光伏市場的發(fā)展亟需新的背板測試標(biāo)準(zhǔn)

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(tǒng)。地面電站項目增長主要發(fā)生在光照富裕的地區(qū)，即非洲、中東、印度、東南亞、拉美和美國西部，而屋頂光伏系統(tǒng)

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(tǒng)。地面電站項目增長主要發(fā)生在光照富裕的地區(qū)，即非洲、中東、印度、東南亞、拉美和美國西部，而屋頂光伏系統(tǒng)市場則以歐洲和日本為主導(dǎo)。

　　不斷降低的系統(tǒng)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(fā)電行業(yè)中，初置成本僅是影響長期利潤率的因素之一。如何在系統(tǒng)生命周期內(nèi)將發(fā)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(guān)重要的作用。系統(tǒng)的可靠性越低，投資回報就越少。例如：當(dāng)光伏組件的預(yù)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(yán)苛的環(huán)境老化應(yīng)力之下，包括紫外、極端溫度、冷熱循環(huán)和濕度等，而且在戶外實際使用環(huán)境中，這些老化應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)主要基于IEC 61215，這套標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計的，并不能預(yù)測組件在其全生命周期中的長期性能。

　　現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)也沒有根據(jù)氣候或應(yīng)用進行市場細(xì)分，組件背板在不同地方承受的環(huán)境應(yīng)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(yīng)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(huán)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(huán)境氣候作用和重復(fù)應(yīng)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(guān)鍵因素，甚至影響整個組件的使用壽命。

　　隨著未經(jīng)戶外驗證和低質(zhì)量的背板材料在市場上應(yīng)用，組件故障率越來越高。開裂和失效的背板會嚴(yán)重影響組件的運行和安全性，甚至?xí)鸾M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(xiàn)場調(diào)研項目的數(shù)據(jù)顯示，有22%的組件有明顯的老化和失效。此外，調(diào)研還發(fā)現(xiàn)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(qū)的190個電站進行了現(xiàn)場調(diào)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(diào)研發(fā)現(xiàn)，背板的老化失效與背板運行的氣候環(huán)境有著密切的關(guān)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(dá)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(guān)系。由于屋頂光伏系統(tǒng)的背板失效率幾乎是地面電站的兩倍。大量戶外考察數(shù)據(jù)表明，屋頂系統(tǒng)的平均運行溫度會比地面電站高15℃。杜邦戶外調(diào)查數(shù)據(jù)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(qū)的背板老化失效率（弗勞恩霍夫（Fraunhofer）研究結(jié)果）

　　表2:不同應(yīng)用類型的背板老化失效率（弗勞恩霍夫（Fraunhofer）研究結(jié)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(yīng)力和不同溫度下的性能。

　　弗勞恩霍夫研究的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)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(fā)聚合物降解后便可發(fā)生，如下圖中所示，黃變與溫度也存在很強的關(guān)聯(lián)。

　　杜邦戶外調(diào)研結(jié)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(diào)研還發(fā)現(xiàn)，運行時間較長的光伏系統(tǒng)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(diào)研中還發(fā)現(xiàn)，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(yīng)用市場中的失效率都很低。弗勞恩霍夫的研究也同樣發(fā)現(xiàn)，基于Tedlar? PVF薄膜的背板幾乎沒有發(fā)生黃變，而PET背板的黃變程度是非常高的。

　　需要更嚴(yán)格的測試標(biāo)準(zhǔn)

　　在缺少可靠的長期耐久性測試標(biāo)準(zhǔn)的情況下，實地調(diào)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(biāo)準(zhǔn)來模擬材料在戶外實際使用時發(fā)生的不同失效形式和程度。現(xiàn)有的IEC測試標(biāo)準(zhǔn)還不能很好地模擬戶外實際環(huán)境，并以此來鑒別不同背板材料的質(zhì)量。

　　開發(fā)一套新的加速老化測試方法的前提是能模擬在戶外調(diào)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(xiàn)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(yīng)用在同一個組件上的應(yīng)力測試。測試的大體順序是：先將組件放置在濕熱環(huán)境下1000小時，然后進行交替重復(fù)的紫外老化測試（UVA）和冷熱循環(huán)測試。

　　杜邦提出的組件加速序列老化測試（MAST），可以重現(xiàn)不同的背板材料的戶外失效模式。MAST實驗方案結(jié)合了大部分組件在戶外使用過程中所遇到的應(yīng)力情況，包括紫外、濕度、溫度和冷熱循環(huán)等。每項應(yīng)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(jié)果共同決定的。

　　較傳統(tǒng)測試方法而言，使用組件加速序列老化測試（MAST）預(yù)測組件材料的長期性能準(zhǔn)確度更高，其結(jié)果與現(xiàn)場觀察的情況大部分一致。在現(xiàn)場檢測中可以發(fā)現(xiàn)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(xiàn)。

　　解決背板失效問題

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

　　背板材料對環(huán)境應(yīng)力特別敏感，當(dāng)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(fēng)險系數(shù)。一旦發(fā)現(xiàn)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(diào)研發(fā)現(xiàn)，替換組件所帶來的經(jīng)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(guān)鍵的是能省去因材料失效而產(chǎn)生的更換組件的費用。

　　光伏系統(tǒng)開發(fā)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(guān)風(fēng)險。來自杜邦全球戶外組件調(diào)研表明，唯一經(jīng)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(diào)查結(jié)果也獲得了弗勞恩霍夫研究所的認(rèn)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(yīng)力方面有著最優(yōu)異的表現(xiàn)。

責(zé)任編輯：lixin

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