一、引言

我國光伏發(fā)電行業(yè)在經(jīng)歷了2013-2017年的高速發(fā)展，在2018年經(jīng)歷了行業(yè)低谷，531政策的急剎車使得國內(nèi)市場快速下滑、產(chǎn)品價格快速下降、企業(yè)盈利能力持續(xù)位于低位，行業(yè)發(fā)展熱度驟降隨著光伏行業(yè)的發(fā)展，但是，受政策影響，行業(yè)逐步由過去的粗放式增長、追求規(guī)模向精細化發(fā)展、行業(yè)對光伏電站的質(zhì)量要求也越來越高，對光伏電站的檢測評估也提出了更高的要求，以往的電站的抽檢測試已經(jīng)慢慢的不能滿足行業(yè)的發(fā)展，本文將針對光伏檢測中兩個比較典型的測試項目EL測試和IR紅外測試，通過兩種測試的原理方法，結(jié)合實際項目的測試，淺談兩種測試在光伏電站災(zāi)后評估中的實際應(yīng)用，希望能給光伏電站受災(zāi)后評估，電站驗收，電站運維等提供一定的參考方法。

二、測試原理

2.1EL測試原理

電致發(fā)光，又稱電場發(fā)光，簡稱EL．其原理是平衡P—N結(jié)中存在著具有一定寬度和高度的由P區(qū)指向N區(qū)的內(nèi)建電場(即勢壘區(qū))，此時載流子的擴散電流和漂移電流相互抵消，沒有靜電流通過P—N結(jié)，費米能級處處相等，其能帶圖如圖1所示．當給太陽電池加一正向偏壓時，勢壘高度降低，勢壘區(qū)內(nèi)建電場減弱，但繼續(xù)發(fā)生載流子的擴散，電子由N 區(qū)注入P區(qū)，同時空穴由P區(qū)注入到N區(qū)，如圖2所示．這些進入P區(qū)的電子和進入N區(qū)的空穴都是非平衡少數(shù)載流子，在實際電池的P—N結(jié)中，擴散長度遠大于勢壘寬度．因此電子和空穴通過勢壘區(qū)時因復(fù)合而消失的概率很小，繼續(xù)向擴散區(qū)擴散，P—N結(jié)勢壘區(qū)和擴散區(qū)注人了少數(shù)載流子，這些非平衡少數(shù)載流子不斷與多數(shù)載流子輻射復(fù)合，并發(fā)出光子．但組件存在的缺陷會減小少子的壽命，即擴散長度減小，這樣電流密度就相應(yīng)減弱，電池發(fā)光強度減小，結(jié)合特制的CCD相機拍攝等部件，形成如圖3所示的EL 缺陷檢測系統(tǒng)，得到光伏組件輻射復(fù)合分布圖像，根據(jù)圖像中電池發(fā)光強度的不同可以判定電池組件是否存在缺陷，并可根據(jù)缺陷形狀來判定缺陷類別．

圖1 平衡P-N結(jié)

圖2 正偏注入發(fā)光

圖3 EL測試系統(tǒng)

2.2 IR測試原理

IR測試（紅外測試）的實質(zhì)是利用物體輻射紅外線的特點進行非接觸的紅外溫度記錄法。

紅外線是一種電磁波，具有與無線電波及可見光一樣的本質(zhì)，波長在0.76～100μm之間，按波長的范圍可分為近紅外、中紅外、遠紅外、極遠紅外四類，它在電磁波連續(xù)頻譜中的位置是處于無線電波與可見光之間的區(qū)域。紅外線輻射是自然界存在的一種最為廣泛的電磁波輻射，它是基于任何物體在常規(guī)環(huán)境下都會產(chǎn)生自身的分子和原子無規(guī)則的運動，并不停地輻射出熱紅外能量，分子和原子的運動愈劇烈，輻射的能量愈大，反之，輻射的能量愈小。

一切溫度在零度（-273.15K°）以上的物體，都會因自身的分子運動而不停地向周圍空間輻射出紅外線，物體的紅外輻射能量的大小及其按波長的分布與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。通過紅外線輻射的探測器將物體輻射的功率信號轉(zhuǎn)換成電信號后（對物體自身輻射的紅外能量的測量），就能準確地測定它的表面溫度，或者通過成像裝置的輸出信號就可以完全一一對應(yīng)地模擬掃描物體表面溫度的空間分布，經(jīng)電子系統(tǒng)處理，傳至顯示屏上，得到與物體表面熱分布相應(yīng)的熱像圖。運用這一方法，便能實現(xiàn)對物體進行遠距離熱狀態(tài)圖像成像和測溫并進行分析判斷，亦即紅外輻射檢測的基本原理。

