光伏組件現場檢測技術研究與經驗分析

唐梓彭， 魏 超， 楊 雨， 張銀龍， 張勇銘

發電技術

光伏組件現場檢測技術研究與經驗分析

唐梓彭， 魏 超， 楊 雨， 張銀龍， 張勇銘

（華電電力科學研究院，浙江杭州 310030）

太陽能光伏發電技術的核心部件是光伏組件，其質量與性能也影響著光伏電站運營生命期的發電能力與經濟收益。本文針對光伏組件的現場檢測技術進行了研究，建立了一套實用性強的質量檢測體系，并對現場檢測中的常見組件缺陷進行了經驗分析。

光伏組件； 現場檢測技術； 缺陷經驗分析

0 引言

光伏組件是太陽能光伏電站的最小發電單元，也是一座光伏電站中數量最多的部件，在光伏電站建設期中組件成本也占了電站總成本的很大部分。因此，光伏組件的質量不僅對電站的發電能力有著至關重要的影響，也在很大程度上決定了電站運營的經濟效益。開展光伏組件的現場測試是光伏電站建設質量管控的重要一環，能夠在電站建設前期發現到場組件中的問題，避免大量不合格組件入場安裝，也能為運行期電站排查出破損或失效組件，避免這些發電能力低下或已失去發電能力的組件長期影響同一組串甚至幾個組串中的正常組件，為電站的運營提供可靠保障。

光伏組件的現場檢測包括四個內容：組件外觀檢查、組件EL檢測、組件伏安特性（I-V特性）檢測以及紅外檢測。外觀檢查主要對組件的外部結構、蓋板、EVA夾層、電池片表層以及背板等進行檢查，目的在于發現肉眼可視的明顯缺陷處；組件EL檢測時組件現場檢測最重要的內容，其利用晶體硅電池片的電致發光特性[1]，采用近紅外相機對光伏電池片進行內部探傷檢測，目的在于檢查組件電池片是否存在肉眼不可視的內部缺

陷；組件伏安特性檢測則是對組件的功率以及伏安特性曲線進行檢測，在建設期現場檢測（到場檢測）中是為了檢驗組件功率是否達標以及伏安特性曲線是否正常，而在運行期現場檢測中是為了檢驗組件功率是否明顯偏低，以發現問題組件或失效組件；最后，組件紅外檢測采用紅外成像設備，檢測運行中的組件是否存在熱斑現象，并與EL檢測以及伏安特性檢測結果綜合分析，排查問題組件。另外，若組件存在嚴重熱斑，可能會引起組件封裝材料損毀，影響組件使用壽命，甚至存在組件起火等安全隱患[2]。

1 檢測技術研究

（1）組件外觀檢查：外觀檢查旨在發現存在肉眼可視的破損缺陷的組件，檢測手段一般為直觀目視檢查，并無特殊的技術要求。常見的問題包括組件蓋板劃痕、電池片微小色差、電池片掛勾印、鋁邊框劃痕等。這些一般性問題并不會影響到組件的發電能力，如掛勾印等問題多由現階段電池片生產工藝，屬于光伏組件的共性問題。而外觀檢查中的嚴重問題則包括蓋板碎裂、背板破損、接線盒開裂、密封硅膠不緊實等，存在這些問題的組件均屬于不合格組件，不允許入場安裝。

（2）組件EL檢測：EL檢測的原理是晶體硅電池片的電致發光特性，屬于半導體的晶體硅電池片在被加以反向電壓的條件下，會因其內部載流子的輻射而產生發光現象，EL光強越差則表明該處存在質量缺陷[3]，如隱裂、碎片、斷柵、雜質等。如電池片雜質、污染等缺陷會影響電池片壽命，而隱裂、碎片等破壞性缺陷則會造成電池片某部分甚至整片無法正常發電[4]。

