光伏市場的發展亟需新的背板測試標準

2017-10-12 10:55:44 pv-tech 　點擊量：評論 (0)

光伏市場在過去幾年以驚人的速度增長，特別是新興市場的地面電站項目和成熟市場的屋頂光伏系統。地面電站項目增長主要發生在光照富裕的地區，即非洲、中東、印度、東南亞、拉美和美國西部，而屋頂光伏系統

光伏市場在過去幾年以驚人的速度增長，特別是新興市場的地面電站項目和成熟市場的屋頂光伏系統。地面電站項目增長主要發生在光照富裕的地區，即非洲、中東、印度、東南亞、拉美和美國西部，而屋頂光伏系統市場則以歐洲和日本為主導。

　　不斷降低的系統價格是近年來光伏市場增長和競爭力提高的主要推動因素，但在太陽能發電行業中，初置成本僅是影響長期利潤率的因素之一。如何在系統生命周期內將發電量最大化，對于降低度電成本（LCOE）和提高投資回報率起著至關重要的作用。系統的可靠性越低，投資回報就越少。例如：當光伏組件的預計壽命從25年減少到20年時，度電成本將增加20%以上。

　　光伏組件長期處于嚴苛的環境老化應力之下，包括紫外、極端溫度、冷熱循環和濕度等，而且在戶外實際使用環境中，這些老化應力會同時作用于組件材料。目前，國際電工委員會（IEC）的光伏組件測試標準主要基于IEC 61215，這套標準中有一系列加速老化測試方法，但這些測試方法主要是針對組件出廠時的失效而設計的，并不能預測組件在其全生命周期中的長期性能。

　　現行標準也沒有根據氣候或應用進行市場細分，組件背板在不同地方承受的環境應力差異非常大。例如，沙特首都利雅得的平均氣溫約27℃，而德國慕尼黑的平均氣溫僅為10℃，兩地降水量也相差九倍以上。

　　應用類型是另一個重要因素。地面安裝的組件平均運行溫度高出環境氣溫25℃，而屋頂組件的運行溫度更是高出地面運行的組件15℃。

　　組件背板的重要性

　　光伏組件背板作為保護組件的最外層材料，尤其容易受到環境氣候作用和重復應力的影響。背板材料的粘接性能、抗紫外能力和機械強度都是影響壽命長短的關鍵因素，甚至影響整個組件的使用壽命。

　　隨著未經戶外驗證和低質量的背板材料在市場上應用，組件故障率越來越高。開裂和失效的背板會嚴重影響組件的運行和安全性，甚至會引起組件電氣失效，從而造成安全危害和潛在的接地故障。

　　杜邦公司全球電站現場調研項目的數據顯示，有22%的組件有明顯的老化和失效。此外，調研還發現組件中老化和失效比率最高的兩個部件分別是電池和背板，其中電池為11.3%，背板為7.4%。

　　如上圖所示，截止到2016年，杜邦公司對在北美、歐洲、亞太地區的190個電站進行了現場調研，涵蓋了來自45個組件廠、不同氣候類型、運行時間在0-30年、總功率超過450MW 的190萬余片組件。

　　調研發現，背板的老化失效與背板運行的氣候環境有著密切的關系。溫度越高，背板老化失效概率就越高，如下表所示，在炎熱和干旱地帶的背板老化失效率高達26.4%，是平均老化失效率的3.6倍。背板的老化失效還跟光伏組件的安裝方式有很大關系。由于屋頂光伏系統的背板失效率幾乎是地面電站的兩倍。大量戶外考察數據表明，屋頂系統的平均運行溫度會比地面電站高15℃。杜邦戶外調查數據顯示屋頂電站的背板老化失效率（26.3%）是地面電站（7%）的三倍以上。

　　表1:不同氣候地區的背板老化失效率（弗勞恩霍夫（Fraunhofer）研究結果）

　　表2:不同應用類型的背板老化失效率（弗勞恩霍夫（Fraunhofer）研究結果）

　　位于德國弗萊堡的弗勞恩霍夫太陽能研究所對光伏組件背板開展了一系列的測試來分析背板在UV應力和不同溫度下的性能。

　　弗勞恩霍夫研究的關鍵發現在于，黃變是由光譜中低于360nm的紫外波長引起的，不同材料的背板在紫外曝曬下的性能是不一樣的，但黃變僅需要紫外光的作用來引發聚合物降解后便可發生，如下圖中所示，黃變與溫度也存在很強的關聯。

