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光伏市场的发展亟需新的背板测试标准

国际太阳能光伏网  来源:pv-tech  作者:肖蓓  日期:2017-10-11
   光伏市场在过去几年以惊人的速度增长,特别是新兴市场的地面电站项目和成熟市场的屋顶光伏系统。地面电站项目增长主要发生在光照富裕的地区,即非洲、中东、印度、东南亚、拉美和美国西部,而屋顶光伏系统市场则以欧洲和日本为主导。
 
  不断降低的系统价格是近年来光伏市场增长和竞争力提高的主要推动因素,但在太阳能发电行业中,初置成本仅是影响长期利润率的因素之一。如何在系统生命周期内将发电量最大化,对于降低度电成本(LCOE)和提高投资回报率起着至关重要的作用。系统的可靠性越低,投资回报就越少。例如:当光伏组件的预计寿命从25年减少到20年时,度电成本将增加20%以上。
 
  光伏组件长期处于严苛的环境老化应力之下,包括紫外、极端温度、冷热循环和湿度等,而且在户外实际使用环境中,这些老化应力会同时作用于组件材料。目前,国际电工委员会(IEC)的光伏组件测试标准主要基于IEC 61215,这套标准中有一系列加速老化测试方法,但这些测试方法主要是针对组件出厂时的失效而设计的,并不能预测组件在其全生命周期中的长期性能。
 
  现行标准也没有根据气候或应用进行市场细分,组件背板在不同地方承受的环境应力差异非常大。例如,沙特首都利雅得的平均气温约27℃,而德国慕尼黑的平均气温仅为10℃,两地降水量也相差九倍以上。
 
  应用类型是另一个重要因素。地面安装的组件平均运行温度高出环境气温25℃,而屋顶组件的运行温度更是高出地面运行的组件15℃。
 
  组件背板的重要性
 
  光伏组件背板作为保护组件的最外层材料,尤其容易受到环境气候作用和重复应力的影响。背板材料的粘接性能、抗紫外能力和机械强度都是影响寿命长短的关键因素,甚至影响整个组件的使用寿命。
 
  随着未经户外验证和低质量的背板材料在市场上应用,组件故障率越来越高。开裂和失效的背板会严重影响组件的运行和安全性,甚至会引起组件电气失效,从而造成安全危害和潜在的接地故障。
 
  杜邦公司全球电站现场调研项目的数据显示,有22%的组件有明显的老化和失效。此外,调研还发现组件中老化和失效比率最高的两个部件分别是电池和背板,其中电池为11.3%,背板为7.4%。
 
  如上图所示,截止到2016年,杜邦公司对在北美、欧洲、亚太地区的190个电站进行了现场调研,涵盖了来自45个组件厂、不同气候类型、运行时间在0-30年、总功率超过450MW 的190万余片组件。
 
  调研发现,背板的老化失效与背板运行的气候环境有着密切的关系。温度越高,背板老化失效概率就越高,如下表所示,在炎热和干旱地带的背板老化失效率高达26.4%,是平均老化失效率的3.6倍。背板的老化失效还跟光伏组件的安装方式有很大关系。由于屋顶光伏系统的背板失效率几乎是地面电站的两倍。大量户外考察数据表明,屋顶系统的平均运行温度会比地面电站高15℃。杜邦户外调查数据显示屋顶电站的背板老化失效率(26.3%)是地面电站(7%)的三倍以上。
 
  表1:不同气候地区的背板老化失效率(弗劳恩霍夫(Fraunhofer)研究结果)
 
 
  表2:不同应用类型的背板老化失效率(弗劳恩霍夫(Fraunhofer)研究结果)
 
 
  位于德国弗莱堡的弗劳恩霍夫太阳能研究所对光伏组件背板开展了一系列的测试来分析背板在UV应力和不同温度下的性能。
 
  弗劳恩霍夫研究的关键发现在于,黄变是由光谱中低于360nm的紫外波长引起的,不同材料的背板在紫外曝晒下的性能是不一样的,但黄变仅需要紫外光的作用来引发聚合物降解后便可发生,如下图中所示,黄变与温度也存在很强的关联。