現場檢測對組件EL檢測的要求是檢測操作便捷、場地適用性強以及圖像識別像素高。傳統的實驗室檢測設備適于組件生產過程中的質量檢測或進行實驗室檢測，在電站現場并不具備使用此類設備的條件。因此，在本文研究中采用了小型化的EL紅外相機（3200萬像素），并配備有伸縮三腳架、移動電源、與組件正負極接頭配套的通電導線以及具有無線操作與數據傳輸功能的計算機終端。圖1為本文研究中現場EL檢測示意圖。

組件EL檢測過程中要求測試環境足夠黑暗，檢測地點周圍無熱源光照射。由于電池片的電致發光強度與外界光源相比較弱，容易被環境光源，如日光、白熾燈光等熱源光干擾，造成拍攝圖像過亮，從而無法識別組件電池片是否存在缺陷。在研究實驗中也發現，即使是在日間采用質地較厚的布料搭建臨時的帳篷，也會由于布料孔隙以及與地面之間的縫隙漏光而造成圖像拍攝不清。因此，在進行現場檢測時應首先針對場地特點來獲得合適的檢測環境，具體如下：

1）夜間測試，夜間無太陽光影響，在排除檢測地點周圍人為光源的影響后，環境條件有利于開展EL測試。但某些電站現場地形復雜，夜間工作有一定危險性，且在冬季開展檢測工作時夜間較為寒冷；

2）利用檢測現場的房間布置暗室來進行檢測，避免在夜間工作。但限于一些現場條件，可能無法找到合適的房間利用。

3）采用專業的檢測帳篷以適應各類地形條件下的電站現場檢測，但需要帳篷材質的遮光度以及帳篷尺寸符合檢測需要。

4）當在電站運營期進行組件現場EL檢測時，由于組件均以處于運行狀態無法隨意移動，因此只可選擇在保證安全工作的前提下進行夜間測試。

（3）組安伏特性檢測：伏安特性（I-V）檢測是將組件置于穩定自然或模擬太陽輻照中，并使其保持一定的溫度，連續測量電流（工作電流、短路電流）、電壓（工作電壓、開路電壓）、功率參數、背板溫度以及輻照度，再將實測參數修正到標準（STC）條件，最后描繪出組件的I-V特性曲線，并判斷組件是否正常[5]。

在現場測試時，難以具備實驗室中對太陽輻照度的穩定模擬條件，因此需要選擇日照良好的時間進行測量。另外，在進行電站建設期檢測時，由于組件尚未安裝，需要近似按電站設計的陣列朝向、傾角放置被測組件，且應保證組件不受陰影遮擋。本文研究采用了現階段的光伏現場測試中普遍使用的便攜式的I-V特性測試儀，圖2為組件伏安特性檢測現場檢測示意圖。

研究實驗中發現，檢測期間的太陽輻照強度可能因云層遮擋而產生不規律變化，遮擋較嚴重時會引起被測組件I-V特性曲線中出現突變，但實際上組件的測試曲線應是平滑的。這樣的現象與某些電池片存在缺

陷組件的檢測結果有相似之處，容易引起誤判。由于條件限制，現有的便攜式I-V特性測試儀尚不能在現場條件下對組件的標稱功率進行精確測量，仍需在現場初步檢測后挑選部分組件送往權威測試機構進行實驗室檢測，并在綜合現場與實驗室檢測結果后做出I-V特性檢測結論。

另外應注意的是，不同生產商的光伏組件其電流、電壓溫度系數是不同的，雖然I-V特性測試儀可自動測量、記錄與進行STC參數修正，需在測量前校驗輸入儀器的電流、電壓溫度系數預設值與被測組件是否相同，否則會造成STC修正誤差變大。

（4）組件紅外檢測：紅外檢測針對組件熱斑現象，一般采用手持式紅外熱像儀即可。通過對熱成像圖片即可直觀地判別組件是否存在熱斑，以及熱斑情況是否嚴重。造成組件熱斑現象的情況分為環境與組件內部因素兩類。環境因素包括場區草木、組件積灰、鳥糞等雜物遮擋部分電池片；內部因素則包括電池片損壞、柵線焊接不良等。

