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光伏组件背板用氟膜厚度将直接影响其使用寿命

日期:2019-05-13    来源:光伏测试网

国际太阳能光伏网

2019
05/13
09:41

关键词: 光伏组件 光伏技术 技术研究

   背景
 
  随着太阳能产业的不断发展,光伏组件已经大量应用于光伏电站。得益于近十年来相关技术的突飞猛进,光伏电站的平价上网也日益临近。但是走向光伏电站平价上网的路途并不是一帆风顺的,甚至有生产商以牺牲产品质量为代价来获取超额利润。正如中国光伏协会王勃华秘书长所冀望的:“光伏产业已经成为与中国高铁一样的亮丽名片,让全世界刮目相看,希望整个行业都能够珍惜这份来之不易的产业,将光伏产业能够健康地发展好。”
 
  在光伏组件中,光伏背板是一种保护性材料,主要起到支撑组件、隔绝水汽和氧气的作用,且要经受全球各地十分复杂而迥异的户外环境考验,因此其材料的可靠性至关重要。其结构如图1所示:由空气面从外至内分别为:1)氟膜保护层;2)粘结层1;3)支撑层PET膜;4)粘结层2;5)内面保护层。
  图1.晶硅太阳能电池用背板结构示意图
 
  (1)空气面氟膜保护层;起作用主要是保护PET支撑层不受紫外、风沙侵蚀,弱化PET降解速度,以保证作为光伏组件的“心脏”-晶硅组件的高效运行;
 
  (2)粘结层1和粘结层2;主要是将氟膜层和PET层粘结在一起,不因水汽、高温等作用而弱化粘结作用,并最终导致氟膜层与PET层的脱离而失去氟膜层应有的保护作用;
 
  (3)PET支撑层;主要起机械支撑作用和隔绝水汽和氧气作用;不因在水汽、氧气和高低温作用加速降解或开裂而失去应有的支撑和保护作用;
 
  (4)内层氟膜保护层;因内层不与户外大气环境直接接触,仅接触正面太阳光的辐照,因此对内层的使用要求不如空气面保护膜那么严苛。
 
  从光伏组件的结构来看,若将晶硅片比喻为组件的“心脏”,那么光伏背板可以比喻为组件的“盔甲”,而空气面的氟膜保护层则可以形象地比喻为“防弹衣”。“防弹衣”的存在可以显著延长“盔甲”的使用寿命而间接延长整个组件的使用寿命。因此,氟膜保护层的质量可靠性至关重要。
 
  氟塑料材料中的C-F键键能高达485KJ/mol,极耐受紫外光照射和大气老化,氟塑料膜是保护光伏组件在户外使用的关键封装材料,这一点已成为业内共识;PVDF也因其优异的性能在户外建筑中拥有使用50余年的良好口碑,因而自2005年后开始在光伏组件中得到快速发展和应用。
 
  但是近两年来,在光伏行业提质降本的大趋势下,某些生产商希望通过降低氟膜厚度以达到降低成本的目的,却忽略了降低厚度后对组件可靠性的影响。可以说是严重违背了行业协会一再呼吁的通过技术创新实现提质降本的初衷。本文将通过考察不同厚度对产品性能的影响来说明作为氟膜保护层厚度的重要性。
 
  厚度减薄的机理
 
  根据涂料行业多年的实践数据表明,即便是耐候性极好的含氟涂料,在较为恶劣的环境地区,在风沙、高温、水汽、紫外辐照等多因素侵蚀作用下其涂层的减薄速度可达0.5um/年。并且随着厚度的减薄,后期减薄的速度会越来越快。这是由于无论涂层或是膜层都是由高分子材料改性而成,改性过程中需要复配多种无机填料、高分子功能助剂等材料,而每种材料对抗风沙、高温、水汽、紫外辐照的能力不一而足,在多种因素综合作用下会因不断被磨损而减薄,这与即便是金属、矿石也会因生锈、风沙侵蚀而减薄道理相似。如图2所示,两种不同的氟膜保护层在紫外辐照作用下表观也会产生粉化或疏松程度不一致的现象,一旦产生粉化或表面疏松后薄膜会更容易减薄。因此,保证薄膜具有一定的厚度是保证背板保护膜材料经多年侵蚀而仍然能够有效保证光伏组件效率的重要条件。

