新供应商、新机遇和新风险：IRA对光伏组件可靠性的影响
文 | Tristan Lorico
翻译 | Selina
编辑 | 肖蓓
出品 | PV Tech 每日光伏新闻
2022年8月，美国国会通过了《通货膨胀削减法案》(IRA)，这项3690亿美元的历史性投资似有望彻底改变美国的清洁能源行业。
新的激励措施将加速国内关键太阳能和风能组件的制造，而额外的税收减免则将进一步提高风能和太阳能开发商的项目经济效益。
实验室中的组件测试
研究公司Wood Mackenzie预测，美国太阳能市场在未来五年内将增长两倍。同样，达特茅斯学院和普林斯顿大学的一个研究小组发布了一份报告，指出该法案将创造160万个额外可再生能源工作岗位。同一份报告还发现，IRA将使太阳能项目的发电成本最多降低60%。
IRA中的太阳能条款有两个优先事项：增加国内太阳能制造和减少对中国进口的依赖。该法案旨在鼓励在美国生产包括电池、硅片、边框、玻璃和背板在内的、更多的关键太阳能组件，太阳能行业正在就此做出回应。
美国清洁能源协会指出，截至2023年4月，美国国内大型电力项目清洁能源投资已超过1500亿美元，同时还公布了新建47家生产厂的消息。
根据太阳能行业协会(SEIA)的数据，预计IRA将在未来十年带来逾6000亿美元的新太阳能投资和20万个新工作岗位。该法案中一些最令人振奋的内容是扩大了现有的投资税收抵免(合格的先进能源项目抵免或第48C节)，并制定了先进制造业生产税收抵免(第45X节)。
投资税收抵免和生产税收抵免都包括了对符合国内含量要求的项目的加分。然而，对于该行业是否有能力在美国生产所有必要的组件，以及究竟哪些项目将有资格获得额外的税收优惠，人们仍然心存疑虑。
最近发布的本土含量附加指南规定，支架等钢铁产品需要100%在美国制造，而跟踪支架、光伏组件、电池和逆变器等制成品需要40%在美国制造(针对2025年年底前开工的项目；从2026年开始，这一比例为55%)。在我们最新的太阳能技术和成本预测(STAC报告)中，PVEL和Exawatt得出的结论是：至少未来几年，目前的国内晶硅组件产能不太可能让开发商满足这些要求。
哪些供应商和哪些项目有资格获得税收抵免，这些问题令人头疼。新工厂和新原材料本身就会带来新的风险。在采购过程中更换材料供应商或组件会对组件在现场的近期和长期性能产生影响。
十多年来，PVEL的实验室数据表明，对光伏组件的独特物料清单(BOM)稍作改动，就会对其可靠性和性能产生重大影响。除了遵循其他采购最佳实践外，还可以通过独立的第三方测试来降低与组件采购和供应变化相关的风险。虽然IRA为美国太阳能产业的快速发展提供了一个令人兴奋的机会，但了解BOM的性能和可靠性对于质量的保持将变得更加重要。
BOM为何重要：并非所有组件都一样
通过PVEL的可靠性和性能测试(即产品认证计划(PQP))，PVEL已测试了500多种独特的BOM组合。在PVEL位于加利福尼亚州的工厂，或在PVEL位于中国苏州的合作伙伴Kiwa Group的PI China实验室专家的监督下，PVEL使用全球一流的设备，根据PQP对所有BOM进行一致测试。每年，PVEL都会在光伏组件可靠性记分卡中公布表现最佳组件，提供相关案例研究支持我们的测试方法。
型号完全相同的光伏组件可以由完全不同的BOM生产。只要制造商的IEC/UL认证报告中列出了所有组件，供应商就可以自由搭配整体材料甚至电池。
PVEL的测试结果一再表明，这些单个组件的变化会极大影响产品质量，因此，仅依靠认证测试不足以确定长期性能和可靠性。
在PVEL最近的一个湿热(DH)测试案例中，PVEL收到了同一组件制造商的两份BOM，它们使用了相同的电池和相同的正面封装材料。湿热测试模拟了高温和高湿度条件下典型的长期衰减和失效模式，在这种条件下，湿气和热量会削弱将组件结合在一起的材料。
其中一个测试组件采用双玻设计，另一个采用玻璃//背板设计。双玻BOM在湿热测试中表现优异，但玻璃/背板BOM在相同测试后的功率损失超过7%。背板显然允许湿气进入层压板，导致电池腐蚀。
双玻BOM与玻璃//背板BOM的湿热功率衰减比较
在另一个2023记分卡例子中，PVEL测试了来自同一制造商的两种几乎相同的双玻BOM的电位诱发衰减(PID)。在未接地的装置上，光伏系统电压过高会引发PID。使用无变压器逆变器的项目更容易出现PID，高温高湿的环境会进一步加速PID的发生。虽然PID有时是可逆的，但严重和永久性的PID可使发电量出现高达30%的下降。
进行PID测试的电池、玻璃和几乎所有其他材料都是相同的。BOM之间的唯一区别是封装材料来自两家不同的供应商(虽然都是正面EVA+背面POE)，使用了不同的边框和接线盒密封剂。经过PID192(-)测试后，一个BOM的功率下降了1.1%，而几乎相同的BOM的功率下降了4.5%。有人认为，BOM的微小变化会导致一个BOM的PID易感性高出四倍。
两个几乎完全相同的BOM之间的PID功率衰减比较
在PVEL的热循环(TC)(PQP测试的另一个步骤)工艺中，组件要在环境舱中经受极端的温度波动。首先将组件置于-40°C的温度下，然后将温度升至+85°C。在温度升高的同时，组件还要承受最大功率电流，从而产生额外的现场相关应力。该循环总共重复600次，对每200次循环进行一次特性分析。