在本文研究實驗中獲得的某電站運行中組件的紅外成像圖3中可以明顯看到，該組件熱斑電池片溫度61.8℃，而正常部分溫度僅有40℃，相差21.8℃。雖然60℃左右的溫度不會造成組件結構的立即損壞，但若問題電池片繼續運行，熱斑問題會逐漸嚴重，最終可能導致問題電池片處的封裝材料燒毀，甚至導致組件、組串起火，嚴重威脅電站安全生產。

在現場檢測中，紅外檢測主要依靠手持紅外熱像儀完成，一般應選擇在正午太陽輻照度最好，即組件實時發電量最高、問題電池片發熱量最大時進行檢測，對于其余檢測條件并無嚴格技術要求。但由于現階段光伏電站專業檢測或運維人員較少，而光伏場區范圍廣、組件多，難以進行規律性的全面覆蓋檢測，對于發現的熱斑嚴重組件應及時進行維修或更換，降低組件事故發生率。

2 檢測經驗分析

光伏組件的現場檢測以發現問題組件為目的，所涉及的組件問題多樣化，且常常相互關聯。本節結合對建設期光伏電站與運營期光伏電站的實測情況，對光伏組件現場檢測的一些實際問題、組件的缺陷實例進行經驗分析。

組件現場檢測的外觀檢查中最常見的問題是電池片掛勾印、微小色差（如圖4所示），此類問題多由電池片生產、蝕刻工藝造成，但并不影響電池片發電能力；蓋板與鋁邊框變形（如圖5所示）多由于電站建設期施工安裝不規范，磕碰組件造成，或由于運營期內組件遭遇意外碰撞造成；組件背板缺陷或損傷在電站建設期檢測中極少發現，但在運營期內由于組件長期處于室外環境，會產生黃變、破損甚至毀壞等問題，但這一自然老化周期較長，新建成電站可能不會出現除意外損

傷之外的組件背板問題。

光伏組件的現場EL檢測能夠直觀、準確地反映組件狀態，一般可將發現的問題分為非損傷性缺陷與損傷性缺陷兩類。非損傷類缺陷包括電池片污染、夾帶雜質、黑斑以及黑邊等（如圖6所示）。此類缺陷一般是在硅電池片原料生產過程中產生的。由于原料硅錠或硅棒中某些部分帶有雜質物，而雜質物的擴散區域不同，在切割電池片時就會產生一些電池片帶有不同面積的污染痕，或是某些電池片在同一位置存在黑斑等現象。而黑邊現象多產生在化學蝕刻過程中，硅電池片一邊或幾邊受到坩堝邊緣擴散的雜質影響而顏色加深。對于單晶硅電池片，還有可能產生黑芯片現象，同樣是在生產工藝中混入雜質而產生。此類缺陷雖然并非電池片本身受到損傷破壞而產生，但若污染影響面積過大、影響深度較深（顏色較深）也會導致電池片有效發電面積減少、發電量降低，嚴重的會組件實際運行中導致問題電池片成為低效或失效片，造成熱斑效應。

另外，由于組件生產時誤將不同級別的電池片混裝，會造成電池片混檔，在EL檢測圖像上就是亮片或暗片的現象（如圖7所示）。若某組件混檔嚴重，在運行時組件中的低檔位電池片的電流較小，會形成電流倒灌，電池片失去發電能力而成為發熱的電阻，進而導致熱斑現象。

損傷性缺陷包括電池片隱裂、碎裂、碎角以及斷柵等，如圖8所示。在建設期電站的組件現場檢測中，對碎裂、碎角的組件均應作不合格組件處理，因為存在此類問題的組件內，一塊或多塊電池片已經完全或部分失效，在運行時不僅不會發電，相反的會引起其所在電池串發電量降低，進而造成組件整體發電量降低，甚至會

