打造太阳能系统的耐久性：数十亿美元的节约之道

原文作者：Dirk Jordan, Teresa Barnes, Nancy Haegel, Ingrid Repins（美国国家可再生能源实验室）

太阳能正在全球范围内大规模应用。自1980年以来，太阳能发电的成本已经大幅下降了100倍。到2023年，全球光伏装机容量预计将超过1太瓦。到2050年，我们还将进一步需要30-100太瓦的太阳能装机容量。然而，如果质量得不到保证，越来越频繁的故障趋势将意味着今天安装的许多设备可能坚持不到那个时候。

为了取代化石燃料，太阳能的可靠性至关重要。光伏设备必须在蒸气氤氲的热带地区和冰天雪地的极地同样好用，风暴、冰雹、热浪和大雪都不能影响它们的工作。到目前为止，太阳能一直是非常可靠的。大多数组件的保修期为25-35年（见“太阳能发展趋势”），在美国，只有不到1%的组件会在头5年内出现故障[1]。例如，2017年加勒比地区毁灭性的飓风后，不少小型岛屿国家安装的太阳能电池板完好无损，在当地恢复生产生活秩序的进程中发挥了重要的作用。

然而，关于太阳能设备可靠性的挑战却正变得紧迫起来。太阳能系统正被安装在越来越复杂的环境中。新的电池设计、材料、包装和支架技术可以在几个月内就进入市场。耐久性测试就需要跟上了。一些十年前通过了质量测试的部件，在后来被证明是有缺陷的。

现在的精密系统效率更高，但也几乎没有容错的余地。为了追求更高的发电量和更低的成本，制造商们生产出来的组件正变得越来越大，也越来越薄。他们将许多电池连接在一起，从而提高发电功率并加快生产速度。电子元件也变得更加复杂。供应链的中断可能会诱使一些制造商使用廉价、不合格或假冒的零件（详见 go.nature.com/3kptewj）。糟糕的安装、运营和维护实践使公用事业公司每年损失价值数千万美元的发电量（详见go.nature.com/3xnyfef）。过上数十年，累计损失可能高达数十亿美元。

太阳能电池板也越来越多地暴露在了气候变化带来的极端天气之下。在2019年德克萨斯州的一场风暴中，直径近7厘米的冰雹击碎了为大约两万个家庭提供电力的光伏组件。相关的保险损失超过了7500万美元。

如果不加以解决，类似的脆弱性将减缓太阳能的推广，我们也将无法达成一些关键的气候里程碑。该行业将面临更高的保险索赔、收入损失以及财务和安全风险。这将导致电网运营商更加不情愿转向采用太阳能发电，进而造成碳中和的目标无法实现。

而在短期内，太阳能却可以拯救生命。例如，当1000万人在得克萨斯州2月份的大冰冻期间失去电力时，事故至少造成111人不幸离世，该州的经济损失也高达1300亿美元。当时，火力发电系统崩溃，风力发电表现不佳，但太阳能发电基本上没有受到影响[2]，继续满足了该州2%的能源需求。

本文列出了太阳能行业为了确保太阳能可靠性所需要采取的五个步骤，涵盖了安装检查和培训、材料和系统故障相关的基础研究、更稳健的操作和标准等多个方面。这其中，太阳能科学家和工程师、投资人、消费者和管理机构都可以发挥自己的作用。

需要推动实验室检测方法和计算机模型研究的进一步发展，以评估下一代太阳能面板在实际使用中的表现。

研究人员需要更好地了解光伏退化的物理和化学原理。其中一个挑战是如何在实验室中加速模拟退化所涉及到的化学物质扩散和细微反应过程。如果只是加热样品或通过放大其所受到的压力来进行测试，例如将样品暴露在100%的湿度或强紫外光下，倘若触发了在现场不会发生的反应，就会产生有误导性的测试结果。因此，曾经一度十分流行的光伏面板“压力锅”测试，就可能会产生不可靠的结果。合理的测试需要以更真实的方式暴露出故障。例如，应该按照自然顺序同时施加各种压力源，并将更极端的条件也考虑进来。

失效的机制也需要仔细识别，并制定出可以将其最小化的策略。例如，串联在一起的太阳能电池面板中，位于两端的要比在中间的承受更高的电压。这些电压可能高到足以使玻璃罩中的钠离子游离出来，然后可能漂移到太阳能电池中并使其不堪重负。同样，研究人员也必须了解光和热为什么、以及如何以不同的方式让各种类型的电池出现退化。氢被认为在这个过程中发挥了一定的作用。