在IEC61215标准下的200个热循环测试持续时间内，测试的大多数组件表现良好，虽然如此，其中一些组件在PQP扩展热循环期间出现了灾难性缺陷。在最近的一个热循环(TC)示例中，组件在TC200和TC400测试中表现良好。但是，在TC600之后，组件没有功率输出，EL图像变黑。PVEL对故障进行了调查，发现组件的一个接线盒内存在开路。如果在现场安装，这会导致整个组串没有输出。
200、400和600次循环后的功率衰减对比
发生在实验室和现场的故障
虽然PVEL2023记分卡展示了光伏组件整体可靠性趋势的改善，但上述例子并不罕见。事实上，54%符合2023记分卡条件的制造商在PQP测试中都至少出现过一次故障。
PQP测试中观察到的故障类型多种多样。组件可能在目视检查期间出现故障，包括组件在机械应力作用下断裂、接线盒盖脱落、烧痕、连接器熔化/失效、分层以及电源标签脱落或变得难以辨认。当组件不符合最低电阻要求时，就会出现安全故障，这种情况在预应力测试中越来越常见。当功率损耗超出组件制造商(或其客户)认为可以接受的范围时，就会出现功率衰减故障。
最后，二极管故障是指组件的旁路二极管不再起作用。二极管故障属于接线盒故障的一个大类，其中还包括连接器熔化、电线裸露、可追溯到接线盒的湿漏电故障以及接线盒焊接故障。在2023记分卡中，我们发现29%的制造商和19%的BOM至少出现过一次与接线盒相关的故障。
在实验室观察到的故障可能会对现场产生实际影响。在最近的一个案例中，Kiwa Group的成员Extel Energy受托考察了台湾的一个12MW屋顶项目。该项目使用340W半切120片电池单晶PERC组件，于2021年投入使用。常规无人机红外(IR)成像显示，一些组件的接线盒处存在热点，此外还有一些激活的旁路二极管。
在进一步检查现场时，Extel发现一些接线盒被完全烧毁。在现场约35000个组件中，有700个组件的接线盒在红外图像中可见热点，70个组件的旁路二极管被激活，10个组件的接线盒被严重烧毁。组件制造商经过调查确定，这些都是由于接线盒内的焊接问题造成的。此后，他们更新了质量和流程控制，对接线盒焊接实施拉拔测试。
虽然制造商提供了受影响组件的替代品，但更换这些组件和诊断问题的人工成本不在组件制造商的保修范围内。目前还不清楚其他组件将来是否会受到这种故障模式的影响，因为这些组件在现场会经历自然温度循环，自然温度循环会对焊接可靠性产生影响。
自2019年以来，PVEL在每一期记分卡中都报告了与接线盒相关的故障问题。无论是PQP测试发现的故障，还是现场组件的故障，这一问题依然存在。随着我们供应的多样化，以及从新的入场者或工厂采购组件，买家需要做好尽职调查，以避免在出现问题时产生不可预见的更换成本风险。
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采取措施降低采购过程中的风险
指定性能最佳的光伏组件只是光伏组件采购过程中降低风险的一个方面。作为Kiwa Group的一部分，PVEL和其他成员公司在项目开发、施工和运营的每一步都为下游项目利益相关方提供支持。下面，我们将概述Kiwa推荐的一些组件采购最佳实践：
-指定性能最佳的物料清单。在PVEL实验室中，我们对组件的独特物料清单进行测试和报告，并将此信息提供给下游合作伙伴，这样他们就可以使用这些数据指定可满足光伏组件供应协议中项目要求的BOM组合。
-审计和监控工厂。经验丰富的组件采购商要求在采购光伏组件前进行工厂审计(对制造商的生产流程进行独立检查)，确保供应商符合质量标准。在生产过程中监控光伏组件生产也有助于防止为特定项目生产的组件出现质量问题，确保使用经过PQP测试的BOM。这些服务由PIBerlin和Kiwa Group的其他公司提供。
-验证质量。在组件生产过程中，对光伏组件进行统计意义上的抽样测试，可帮助买家识别并纠正其现场部署组件中存在的质量问题。这一过程被称为批量测试，要求将随机选择的一组光伏组件从工厂运送到PVEL或其他Kiwa Group的实验室进行评估。这也可以通过制造商工厂实验室的第三方监督来执行。
-验证性能。Kiwa建议对大型和地面太阳能项目进行现场测试。在光伏组件运抵项目现场和系统调试前进行测试有助于识别在运输或安装过程中发生的损坏。当现场出现性能或可靠性问题时，PVEL和Kiwa Group可随时诊断问题并提供补救指导意见。
该图按故障类型显示了在PQP的每个测试序列中出现故障的BOM百分比
齐心协力，确保太阳能的美好未来
IRA中的太阳能条款可为美国产业带来巨大利益，改变美国的制造业格局，并迅速创造新的就业机会。但是，随着这一行业迅速扩张并改变美国的光伏组件供应链，必须进行适当的尽职调查以确保质量和可靠性。
PVEL多年的实验室数据显示，材料和组件的微小差异都可能对项目经济性产生巨大影响。制造商拥有在美国扩大生产的绝佳机会，美国的开发商也可以采购国内产品。然而，无论产品的来源如何，买家都需要注意，并非所有的光伏组件都是一样的。
在采购过程中，组件买家遵循包括审查第三方报告和指定BOM组合的做法有助于降低整体项目风险。对于市场竞争日益激烈的制造商来说，提交组件进行第三方测试有助于产品的差异化，提升客户的信心。通过共同努力，不断审查和解决组件在生产和运行过程中的性能问题，这会有助于确保在行业中投入的数十亿美元打造一个强大的、惠及所有人的太阳能未来。
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