以西北荒漠地区组件运行所处环境条件为依据,通过比对不同方法下组件加速老化的结果,对组件25 年内寿命进行分析研究。

一般而言,不论是高分子材料老化分析或是半导体加速老化分析,都会引用IUPAC(InternationalUnion of Pure and Applied Chemistry) 所定义的阿伦尼乌斯方程(Arrhenius)[2],其原本是用来定义反应速率的方程式,但进一步整理后可作为加速老化实验分析方程式:

式中,Af 为加速老化因子;E 为活化能;K为波兹曼常数(8.623×10-5 eV/K);Tn 为待测物品正常工作温度;Ta 为待测物品加速老化实验温度。

从上述方程可以看到,半导体材料的加速老化因子与加速老化实验温度、活化能等有关,通常加速老化实验温度越高,其加速老化因子越大;且活化能越大,加速老化因子也越大。对光伏组件加速老化而言,通常综合老化实验箱温度越高,其组件衰减越快;而辐照强度越大( 增加活化能),其组件衰减越快。

光伏组件的加速老化衰减情况与综合老化箱的温度、辐照有关,为此,们开展了3 组组件加速老化实验:第1 组为相同湿度、相同辐照强度、不同温度的环境对组件的老化实验;第2 组为相同温度、相同湿度、不同辐照强度的环境对组件的老化实验;第3 组为以西北荒漠地区典型气候环境为依据进行的模拟老化实验。

整个实验过程保障实验的辐照和湿度条件不变,采用不同的温度参数。整个实验过程的实验条件如下:辐照强度为3000 W/m2,湿度在40%~80% 之间循环,分别将3 块组件恒定在温度为60 ℃、70 ℃及80 ℃下进行3 组实验。经过一段时间的运行,发现组件在不同温度下表现出了不同的衰减特性,如图2 所示。从图2 可以看出,对比组件在60 ℃、70 ℃及80 ℃ 3 个温度下的衰减曲线,发现组件在初期阶段衰减率较快,之后以较为稳定的速率继续衰减;但组件并不是在80 ℃的辐照下衰减速率最快,而是在70 ℃。课题组分析认为,在80 ℃条件下,有可能因为温度太高,导致组件存在退火现象而使衰减的功率重新提升。

实验条件:保证70 ℃恒温,湿度保持在40%~80% 之间循环,分别将3 块组件恒定在1000 W/m2、3000 W/m2、4000 W/m2 的辐照强度下对组件进行测试,实验结果如图3 所示。

从图3 可以看出,在3000 W/m2 的辐照强度下,组件初始功率衰减的最快;其次为1000 W/m2 时;而在4000 W/m2 下,并非如预想是衰减最快的一组,反而在其他组件发生衰减的同时几乎保持功率不变。分析认为,这种现象与材料自身的特性有关,组件生产厂家一般会将层压工艺的EVA 交联度控制在80%~90% 之间,以更好的发挥EVA 的封装性能,可保证组件具有良好的耐候性与可靠性。但大量研究表明,由于EVA 内含有紫外交联剂,初始交联度低的EVA在老化后会继续交联,提高了透光率,使得功率升高。但随着交联度的升高与长时间的辐照,使得EVA 发生光降解反应,三维网状结构发生了链断,物理粘结点变少,导致EVA 的拉伸强度、断裂伸长率在紫外辐照的前后均出现急剧下降,EVA 与玻璃/ 背板的剥离强度亦有明显下降;加之组件在一个密闭空间,自身散热较差,而对组件直接产生了破坏作用。

根据上述实验结果,光伏组件在70 ℃恒温和3000 W/m2 的辐照强度下,其衰减特性与户外测试结果更为吻合,因此采用如图4 所示的实验条件:70 ℃恒温、湿度保持在40%~80% 之间循环、 3000 W/m2 的辐照强度,开展光伏组件的加速老化模拟实验。

为了更好的寻找组件在综合实验箱内的老化规律,在整个实验过程中,每隔一定时间对组件功率进行测试,整体实验结果如图5所示。

1) 组件在综合老化箱的衰减趋势与NERL户外组件长期测试衰减规律相似,都是在组件初期经过一个快速衰减,然后在运行后期以一个较为缓慢速率衰减,而且后期的衰减基本以稳定的速率匀速进行。因此可以推断,组件原辅材料在其有效年限内的衰减率是线)光伏组件的功率衰减与短路电流的衰减基本一致,而在后期衰减过程中开路电压基本保持不变,这表明组件的后期老化衰减主要与材料的光学损失有关。

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