我们也需要更大、更复杂的测试设备。这些设备必须为面板提供均匀水平的光、热和其他压力源。如今，我们要求测试设备可以覆盖几平方米的面积。这么大的面积需要两个及以上的工作人员才能进行定位。而在20世纪80年代，面板的面积仅为0.5平方米左右，也更容易处理。而且，需要同时测试多个面板才能确保得出的结论具有统计学意义。许多国家级和头部的测试机构，包括我们在美国以及欧洲和亚洲的不少实验室，都具备这些能力。但在低收入国家，很少有小型买家或测试者有这样的机会。

光伏面板、二极管或接线盒等零件都有着应用广泛的质量标准。但却没有哪一个标准可以涵盖整个太阳能系统。不良的装配操作、不同批次零件之间存在的差异，以及使用了哪怕只有一个不合格的零件，都会严重影响整个系统的性能。

为了指导更全面的标准制订，整个系统的耐久性都要经过测试。这项行动的第一步，是在2014年由国际电工委员会（IEC）牵头建立的全球可再生能源应用认证体系（IECRE）。该体系于2016年报告了其首个光伏证书。但这个体系还需要变得更加全面。相关的监管工作不应只包括工厂生产和产品检查，还应该像食品行业一样，在供应链的每个阶段都引入随机抽样和合规性测试。而客户在购买产品时，也应选购经过认证的产品与方法。

相关标准也需要不断更新，以应对最新的技术和故障模式。当前的开发周期依赖于国际志愿专家团队达成共识，而这个过程通常需要耗时数年之久。IEC的每个成员国都需要全职的技术支持。

还需要将更苛刻的测试条件囊括进来，以预测更长时期的故障并考虑日益恶劣的天气条件。当前的IEC标准要求光伏面板能够承受25毫米的冰雹。涉及更大尺寸冰雹的认证正在开发当中，但研究人员仍需要建立一个有现实意义的测试条件范围，以保持产品成本可控并避免过度设计。一种解决方案是针对安装在特定地区恶劣条件下的太阳能系统引入专门的认证。

在测试中，面板、逆变器和连接器等零件必须同时暴露在一系列模拟真实户外条件的压力源中。否则，一些缺陷就可能会被漏检。例如，一项2019年的调查显示，从全球350多个光伏电站抽样出来的650万个面板里，有14%的背板出现了变色和开裂等退化问题[3]。一个典型的例子是，某类由一种AAA聚酰胺制成的背板出现了不可预见的问题。这些组件于2010年推向市场，因为价格相对便宜，且不存在传统背板面临的供应链问题，因此广受欢迎。AAA面板通过了暴露于湿热和紫外线的标准测试。但五到十年后，许多面板开始开裂，从而造成短路。最终发现，在制造和户外暴露环节中产生的热应力是罪魁祸首，但在以前，这并不是标准测试的一部分[4]。这些因素现在正被纳入测试的范围之中。

研究人员制订测试规范和标准时，还必须考虑到一些不可预见的故障。例如，新型低温焊料的降解机制与传统焊料不同，因此需要不同的测试规范[5]。安装在水面上的浮式光伏，其连接器和支架都需要采用更多的抗腐蚀材料，波浪的运动也可能加速其磨损。在什么情况下可以接受不同零件的混合与匹配，也需要通过测试才能确定：当安装人员将不同制造商的连接器部件连接在一起时，有时会出现起火。

使用了传感器和监测系统的早期故障识别技术，已经在传统能源发电机组和风力发电机组上进行了大规模的应用。这种技术在太阳能行业也应成为常规。一些大型光伏电站的运营商，已经在使用安装在无人机和飞机上的红外或可见光摄像头来发现故障。然而，他们需要更好的分析方法快速解释数据，然后迅速响应以降低发电损失和系统损害。机器学习算法是一种很有前途的方法，可以检测出轻微的性能不足，这些问题可能被更明显的昼夜和季节变化所掩盖。