三、測試案例

本項目因遭遇特大冰雹，組件損失嚴重，工程雖未完工，此次雹災(zāi)涉及近20萬塊組件，為了評估雹災(zāi)對組件的性能及長期可靠性的影響，受客戶委托對光伏電站抽取20MW并網(wǎng)運行的組件使用紅外無人機進行紅外全檢，結(jié)合該項目的EL測試結(jié)果，對比兩種測試方法優(yōu)缺點。

圖4某光伏電站雹災(zāi)

3.1   紅外測試結(jié)果

3.1.1         #1結(jié)果匯總

圖5  #1平面圖

3.1.2         #2結(jié)果匯總

圖6  #2平面圖

3.1.3         #3結(jié)果匯總

圖7 #3平面圖

我們通過紅外測試結(jié)果，出現(xiàn)熱斑的比例總計為0.45%，我們發(fā)現(xiàn)只有嚴重受損的電池片針在紅外圖片中顯示發(fā)熱異常，如圖8和圖9，對于受損不嚴重，電池片缺失面積較小的組件，紅線圖片顯示無熱斑現(xiàn)象，圖10和圖11。

圖8  組件受損EL

圖9  紅外圖

圖10 無熱斑組件EL

圖11 紅外圖

3.2   熱斑原理

當一串組件里面出現(xiàn)一個或者多個電池片遮擋、外力或其他原因?qū)е掳l(fā)電面積缺失（從EL圖片上看受損區(qū)域是黑絲）,導(dǎo)致其中一個電池片的短路電流下降過多，其他電池片產(chǎn)生的功率則被這個“壞”的電池片消耗了，從而形成熱斑效應(yīng)。

電流不匹配是形成熱斑的必要條件。當壞的或者遮擋的電池片，其短路電流小于其他電池片的工作電流，這個時候接線盒相對應(yīng)的那個二極管就會啟動，此電池片受其他電池片的反偏作用，從而形成熱斑。此時二極管流過的電流等于工作電流減去“壞的”電池片的短路電流，相當于分流作用，故也叫旁路二極管。舉例來說，如果全部遮擋或者EL整個電池片全黑，所有電流都從二極管走，如果遮擋一半，則一半電流從二極管走。

組件中“壞的”電池片缺失面積的大小關(guān)系到組件是否會出現(xiàn)熱斑，以此次紅外測試390W組件為例，組件的Imp=9.49A，Isc=10.12A，在STC條件下，“壞的”電池片斷流電流降到Imp以下才會發(fā)生熱斑情況，因為組件的電流和發(fā)電面積是正比關(guān)系，近似計算，當電池片面積減少1-Imp/Isc=6.23%,組件就會發(fā)生熱斑，在實際的電站運行中，因為組件串聯(lián)適配損失的原因，組串的Imp往往比組件Imp要低，所以實際情況，電池片發(fā)電面積缺失7%-8%才會觸發(fā)熱斑的產(chǎn)生（不同的電站，不同組件會稍許不同）。

3.3   功率變化

因為組件安裝在支架上已經(jīng)幾個月，組件初始衰減都發(fā)生在安裝后的前幾個月，所以組件有一部分功率損失為組件的初始衰減（一般組件質(zhì)保為首年2.5%），針對明顯冰雹導(dǎo)致的組件隱裂，實驗室測試組件的功率，我們發(fā)現(xiàn)，組件的功率衰減平均3.45%，其中：1）圖9組件依然保持標稱功率的97.7%；2）圖10組件保持標稱功率的95.4%。

圖9 實驗室測試組件1

圖10 實驗室測試組件2

四、紅外無人機測試異常類型

紅外無人機不僅可以測試出現(xiàn)熱斑的組件，還可以測試EL無法測試的異常，具體如下：

4.1   紅外測試結(jié)果

表1 #1測試結(jié)果

表2  #2測試結(jié)果

表3  #3測試結(jié)果

4.2   紅外測試異常說明

4.2.1         破損

組件破損后，失去正面玻璃的保護，電池片破損很嚴重，正常情況只要組件處于并網(wǎng)發(fā)電中，根據(jù)3.2所講，組件是100%發(fā)生熱斑的，這種測試主要應(yīng)用場景是組件破損很難通過肉眼或搭載可視光無人機輕松識別，如組件自爆或撞擊點不明顯，如洪災(zāi)導(dǎo)致組件破損，如圖16。

圖14  組件破損

圖15  破損紅外

圖16 洪災(zāi)后破損組件（飛行5米）

4.2.2         接線盒虛焊

首先我們看一下接線盒虛焊組件的電氣原理圖和紅外圖的對比，下圖中最左側(cè)兩串是接線盒虛焊對應(yīng)的組串，從從外圖可以看出組串溫度偏高約3.5℃（一般都在5℃以內(nèi)）。

