qiáng)制性規(guī)定，對(duì)外銷售的組件通過 IEC 61215 和 IEC 61730 的檢測(cè)和認(rèn)證已成為行業(yè)慣例。近些年，有些通過認(rèn)證的組件在使用過程也出現(xiàn)了質(zhì)量問題，人們不禁要問：為什么通過 IEC 61215 和 IEC 61730 認(rèn)證的組件還會(huì)出問題?要回答這一問題，首先需要對(duì) IEC 61215 和 IEC 61730 標(biāo)準(zhǔn)的作用有正確的理解。
對(duì) IEC 61215 標(biāo)準(zhǔn)的作用，在IEC 61215-1:2016 《地面用光伏組件—設(shè)計(jì)鑒定和定型—第一部分：測(cè)試要求》的“范圍和目的”中給出了說明，需要理解以下幾點(diǎn)：
1)標(biāo)準(zhǔn)中給出如下說明“本試驗(yàn)序列的目的是在盡可能合理的費(fèi)用和時(shí)間內(nèi)確定組件的電性能和熱性能，并表明組件能夠在 IEC 60721-2-1 中描述的戶外氣候條件下長(zhǎng)期使用。通過此試驗(yàn)的組件的實(shí)際使用壽命預(yù)期取決于組件的設(shè)計(jì)以及它們使用的環(huán)境和條件”。可以簡(jiǎn)單地理解為：通過標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，僅證實(shí)組件具備長(zhǎng)期運(yùn)行所需的基本性能，并不表明組件能夠?qū)嶋H使用 25 年。
2)IEC 60721-2-1:2013 《環(huán)境條件分類 自然環(huán)境條件 溫度和濕度》中按溫度和濕度給出了 5 類環(huán)境條件。GB/T 4797.1-2018 修改采用了 IEC 60721-2-1:2013 標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合中國(guó)實(shí)際，給出了 7 種環(huán)境條件。標(biāo)準(zhǔn)中僅給出了一般的室外環(huán)境類型及其溫、濕度條件，作為組件設(shè)計(jì)依據(jù)的背景材料并不充分。實(shí)際工作中，還需要考慮光照(如紫外光強(qiáng)度)、氣候現(xiàn)象(如：大風(fēng)、沙塵、冰雹、積雪)、大氣環(huán)境質(zhì)量、工況條件等方面的影響。針對(duì)特定條件，現(xiàn)行 IEC 系列標(biāo)準(zhǔn)采用的是“補(bǔ)丁”方式，即針對(duì)已出現(xiàn)或新出現(xiàn)的問題或需求，制定專項(xiàng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，如：IEC TS 62804-1 《光伏組件電勢(shì)誘導(dǎo)衰減測(cè)試方法 第1部分：晶體硅》、IEC 61701 《光伏組件鹽霧腐蝕試驗(yàn)》、IEC 62716 《光伏組件氨腐蝕試驗(yàn)》。
3)另外，擬進(jìn)一步修訂的 IEC 61215 標(biāo)準(zhǔn)中，給出如下說明“加速測(cè)試條件基于實(shí)際觀察到的失效模式。根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)可以選定不同的加速因子，測(cè)試結(jié)果不宜解釋為組件使用壽命的預(yù)測(cè)，不是所有的衰減機(jī)理都可以證明”。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的最新解釋，對(duì)組件及其所用材料，盲目地增加測(cè)試條件的強(qiáng)度或累積量;或?qū)ν庑Q通過 3 倍 IEC 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的組件就能使用 30 年，缺少依據(jù)。
總體看，現(xiàn)行 IEC 標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，還不夠系統(tǒng)和完善，在滿足組件設(shè)計(jì)、制造、使用及質(zhì)量驗(yàn)證的需求方面，還有差距。
1. 組件使用壽命的影響因素
圖 2 從設(shè)計(jì)、制造、使用等環(huán)節(jié)概括了影響組件使用壽命的一些主要因素。
圖2：組件使用壽命影響因素概覽，來源：鑒衡認(rèn)證
圖中所述的各類因素，或多或少地影響著組件的使用壽命，需要全過程、全要素控制。依據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，在影響組件使用壽命的各類因素中，技術(shù)成熟度、制程質(zhì)量控制、環(huán)境適配性為需要控制的關(guān)鍵因素。
