沙漠气候下运行30年的单晶硅光伏组件测试与退化评估

《Next Energy》：Testing and degradation assessment of mono-crystalline silicon PV modules after 30 years of operation in a desert climate

　　

本研究通过对在阿尔及利亚沙漠环境中连续户外运行30年后的单晶硅光伏（PV）组件进行老化后评估，为光伏组件的长期可靠性提供了罕见且宝贵的见解。与大多数聚焦于短期或中期暴露周期的已发表研究不同，本研究调查了光伏组件在三十年的现场运行后的性能和退化特征。研究人员依据IEC 61215标准，采用标准化测试程序对64块老化光伏组件进行了评估。评估包括标准测试条件下的电流-电压（I–V）和功率-电压（P–V）测量、绝缘电阻和湿漏电流测试，以及系统的目视检查。结果表明，年退化率介于1%至2%，30年运行期内的平均退化率约为1.5%。尽管长期暴露于恶劣的沙漠条件，大部分受测组件仍保持了可接受的电性能，并在很大程度上符合相关的IEC安全要求。研究识别出多种退化机制，包括电池褐变、汇流条变色、电池开裂和接线盒脱落。这些退化模式对组件的电特性和长期性能表现出不同的影响。实验发现为光伏组件在高级老化阶段的行为提供了宝贵证据，有助于更好地理解恶劣气候条件下的长期退化机制。研究结果可为在沙漠及其他严苛环境中运行的光伏系统提供更现实的寿命评估、可靠性建模和维护规划支持。

### 论文解读：沙漠气候下运行30年的单晶硅光伏组件退化评估

#### 一、研究背景与科学问题

光伏（PV）组件的长期可靠性和退化行为是决定光伏电站经济性与安全性的核心因素。尽管过去几十年间针对光伏组件退化开展了大量研究，绝大多数工作集中于短期（数年）或中期（十年左右）的现场暴露或加速老化试验，对于经历数十年自然老化的光伏组件，尤其是极端气候条件下的系统性评估仍相当匮乏。现有研究表明，光伏组件的退化速率受气候条件、组件技术、运行维护水平等多种因素影响，呈现出显著的地域差异。然而，在炎热干旱的沙漠气候下，长期运行的光伏组件在物理缺陷、电性能损失、热学异常和电气安全等多个维度的综合退化特征尚未得到充分阐明。已有研究或聚焦于单一失效模式，或仅依靠目视检查或电性能测试中的某一类手段，缺乏将物理退化机制与电性能和安全性损失系统关联的整合性评估。因此，针对真实沙漠环境中运行三十年以上的光伏组件开展多维度综合评估，对于完善寿命预测模型和指导维护决策具有重要的科学意义和工程应用价值。

#### 二、研究目的与研究内容

本研究的主要目标是系统评估64块由ARCO Solar公司制造的单晶硅（Mono-Si）光伏组件在阿尔及利亚炎热干旱的沙漠气候下连续户外运行约30年后的退化状况。研究人员依据IEC 61215标准，开展了一套涵盖目视检查、I–V/P–V电性能表征、绝缘电阻测试（IT）、湿漏电流测试（WLCT）和红外热像检测的模块级综合评估。研究旨在回答以下关键问题：经过30年沙漠环境暴露后，这些组件的电性能退化到何种程度？出现了哪些典型的物理退化模式？这些退化模式如何影响组件的电特性和电气安全性能？通过整合多维度诊断数据，研究期望为长期自然老化组件的退化演化提供完整的现场证据，并构建物理退化机制与电性能损失之间的关联基础。

#### 三、关键技术方法

该研究采用了一套分步式综合评估流程，所有测试均依据IEC 61215标准执行。评估对象为在阿尔及利亚沙漠气候下连续运行约30年的64块单晶硅光伏组件。首先进行标准化的目视检查，记录电池裂纹、封装材料褐变、汇流条变色、分层、玻璃损坏、接线盒脱落等缺陷及其严重程度。随后在接近标准测试条件（STC，即1000 W/m2辐照度、25°C组件温度和AM1.5大气质量）的户外环境下，使用Keysight N3300A电子负载及N3304A模块采集I–V和P–V曲线，并通过校准的硅参考电池（INGENIEURBURO Reference Si-01TC-T）测量辐照度，采用Pt100传感器和K型热电偶监测组件温度。电气安全评估包括干燥条件下的绝缘电阻测试和模拟潮湿环境下的湿漏电流测试，使用Chauvin Arnoux C6555绝缘测试仪施加最大系统电压两分钟。最后，对所有组件进行红外热像扫描以识别热点和局部热异常。年退化率（DR）基于制造商铭牌标称的最大功率（P_initial）与30年后实测最大功率（P_30y）的差值计算，公式为：DR(%/年) = (P_initial ? P_30y) / (P_initial × 30) × 100。有两块组件（PV02和PV18）因前玻璃完全破碎被排除在湿漏电流测试之外。