圖17 虛焊電氣原理圖

圖18  接線盒虛焊紅外圖

圖19  接線盒虛焊紅外圖

圖20 虛焊組件EL(非本項目圖片)

從宏觀上也可以去理解，由于接線盒虛焊導(dǎo)致左側(cè)兩串電池處于開路狀態(tài)，無電流輸出，吸收的光能全部轉(zhuǎn)為熱能，而工作狀態(tài)下的電池串，一部分光能轉(zhuǎn)換為電能輸出，另一部分轉(zhuǎn)換成熱能，所以開壓電壓下，電池片溫度比工作狀態(tài)下溫度高，溫差基本是等于電能輸出的那部分能量轉(zhuǎn)換。

從電氣原理圖上看，接線盒虛焊時，對應(yīng)位置的二極管中流過的電流為組串的工作電流，因為二極管有正向的壓降，二極管就會有功耗，功耗等于正向壓降乘上組串工作電流，所以接線盒虛焊都是伴隨著二極管發(fā)熱的。

另外此類發(fā)熱也是可以排除組件對應(yīng)串短路（二極管擊穿），假如對應(yīng)組串因為二極管擊穿導(dǎo)致的短路，組串的發(fā)熱和組件或者組串短路屬于同一種情況，出現(xiàn)的熱斑電池一般是一片或者幾片，不會像虛焊那樣組串均勻發(fā)熱。

組件接線盒虛焊在投入運行初期有一部分組件因為熱脹冷縮的原因，往往白天溫度高，虛焊點斷開，通過紅外可以顯現(xiàn)出來，但是晚上溫度較低，導(dǎo)致虛焊點正常接觸，即使晚上測試EL測試，組件也是無異常的。

4.2.3         組串開路

組串開路的紅外照片表現(xiàn)為比正常工作的組件紅外整體溫度偏高，顏色表現(xiàn)為更亮一點。

組串開路的原理同4.2.2的原理相同，開路的組串溫度比正常工作的組串溫度溫度高（5攝氏度以內(nèi)），且不管開路組串中是否有會嚴重受損的組件都不會出現(xiàn)熱斑（包括破損組件）。

圖21組串開路紅外圖

4.2.4         組串短路

組串短路紅外圖片表現(xiàn)為組串內(nèi)所有組件同時出現(xiàn)多塊電池片熱斑。

從3.2熱斑原理來講，組串短路時，組串的工作電流是接近組件的短路電流的，往往很多個電池片滿足“當壞的或者遮擋的電池片，其短路電流小于其他電池片的工作電流”這個條件，從紅外圖片上看會有很多個電池片發(fā)熱。

圖22組串短路紅外圖

圖23組串短路紅外圖

4.2.5         遮擋

電池片被遮擋（鳥糞，雜草，樹木等），和電池片受損傷發(fā)生熱斑原理是一樣的，都是導(dǎo)致電池片的發(fā)電面積缺失，不同的是遮擋清除，熱斑會慢慢消失（熱斑時間持續(xù)太久會導(dǎo)致組件永久性損傷），電池片受損導(dǎo)致的熱斑是一個永久性的熱斑，除非更換新組件。

圖24組件陰影遮擋

圖25組件陰影遮擋紅外圖

五、紅外無人機與EL方案對比

六、總結(jié)

組件異常發(fā)熱容易導(dǎo)致光伏區(qū)著火，對光伏電站的運行帶來嚴重的安全隱患，針對遭受特大雹災(zāi)的光伏組件，通過測試數(shù)據(jù)如下：

1） 除了破損組件，出現(xiàn)熱斑的比例為0.45%；

2） 抽檢功率比標稱低了3.45%，大部分組件仍然可以正常發(fā)電；

因為很多隱裂會隨著使用時間的推移，隱裂會變得越來約越嚴重，也會導(dǎo)致熱斑會出現(xiàn)一定比例的增加，光伏電站定期紅外檢測是很有必要的。

另外， EL全檢不僅耗費大量的人力和財力，而且檢測周期太長，檢測期間發(fā)電量的損失也是一大筆費用，尤其針對災(zāi)后光伏電站的質(zhì)量評估，紅外無人機測試相比傳統(tǒng)的EL全檢具有很多優(yōu)勢：

1)    排查故障類型更多，更全面，比如：（組件的運行早期）虛焊，組串的短路，組串開路，陰影遮擋，影響發(fā)電量的隱裂或破片的；

2)    測試效率更高，平均每天25MW/架；

3)    測試環(huán)境更安全，白天工作，且不需要進入光伏區(qū)和接觸組件；

4)    檢測電站類型多樣，覆蓋面更廣，如：地面電站，水面電站，山地電站，屋頂分布式，農(nóng)光互補，漁光互補等等；

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