  杜邦户外调研结果表明,除基于Tedlar? PVF薄膜的背板外,其余所有背板失效率均会随时间延长而显著增加。此外,杜邦户外调研还发现,运行时间较长的光伏系统中背板失效率反而是非常低的,原因是这些电站所使用的大都是基于杜邦? Tedlar? PVF薄膜的背板。
 
  调研中还发现,相比于其他类型背板来说,基于Tedlar? PVF薄膜的背板在所有气候类型和应用市场中的失效率都很低。弗劳恩霍夫的研究也同样发现,基于Tedlar? PVF薄膜的背板几乎没有发生黄变,而PET背板的黄变程度是非常高的。
 
  需要更严格的测试标准
 
  在缺少可靠的长期耐久性测试标准的情况下,实地调研对于选择光伏组件最佳材料是非常有价值的。然而,更需要出台新的加速老化测试标准来模拟材料在户外实际使用时发生的不同失效形式和程度。现有的IEC测试标准还不能很好地模拟户外实际环境,并以此来鉴别不同背板材料的质量。
 
  开发一套新的加速老化测试方法的前提是能模拟在户外调研中实际观察到的失效模式。然而,目前对于评估光伏组件长期耐久性还没有特别有效的实验室加速老化测试方法。
 
  针对上述现状,杜邦提出了一种新的组件测试方法,名为“组件加速序列老化测试”( Module Accelerated Sequential Testing ,MAST),包括一系列应用在同一个组件上的应力测试。测试的大体顺序是:先将组件放置在湿热环境下1000小时,然后进行交替重复的紫外老化测试(UVA)和冷热循环测试。
 
  杜邦提出的组件加速序列老化测试(MAST),可以重现不同的背板材料的户外失效模式。MAST实验方案结合了大部分组件在户外使用过程中所遇到的应力情况,包括紫外、湿度、温度和冷热循环等。每项应力的测试时间是通过户外曝晒程度和对户外组件的分析结果共同决定的。
 
  较传统测试方法而言,使用组件加速序列老化测试(MAST)预测组件材料的长期性能准确度更高,其结果与现场观察的情况大部分一致。在现场检测中可以发现很多PET背板开裂和黄变以及PVDF背板开裂的案例,通过杜邦推荐的组件加速序列老化测试(MAST)方法可以模拟户外实际使用情况,并将不同背板的失效形式予以很好的重现。
 
  解决背板失效问题
 
  如前所述,光伏市场在高温气候地区和屋顶市场的增长特别迅猛,其应用环境对组件材料有很大的影响。杜邦户外调研也证明了背板材料在炎热和干旱地区和屋顶电站的失效率明显更高。
 
  背板材料对环境应力特别敏感,当背板处于高温和紫外光照射共同作用下时,其降解速率明显增加。黄变是材料降解的信号,会影响背板的机械性能。开裂和脱层是另两个特别重要的失效形式,会降低背板的电气保护能力,增加人身安全风险系数。一旦发现此类背板失效形式,就意味着需要更换组件了。一个来自杜邦的案例调研发现,替换组件所带来的经济影响,比长期功率损失更大。所以选用更好的材料,既能降低组件的功率损失,更关键的是能省去因材料失效而产生的更换组件的费用。
 
  光伏系统开发商可以通过选择市面上可靠耐久的背板材料来降低紫外和高温引起的相关风险。来自杜邦全球户外组件调研表明,唯一经过户外实绩验证30年的Tedlar@PVF薄膜是可靠的背板材料。这个调查结果也获得了弗劳恩霍夫研究所的认可,他们的实验证明基于 Tedlar? PVF薄膜的背板是在抵抗黄变和高温老化应力方面有着最优异的表现。
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