#### 四、主要研究结果

**（一）缺陷与电性能表征**

目视检查发现，所有受测组件均出现汇流条变色和电池褐变现象，部分组件还出现接线盒脱落和电池裂纹等缺陷。I–V/P–V测量结果表明，所有组件在30年野外暴露后仍保持电气运行能力。64块组件的最大功率（P_max）实测值介于15.91 W至29.75 W之间（铭牌标称值为43 W），30年总退化率范围为31%至63%，对应年均退化率约为1%至2%，平均约1.5%。短路电流（I_sc）介于1.78 A至2.34 A之间，开路电压（V_oc）介于20.31 V至21.13 V之间，填充因子（FF）介于39%至64%之间。

**（二）统计分析**

对64块组件的电参数进行统计分析显示，P_max的均值为22.77 W，标准差为3.70 W，变异系数为16.25%；I_sc的均值为2.19 A，变异系数为5.0%；V_oc的均值为20.65 V，变异系数为1.0%；FF的均值为49.9%，变异系数为11.97%。这些统计结果揭示了30年运行后组件间性能的显著离散性，反映了系统退化趋势与组件间个体差异的并存。

**（三）电池褐变**

电池褐变现象出现在62块组件中（两块玻璃完全破碎的组件无法判断）。按褐变程度统计，39%的电池无褐变，39%为弱度褐变，18%为中度褐变，5%为高度褐变。电池褐变主要由光致衰减（LID）、紫外线（UV）暴露和温度效应等因素引起，导致光学损失和电流下降。

**（四）汇流条变色**

汇流条变色出现在62块组件中。按变色程度分级：弱度占26%，中度占60%，高度占15%。沙漠气候中的强烈太阳辐射、温度波动和沙尘沉积加速了汇流条材料的表面退化，可能增加局部电阻，降低填充因子和功率输出。

**（五）接线盒脱落**

25%的受测组件出现接线盒脱落现象。其中37.5%的组件有一个接线盒脱落，其余37.5%的组件接线盒完好。接线盒脱落的主要诱因包括粘合剂在极端温度循环和UV辐射下的老化失效、机械应力以及安装质量不足。接线盒的退化会导致电损耗增加并带来安全风险。

**（六）电池裂纹**

33.5%的组件无电池裂纹，其余组件的裂纹分布为：34.5%有一个裂纹电池，13%有两个，10%有三个，5%有四个，2%有五个，2%有六个。电池裂纹可能由热应力、机械载荷和制造缺陷引起，会增加串联电阻并影响功率输出。

**（七）绝缘和湿漏电流测试**

所有受测组件（100%）均通过绝缘电阻测试（干燥条件）。然而，湿漏电流测试显示只有63%的组件通过，37%的组件未能满足要求。这表明干燥条件下良好的绝缘性能并不能保证潮湿环境下具有同等的电气安全表现，湿气侵入是导致绝缘性能下降的重要原因。

**（八）热成像检测**

红外热像检测显示约46%的组件存在热点或局部热异常。热成像能够捕捉电学测量和目视检查无法获得的补充信息，有助于识别潜在故障区域。

#### 五、讨论总结与结论

讨论部分指出，30年老组件的电性能退化是多种老化机制共同作用的结果，而非单一失效模式所致。P_max的下降主要与封装材料褐变引起的光学损失导致的电流减少，以及互连退化相关的电阻性损耗有关。汇流条变色和电池裂纹会增加局部电阻，导致FF降低和功率下降。与伊拉克（年退化率0.91%-2.6%）和也门（38年野外暴露退化25.37%）等地区的对比研究一致，环境压力和运维实践共同决定了组件的长期退化程度。尽管沙漠环境严酷，本研究中组件的年均退化率保持在1%-2%的可接受范围内，体现了这类组件良好的长期耐用性。

研究结论强调，腐蚀和变色是光伏组件最主要的退化模式。经过30年沙漠环境运行后，尽管出现了多种物理退化现象，大部分组件的电性能和安全性仍基本符合IEC标准要求。研究人员认为，P_max退化率不超过1%/年是可接受的，超过1%/年则需要关注。高温会加速半导体退化，沙尘覆盖会减少光照并加剧热积累，低湿度影响散热，高辐照度引发热应力——这些因素在沙漠环境中被放大，因此有效的清洁策略、优化的组件朝向、可靠的散热设计以及选用耐久性高的组件材料至关重要。定期维护是及早发现并处理退化问题、防止性能显著下降的关键措施。