　　杜邦戶外調研結果表明，除基于Tedlar? PVF薄膜的背板外，其余所有背板失效率均會隨時間延長而顯著增加。此外，杜邦戶外調研還發現，運行時間較長的光伏系統中背板失效率反而是非常低的，原因是這些電站所使用的大都是基于杜邦？ Tedlar? PVF薄膜的背板。

　　調研中還發現，相比于其他類型背板來說，基于Tedlar? PVF薄膜的背板在所有氣候類型和應用市場中的失效率都很低。弗勞恩霍夫的研究也同樣發現，基于Tedlar? PVF薄膜的背板幾乎沒有發生黃變，而PET背板的黃變程度是非常高的。

　　需要更嚴格的測試標準

　　在缺少可靠的長期耐久性測試標準的情況下，實地調研對于選擇光伏組件最佳材料是非常有價值的。然而，更需要出臺新的加速老化測試標準來模擬材料在戶外實際使用時發生的不同失效形式和程度。現有的IEC測試標準還不能很好地模擬戶外實際環境，并以此來鑒別不同背板材料的質量。

　　開發一套新的加速老化測試方法的前提是能模擬在戶外調研中實際觀察到的失效模式。然而，目前對于評估光伏組件長期耐久性還沒有特別有效的實驗室加速老化測試方法。

　　針對上述現狀，杜邦提出了一種新的組件測試方法，名為“組件加速序列老化測試”（ Module Accelerated Sequential Testing ，MAST），包括一系列應用在同一個組件上的應力測試。測試的大體順序是：先將組件放置在濕熱環境下1000小時，然后進行交替重復的紫外老化測試（UVA）和冷熱循環測試。

　　杜邦提出的組件加速序列老化測試（MAST），可以重現不同的背板材料的戶外失效模式。MAST實驗方案結合了大部分組件在戶外使用過程中所遇到的應力情況，包括紫外、濕度、溫度和冷熱循環等。每項應力的測試時間是通過戶外曝曬程度和對戶外組件的分析結果共同決定的。

　　較傳統測試方法而言，使用組件加速序列老化測試（MAST）預測組件材料的長期性能準確度更高，其結果與現場觀察的情況大部分一致。在現場檢測中可以發現很多PET背板開裂和黃變以及PVDF背板開裂的案例，通過杜邦推薦的組件加速序列老化測試（MAST）方法可以模擬戶外實際使用情況，并將不同背板的失效形式予以很好的重現。

　　解決背板失效問題

　　如前所述，光伏市場在高溫氣候地區和屋頂市場的增長特別迅猛，其應用環境對組件材料有很大的影響。杜邦戶外調研也證明了背板材料在炎熱和干旱地區和屋頂電站的失效率明顯更高。

　　背板材料對環境應力特別敏感，當背板處于高溫和紫外光照射共同作用下時，其降解速率明顯增加。黃變是材料降解的信號，會影響背板的機械性能。開裂和脫層是另兩個特別重要的失效形式，會降低背板的電氣保護能力，增加人身安全風險系數。一旦發現此類背板失效形式，就意味著需要更換組件了。一個來自杜邦的案例調研發現，替換組件所帶來的經濟影響，比長期功率損失更大。所以選用更好的材料，既能降低組件的功率損失，更關鍵的是能省去因材料失效而產生的更換組件的費用。

　　光伏系統開發商可以通過選擇市面上可靠耐久的背板材料來降低紫外和高溫引起的相關風險。來自杜邦全球戶外組件調研表明，唯一經過戶外實績驗證30年的Tedlar@PVF薄膜是可靠的背板材料。這個調查結果也獲得了弗勞恩霍夫研究所的認可，他們的實驗證明基于 Tedlar? PVF薄膜的背板是在抵抗黃變和高溫老化應力方面有著最優異的表現。