導致整個組串或陣列的發電能力受影響。

而存在隱裂情況的組件則應該根據檢測與判定標準的允許值進行判別。以圖9為例，因某些情況下，隱裂較淺，裂痕長度和擴散程度小（圖9中右側圖像），對電池片的影響有限，在相關檢測判定標準中可被視為合格。但若隱裂痕貫穿兩條以上的主柵線，甚至貫穿電池片（圖9中左側圖像），或呈閃電或樹根狀大面積擴散，則該塊電池片破損程度較大，即使仍可以運行發電，也應被視為不合格組件，這是因為組件在工作中，受外界和內部因素影響，隱裂程度可能會逐步加深，直至電池片失效。

斷柵現象多由電池片柵線印刷工藝問題造成，主要原因是生產中柵線漿料或印刷絲網不良。與電池片破損類似，斷柵現象會導致電池片發電能力降低，從而影響組件、組串發電能力，也會引起局部熱斑現象。

組件伏安特性檢測主要關注組件的功率以及組件的I-V特性曲線是否合格。但現場檢測中諸多的環境因素限制，如組件工作溫度難以控制、太陽輻照強度的不規則變化等，導致采用便攜式I-V特性測試儀檢測組件的功率會出現一定不可控偏差。因此，一般需將現場被檢組件抽樣，并送實驗室進行進一步檢測，以確定組件功率是否合格。但在現場測試中，可以根據組件的I-V特性曲線來初步判斷組件是否正常。對正常組件的I-V特性曲線要求其總體變化趨勢應與標準曲線相符，不得出現電流提早衰減、多峰等畸變情況，且曲線應過渡平滑，無局部突變。圖10為異常的組件I-V特性曲線。

安裝旁路二極管會引起組件I-V特性曲線出現臺階等異常[6]，但在實際檢測中發現的組件I-V特性曲線出現電流提早衰減、畸變等問題的原因主要為組件電池片損傷、組件柵線印刷焊接不良以及低電流電池片混檔等缺陷造成。在現場檢測中，異常I-V特性曲線在運行期電站中較為常見。由于一些建設較早的光伏電站缺乏建設期內的光伏組件質量管控，導致一部分損傷組件、電池片混檔組件進入場區。而運營期內的維

護力度不足，也導致部分組件在運行中受損，或損傷加重，最終導致I-V特性曲線嚴重異常。這部分組件在光伏陣列中對陣列整體發電能力起負面作用，須及時更換，以保證電站的整體發電質量。

在現場檢測中發現的組件熱斑現象，一部分是由于組件電池片破損失效或混入低功率電池片引起，另一部分則是由于現場草木遮擋、積灰覆蓋引起，而因其他組件內部構造引起的熱斑現象由于現階段尚缺乏分析手段，較難在現場確認。圖11所示，為現場檢測中常見的熱斑現象組件。通過對一些運行中的光伏電站的現場檢測發現，雜草遮擋、組件積灰以及鳥糞等雜物遮擋普遍存在。其中，積灰與鳥糞遮擋是光伏電站運行中難以避免的問題，應定期對光伏組件進行清洗以保證組件正常、高效運行。而在植被生長條件較好地區的光伏電站，在不破壞自然生態的前提下，應組織定期的雜草、灌木清理，保證組件，尤其是各組串下排組件不受遮擋，避免產生熱斑現象。對于因組件電池片破損而產生熱斑現象的組件則應及時更換，既保證電站的發電量，也避免因組件問題引起的火災等安全事故。

3 存在的問題

在近年來我國光伏電站大規模建設的背景下，光伏組件的現場檢測工作對光伏電站質量管理提供了重要的支持，也是光伏電站穩定運行、高效運行的重要保證。但在現階段，我國針對光伏組件的現場檢測體系仍存在一些問題。

（1）專業檢測人員不足。我國的光伏發電產業正迅速發展，“十二五”規劃中到2015年底我國的光伏發電裝機容量將達21GW以上。而國家能源局也明確指出了我國到2020年的光伏發電裝機容量目標為100GW[7]。在這樣的背景下，我國的專業光伏檢測隊伍卻仍不多，僅有少數國內專業檢測機構以及電力研究機構擁有相應的實驗室與現場檢測人員，但面對今后愈加龐大的投產光伏發電工程規模，現有的測試人員并不足以為所有電站提供全面的現場質量檢測。同時，由于實驗室僅能檢測極少量抽樣組件樣本，無法為光伏電站進行全覆蓋式的性能檢測，培養更多的專業現場檢測人員就顯得尤為重要。