图2 UV-B 150KWH后氟膜层SEM形貌观察
 
  厚度的影响
 
  一般而言,氟膜减薄后各项性能都会有不同程度的降低,这会降低对背板中PET支撑层的保护作用。而且,若氟膜厚度减薄,后续背板复合时必须改变工艺参数如复合张力、复合速度等,增加了背板复合工艺复杂程度,也间接地增加了生产成本。
 
  1)不同厚度对初始机械性能的影响
 
  PVDF膜在生产过程中在横纵向有不同程度的拉伸取向作用,为验证不同厚度氟膜的性能差异,我司开展了大量的试验研究。
  
 
  由图3和图4可知,膜厚度减薄至13μm时,与22.5μm膜相比,MD和TD向拉伸强度分别下降24%,18%,MD和TD向断裂伸长率分别下降34%,55%,说明膜厚度减薄后,力学性能会大幅下降,不利于膜的长期使用,对氟膜复合成背板的过程也有影响。
 
  2)不同厚度对老化性能的影响
 
  在户外长期使用过程中,氟膜的耐候性直接决定背板的使用寿命。PCT实验结果如图5和图6所示,PCT 96h实验后,MD向拉伸强度,TD向拉伸强度随着膜厚度降低而降低,但膜厚度减薄后,TD向断裂伸长率明显降低。

 
  
 
  
  UV60KWh+DH1000h+HF30是近年来光伏测试机构为保障光伏组件质量更为可靠而提出的序列加严测试方法。实验结果如图7、图8示,13μm,15μm和18μm的膜无论在TD或MD向都明显小于22.5um、25um和30um,说明厚度对于力学性能也具有重要影响。考虑到在长期户外使用后势必会有一定减薄,厚度减薄的氟膜势必给光伏组件的长期使用造成隐患。
 
 
 
 
  3)不同厚度对耐磨性能和抗水汽的影响
 
  根据各地辐照的统计数据,假定地面对阳光反射率15%,25年组件发电,背板接受的阳光照射量在西部地区超过300kWH。光伏背板的使用环境非常苛刻,如高温、高湿、风沙侵蚀等,由其在我国西北地区如新疆、内蒙、甘肃等地,降水量<250~500mm/年、蒸发量>600mm/年;风沙大,年输沙量50~500 Kg/m2,因此对氟膜的耐磨性能有严格要求。而在气温高,湿度高,温差小,无风或少风的地区,如四川,浙江,广州等地,由于常年温度20~27℃且降水量在1500~2000mm/年,水汽透过率则成为影响背板质量的关键因素。由图9可知,水汽透过率和耐磨性能随着膜厚度减小而降低,因此,减薄膜厚度后会显著降低PVDF膜的水汽阻隔和耐风沙侵蚀的能力。
 
 
  PVDF膜的耐候性能与厚度成正相关,所以选择背板用氟膜时若厚度太低会大幅降低氟膜和背板的使用寿命。
 
  结论
 
  厚度与薄膜产品性能直接相关,对老化性能影响显著;选择更薄的氟膜保护层时,应根据不同地区的环境复杂性做好产品结构设计选择可靠厚度的氟膜作为保护层;
 
  在复杂迥异的不同环境中,光伏组件背板用保护膜都会在综合作用下有减薄趋势,从减薄速度和各项性能看,建议在严苛环境中光伏组件背板用PVDF薄膜厚度保证在25um甚至30um以上,方能够更稳妥地保证光伏组件的长久运行。
 
  结束语
 
  随着近几年光伏行业的发展,光伏组件背板用氟膜国产化趋势也越来越明显,国内部分一线组件大厂已经开始把国产PVDF薄膜录入合格供应商BOM。光伏市场瞬息万变,唯一不变的是业内同仁对降低成本的不懈努力。维持和提高氟膜厚度,是保证光伏组件长期使用、充分发挥其发电效能的有利保障。而盲目降低氟膜保护层厚度,势必会导致产品性能不稳定,进而影响光伏组件的长久运行。
 
  来源:PV-Tech
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