我们也需要更全面的技术来完成多种数据的跟踪任务，例如追踪气象预测的数据，加上来自现场的风速传感器、加速度计和视频监控的数据。许多大型太阳能发电系统有专门的气象站，测量太阳辐照度、温度和风速。有些还关注天气预报。当面临冰雹或强风天气威胁时，操作员有时会收起光伏阵列。安装振动传感器将使他们能够做出更精细的调整，以减少冰雪或大风的影响。而在更小的尺度上，传感器也可以集成到光伏面板里，以跟踪可能会带来可靠性告警的物理或化学变化。一些相关的技术已经得到示范[6]。

在太阳能电池阵列上增加传感器和监控系统，会导致成本的增加。但在几十年的使用周期里，这些投资将通过降低维护需求和停机时间来得到补偿。

在竞争激烈、利润微薄的太阳能市场里，材料成分信息通常是不共享的。没有几家厂商会报告他们的面板是如何生产的，或者列出其组成。供应链的瓶颈，例如那些由新冠疫情引起的背板、多晶硅和玻璃的物流问题，正在严重打击光伏产业。消费者无法知道制造商是否在最后一刻换上了未经测试的部件。有严格合同期限的买方为了避免受到处罚，也可能会对此睁一只眼闭一只眼。这种不确定性也给科学家在实验室里测得结论的可靠性蒙上了阴影。

开发人员、购买者和测试人员应要求制造商提供有关组件成分的准确信息——材料列表。制造商应该把它作为一项客户服务来提供。例如，新泽西州一家大型公用事业站点的运营者调查了12%性能不佳的面板，他们发现问题源于同一组件中，不同电池银浆顶部触点的变化[7]。更高的透明度还将促进废旧太阳能电池板的回收和重建，打开新的市场，减少垃圾填埋量。

在很多行业中，可靠性是非常关键的。光伏行业也应该向这些行业看齐。例如，航空业坚持严格的检查、维护和材料控制。关于材料老化或故障的数据是全行业共享的，因为安全是整个行业赖以生存的基石。

光伏行业还应像食品行业一样，考虑对标签的要求做出规定。国际组织，例如 IEC 的电工设备与组件符合性评估体系 （IEC System of Conformity Assessment Schemes for Electrotechnical Equipment and Components，IECEE），可以提供相应的帮助，他们已经对一些经认证的太阳能设备的生产一致性进行了监管。

虽然电气安全相关的要求在发达国家是很普遍的，但世界上许多地方，这些要求要么不存在，要么不会得到严格执行。除此之外，还有一些其他的不一致性会对可靠性造成影响。最佳实践需要在全球范围内传播和采用。比方说在飓风多发地区，只需要一些简单的措施就可以增加光伏系统抵御灾害的能力，如使用适用于风暴天气中高风速的坚固支撑结构；用螺栓固定框架，或为每个太阳能电池板使用更多的安装夹；使用抗震螺栓；将支架安装在椽子上而不仅仅是放在屋顶上；以及避免将系统放置在靠近屋顶边缘的位置以尽量减少隆起[8]。

正确操作和运输至关重要。在未经专门设计的组件上踩踏、将太阳能电池板柔软的背板放在坚硬的安全帽上、运输的时候水平放置、扭曲光伏面板或其他的粗暴操作方式，都会造成看不见的损坏。

其他常见问题还包括接线不当，以及保险丝、断路器和连接器的问题。将直流电转换为交流电的逆变器是最经常发生故障的地方。将其暴露在高温下往往是造成故障的原因。这个问题有一个简单的补救措施：延长连接器，将逆变器安装在建筑物的阴面，而不是暴露在阳光充足的地方。

对光伏系统的质量承诺在整个价值链中都至关重要。它必须包括对太阳能安装人员的严格培训以及最先进的运维技术。光伏电池的消费者应该获得他们可以识别的认证。为太阳能安装人员提供认证和培训的北美注册能源从业者委员会 （North America Board of Certified Energy Practitioners，NABCEP）最近开始在国际市场上扩展其业务。全球都需要类似的组织。消费者和安装了光伏电池的业主，也应获得一份精简版的 IECRE 质量体系认证。

与气候变化的代价相比，所有这些保证质量的措施都具有成本效益。仅2018年，美国因飓风造成的停电经济损失就高达1500亿美元，而今年的德国洪水损失则超过100亿欧元（113亿美元）。我们现在对质量控制所进行的投资，将确保在未来数十年内都拥有负担得起的清洁电力。