（2）部分光伏電站重視程度較低。在我國光伏電站建設中普遍存在年底搶工期，忽視建設期質量管理，以及運營期投入人力不足，運行維護不到位的現象。由于部分光伏電站建設方、運營方在光伏組件質量管理認識與重視程度上的不足，會導致一部分光伏電站投產后發電能力低于預期值，也會導致在復檢中發現大批光伏組件破損、功率不足以及熱斑現象嚴重等問題，嚴重影響電站實際發電能力與經濟效益，對我國光伏發電產業的整體發展也有不利影響。

（3）缺乏國家統一的檢測判定標準。目前，光伏組件現場檢測工作仍多依據檢測方、委托方與被檢測組件生產商協商制定的組件缺陷判定標準進行，存在對不同生產商檢測標準不統一的問題，且針對組件電池片某些缺陷問題的判定也較為模糊，如電池片黑邊、污染等。從產業可持續良性發展的角度來看，建立一套統一、全面、可操作性強的組件現場檢測判定標準，可以更好地指導我國未來的光伏組件現場質量檢測工作，也有利于未來光伏產品質量的管控與提升。

4 結語

光伏組件的現場檢測技術將實驗室檢測技術進行了設備小型化、操作便捷化以及方案多樣化的改進，在環境條件無法控制的戶外對光伏組件進行質量檢測，并且為已投產的光伏電站進行站內光伏組件的問題排查與故障診斷。在我國光伏產業快速發展，大型集中式光伏電站、中小型分布式光伏電站大規模建設投產的背景下，光伏組件的現場質量檢測具有重要的意義。但現階段，該領域仍然存在一些亟待解決的問題，如專業檢測人員缺口、電站建設運營方不重視以及缺乏國家統一的質量檢測判定標準等。在未來，解決現有問題，并不斷推進現場檢測技術、操作方案以及檢測體系的改進能夠為我國光伏發電產業提供可靠、高效的質量檢測服務，提升光伏電站的建設質量與運營效益。

[1]郭占苗.EL測試在光伏太陽能電池檢測中的應用[J].電子設計工程，2012，20（13）：131～134.

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[4]王超，蔣曉瑜，柳效輝.基于電致發光成像理論的硅太陽電池缺陷檢測[J].光電子激光，2011，22（9）：1332～1336.

[5]馮志誠，王亞輝，田瑞，等.便攜式光伏組件I-V特性測試系統研究[J].能源工程，2013，（1）：52～55.

[6]孔凡建.太陽電池組件I-V特性曲線異常[J].電源技術，2010，34（2）：181～185.

[7]胡云巖，張瑞英，王軍.中國太陽能光伏發電的發展現狀及前景[J].河北科技大學學報，2014，35（1）：69～72.

Study and Empirical Analysis of the Field Testing Technology For Solar Photovoltaic Modules

TANG Zi-peng， WEI Chao， YANG Yu， ZHANG Yin-long， ZHANG Yong-ming

（Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

Solarphotovoltaic modulesarekeystothesolarphotovoltaic technology.Theirqualityhasagreatinfluence onphotovoltaicpowerstations'powergenerationcapacityandeconomic benefitsduringthelifecycle.Thispaperstudiedthe fieldtestingtechnologyforsolarphotovoltaicmodulesandestablishedaqualitytestingsystemwithgoodapplicability.Meanwhile，thispaperdidanempirical analysisofcommondefectsofsolarphotovoltaicmodulesbasedonourfieldtestingexperiences.

solarphotovoltaicmodules； fieldtestingtechnology； empirical analysisofcommondefects

TM615

B

2095-3429（2016）03-0024-06

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.03.005

2016-02-22

修回日期：2016-04-18

唐梓彭（1989-），男，江蘇徐州人，碩士，工程師，主要從事光伏電站及組件檢測、新能源工程技術研究等工作。