一、引言

我國光伏發電行業在經歷了2013-2017年的高速發展，在2018年經歷了行業低谷，531政策的急剎車使得國內市場快速下滑、產品價格快速下降、企業盈利能力持續位于低位，行業發展熱度驟降隨著光伏行業的發展，但是，受政策影響，行業逐步由過去的粗放式增長、追求規模向精細化發展、行業對光伏電站的質量要求也越來越高，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慢慢的不能滿足行業的發展，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，結合實際項目的測試，淺談兩種測試在光伏電站災后評估中的實際應用，希望能給光伏電站受災后評估，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

電致發光，又稱電場發光，簡稱EL．其原理是平衡P—N結中存在著具有一定寬度和高度的由P區指向N區的內建電場(即勢壘區)，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，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，勢壘區內建電場減弱，但繼續發生載流子的擴散，電子由N 區注入P區，同時空穴由P區注入到N區，如圖2所示．這些進入P區的電子和進入N區的空穴都是非平衡少數載流子，在實際電池的P—N結中，擴散長度遠大于勢壘寬度．因此電子和空穴通過勢壘區時因復合而消失的概率很小，繼續向擴散區擴散，P—N結勢壘區和擴散區注人了少數載流子，這些非平衡少數載流子不斷與多數載流子輻射復合，并發出光子．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減弱，電池發光強度減小，結合特制的CCD相機拍攝等部件，形成如圖3所示的EL 缺陷檢測系統，得到光伏組件輻射復合分布圖像，根據圖像中電池發光強度的不同可以判定電池組件是否存在缺陷，并可根據缺陷形狀來判定缺陷類別．

圖1 平衡P-N結

圖2 正偏注入發光

圖3 EL測試系統

2.2 IR測試原理

IR測試（紅外測試）的實質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，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，它在電磁波連續頻譜中的位置是處于無線電波與可見光之間的區域。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環境下都會產生自身的分子和原子無規則的運動，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系。通過紅外線輻射的探測器將物體輻射的功率信號轉換成電信號后（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地模擬掃描物體表面溫度的空間分布，經電子系統處理，傳至顯示屏上，得到與物體表面熱分布相應的熱像圖。運用這一方法，便能實現對物體進行遠距離熱狀態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，此次雹災涉及近20萬塊組件，為了評估雹災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并網運行的組件使用紅外無人機進行紅外全檢，結合該項目的EL測試結果，對比兩種測試方法優缺點。

圖4某光伏電站雹災

3.1   紅外測試結果

3.1.1         #1結果匯總

圖5  #1平面圖

3.1.2         #2結果匯總

圖6  #2平面圖

3.1.3         #3結果匯總

圖7 #3平面圖

我們通過紅外測試結果，出現熱斑的比例總計為0.45%，我們發現只有嚴重受損的電池片針在紅外圖片中顯示發熱異常，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一個或者多個電池片遮擋、外力或其他原因導致發電面積缺失（從EL圖片上看受損區域是黑絲）,導致其中一個電池片的短路電流下降過多，其他電池片產生的功率則被這個“壞”的電池片消耗了，從而形成熱斑效應。

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系到組件是否會出現熱斑，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以下才會發生熱斑情況，因為組件的電流和發電面積是正比關系，近似計算，當電池片面積減少1-Imp/Isc=6.23%,組件就會發生熱斑，在實際的電站運行中，因為組件串聯適配損失的原因，組串的Imp往往比組件Imp要低，所以實際情況，電池片發電面積缺失7%-8%才會觸發熱斑的產生（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幾個月，組件初始衰減都發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（一般組件質保為首年2.5%），針對明顯冰雹導致的組件隱裂，實驗室測試組件的功率，我們發現，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   紅外測試結果

表1 #1測試結果

表2  #2測試結果

表3  #3測試結果

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發電中，根據3.2所講，組件是100%發生熱斑的，這種測試主要應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，如洪災導致組件破損，如圖16。

圖14  組件破損

圖15  破損紅外

圖16 洪災后破損組件（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，下圖中最左側兩串是接線盒虛焊對應的組串，從從外圖可以看出組串溫度偏高約3.5℃（一般都在5℃以內）。

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，由于接線盒虛焊導致左側兩串電池處于開路狀態，無電流輸出，吸收的光能全部轉為熱能，而工作狀態下的電池串，一部分光能轉換為電能輸出，另一部分轉換成熱能，所以開壓電壓下，電池片溫度比工作狀態下溫度高，溫差基本是等于電能輸出的那部分能量轉換。

從電氣原理圖上看，接線盒虛焊時，對應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熱的。

另外此類發熱也是可以排除組件對應串短路（二極管擊穿），假如對應組串因為二極管擊穿導致的短路，組串的發熱和組件或者組串短路屬于同一種情況，出現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，通過紅外可以顯現出來，但是晚上溫度較低，導致虛焊點正常接觸，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為比正常工作的組件紅外整體溫度偏高，顏色表現為更亮一點。

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），且不管開路組串中是否有會嚴重受損的組件都不會出現熱斑（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為組串內所有組件同時出現多塊電池片熱斑。

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），和電池片受損傷發生熱斑原理是一樣的，都是導致電池片的發電面積缺失，不同的是遮擋清除，熱斑會慢慢消失（熱斑時間持續太久會導致組件永久性損傷），電池片受損導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

組件異常發熱容易導致光伏區著火，對光伏電站的運行帶來嚴重的安全隱患，針對遭受特大雹災的光伏組件，通過測試數據如下：

1） 除了破損組件，出現熱斑的比例為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，也會導致熱斑會出現一定比例的增加，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，檢測期間發電量的損失也是一大筆費用，尤其針對災后光伏電站的質量評估，紅外無人機測試相比傳統的EL全檢具有很多優勢：

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)    測試環境更安全，白天工作，且不需要進入光伏區和接觸組件；

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，農光互補，漁光互補等等；

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