1)圖 3 為在位于不同區(qū)域的 6 個(gè)電站中，每個(gè)電站選取同企業(yè)、同時(shí)點(diǎn)投用、不同效率檔的組件，進(jìn)行最大功率衰減程度對(duì)比測(cè)試的結(jié)果。其中，標(biāo)識(shí)為 “A” 的組件為同期成熟度較高的效率檔，標(biāo)識(shí)為 “B” 的為高效率檔位的組件。
可以看出，6 個(gè)對(duì)比組中，“A” 類組件最大功率衰減均值指數(shù)均低于 “B” 類組件。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，部分 “B” 類組件尚處于不夠成熟和穩(wěn)定的量產(chǎn)期。
圖3：同期、不同效率水平組件功率衰減對(duì)比，來源：鑒衡認(rèn)證
2)圖 4 為從位于我國(guó)亞濕熱、曖溫、寒溫等 3 類氣候區(qū)的 15 座電站中，每類氣候區(qū)各選擇 15 種組件，每種組件抽取不少于 5 塊無嚴(yán)重缺陷的組件，進(jìn)行最大功率衰減程度對(duì)比測(cè)試和分析的結(jié)果。
通過對(duì)比可看出，在亞濕熱、曖溫兩類氣候區(qū)中使用的組件，最大功率衰減情況并無明顯差異;在寒溫區(qū)中使用的組件，從均值指數(shù)和極值指數(shù)看，均明顯好于前兩類氣候區(qū)。這意味著，針對(duì)某些特定的環(huán)境條件，需要采用針對(duì)性設(shè)計(jì)，以提高組件的可靠性。
圖4：不同氣候區(qū)最大功率衰減均值和極值指數(shù)對(duì)比,來源：鑒衡認(rèn)證
3)圖 5 為從同一電站使用的不同廠家供應(yīng)的 2 款組件中，各選擇 7 塊無明顯缺陷的組件，進(jìn)行最大功率衰減程度對(duì)比測(cè)試和分析的結(jié)果。圖中的“衰減指數(shù)”指的是組件實(shí)測(cè)最大功率衰減率與同期保證值的比值。
通過對(duì)比可看出，B 廠家組件最大功率衰減均值和一致性明顯好于 A 廠家的組件，反應(yīng)出 A 廠家在制程質(zhì)量控制方面存在問題，產(chǎn)品質(zhì)量的一致性較差。
值得一提的是，在抽測(cè)的組件中，某電站使用的某國(guó)外企業(yè)生產(chǎn)的組件，使用 3 年后，幾乎無衰減，且樣本組件間的性能偏差很小，反應(yīng)出極高的可靠性水平。
圖5：不同組件功率衰減一致性對(duì)比，來源：鑒衡認(rèn)證
2. 實(shí)際使用組件存在的突出問題
鑒衡認(rèn)證分析已有的檢測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)營(yíng)期內(nèi)的組件，從最大功率衰減程度看，可以歸納為 4 種走勢(shì)，見圖 6。
圖6：組件最大功率走勢(shì)圖，來源：鑒衡認(rèn)證
圖 7 為前述 63 種樣本組件中，處于不同最大功率衰減均值指數(shù)區(qū)間的組件占比情況。可以粗略地認(rèn)為：均值指數(shù)小于 0.5 的組件，符合圖6中的走勢(shì)一;均值指數(shù)在 0.5~1 的組件符合走勢(shì)二;均值指數(shù)在 1~1.5 的組件為帶病組件，趨于走勢(shì)三;均值指數(shù)大于 1.5 的組件，存在較為嚴(yán)重缺陷，趨于走勢(shì)四。
圖7：最大功率衰減均值指數(shù)占比， 來源：鑒衡認(rèn)證
初步分析趨于走勢(shì)三和走勢(shì)四的組件，導(dǎo)致組件最大功率過快衰減的原因主要有以下幾方面：
1)針對(duì)特定氣候區(qū)的環(huán)境條件及發(fā)生頻次較高的惡劣氣候現(xiàn)象，組件設(shè)計(jì)或選型考慮不周;
2)工程設(shè)計(jì)或施工原因?qū)е碌慕M件缺陷問題;
3)組件采購(gòu)及制程質(zhì)量控制不到位導(dǎo)致的組件質(zhì)量問題;
4)某些新型、未經(jīng)充分驗(yàn)證即批量投用的組件及所用材料帶來的質(zhì)量問題。
三、結(jié) 語
總體看，在技術(shù)質(zhì)量方面，光伏產(chǎn)業(yè)的技術(shù)研究存在兩個(gè)不平衡，一是可靠性方面的技術(shù)研究滯后于單體設(shè)備效率提升方面的技術(shù)研究;二是系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)的研究水平滯后于設(shè)備端。另外，需要提醒的是：近兩年，過于強(qiáng)調(diào)初裝成本的降低，而對(duì)由于可靠性不夠所導(dǎo)致的后期運(yùn)維成本抬高或性能水平過快減損重視不夠。
作為光伏電站的核心設(shè)備，組件能夠長(zhǎng)期、安全、可靠地運(yùn)行，是保證電站取得預(yù)期收益的基礎(chǔ)。平價(jià)上網(wǎng)，組件效率“領(lǐng)跑+長(zhǎng)跑”缺一不可。
