光伏背板戶外典型失效與加速老化測試研究
中國光伏行業(yè)快速發(fā)展已將近十年,歷經(jīng)高潮和低谷。2016年光伏補貼下調(diào)之后,光伏行業(yè)亟需降本增效。在組件和電池技術(shù)創(chuàng)新面臨挑戰(zhàn)下,繼續(xù)擴大產(chǎn)能、提高良率成為了光伏企業(yè)的選擇,然而在此期間,大量未經(jīng)驗證的原材料被導(dǎo)入了光伏電站。隨著戶外使用時間的推移,很多組件在五年內(nèi)便出現(xiàn)了如功率顯著衰減、背板黃變和開裂等嚴(yán)重失效,給電站投資回報帶來了嚴(yán)重影響。其中,背板作為組件的外層保護(hù)材料,其耐久性關(guān)系到系統(tǒng)長期可靠性。近年來,大規(guī)模出現(xiàn)的聚酰胺背板開裂和PVDF背板黃變?yōu)樾袠I(yè)敲響了警鐘。
本文重點探討典型組件和材料早期戶外失效現(xiàn)象,并通過大量戶外和實驗室對比研究,介紹更為合理的實驗室加速老化測試方法,以更好地反映組件在戶外所承受的環(huán)境應(yīng)力,并辨別材料的差異,從而為組件和背板材料的選擇、金融和保險業(yè)評估投資回報提供參考和依據(jù)。
一、更加科學(xué)地計算電站成本:度電成本(LCOE)
如今業(yè)界慣用安裝成本或者每瓦成本($/watt)來衡量光伏電站的投資成本,但是每瓦成本這一標(biāo)準(zhǔn)只反映了光伏組件初始發(fā)電效率的采購價格,而無法反映整個光伏系統(tǒng)全壽命周期的總體成本。所以每瓦成本其實是存在局限性的,它忽視了光伏系統(tǒng)的質(zhì)量和使用過程中的失效,這樣將會嚴(yán)重影響光伏投資的回報。
鑒于每瓦成本的局限性,業(yè)內(nèi)專家開始倡導(dǎo)以度電成本(LCOE)來衡量光伏系統(tǒng)的性能和收益。度電成本(LCOE)提供了更準(zhǔn)確的成本和現(xiàn)金流計算方式,能反映出真實的系統(tǒng)效能,并準(zhǔn)確評估光伏電站的投資回報,能夠幫助電站投資者更加明智的測算系統(tǒng)性價比和收益。
度電成本(LCOE)的計算方法
光伏系統(tǒng)收益率計算方法
從度電成本角度來講,光伏系統(tǒng)運行越久,那電力成本就越低,所以也就可以獲得更高的投資回報。經(jīng)測算,一個只能運行10年的光伏系統(tǒng)度電成本是一個能運行25年的光伏系統(tǒng)成本的兩倍。而近年來,大量未經(jīng)驗證材料的使用,使得系統(tǒng)效率衰減與組件失效問題大量出現(xiàn),從而導(dǎo)致了度電成本的增加和投資回報的降低。因此相對于只關(guān)注組件的初期成本,電站的長期可靠性更應(yīng)該引起重視和注意。
二、當(dāng)前認(rèn)可測試方法的局限及戶外研究的必要性
研究表明,與使用未經(jīng)驗證的材料相比,在背板材料中使用經(jīng)過長期戶外實驗測試的材料需要額外支付的初始信用成本是低于1%的。而通過延長使用壽命而帶來的經(jīng)濟(jì)效益,則遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過使用更高品質(zhì)材料所帶來的成本的增加。所以,在光伏組件質(zhì)量良莠不齊的情況下,一個光伏系統(tǒng)的組件材料有沒有經(jīng)過戶外實驗檢測顯得尤其重要。
但是目前來看,認(rèn)證測試仍存在很多局限性。首先,當(dāng)前的認(rèn)證測試僅用來評價組件設(shè)計初期可靠性,無關(guān)耐久性和使用壽命,這就使得投資者往往無法正確評估組件及電站的使用壽命;其次,當(dāng)前的認(rèn)證測試多為單項應(yīng)力測試,無法表現(xiàn)綜合與協(xié)同效應(yīng),這使得組件沒有得到全面的檢測;另外,在當(dāng)前的組件認(rèn)證測試當(dāng)中,單個組件僅需通過一項老化測試,而且多數(shù)測試都是在非通電條件下測試;最后,一些比較重要的如紫外、風(fēng)沙磨損等測試,存在標(biāo)準(zhǔn)低或缺失等問題。
而作為組件來說,它的封裝系統(tǒng)需要為其提供絕緣保護(hù),組件自身需要耐受各種外部環(huán)境應(yīng)力長期化學(xué)和物理老化,而且組件內(nèi)部電池片和電路材料還需要耐受機械應(yīng)力以及內(nèi)部電場和遷移到組件內(nèi)部濕氣、氧氣、離子共同作用的電化學(xué)腐蝕。
光伏組件需要承受的各種應(yīng)力
以背板為例,作為光伏組件的一個重要材料,背板為組件提供絕緣、阻隔、耐候等作用,是太陽能電池、封裝材料與外界的一個必要屏障,它是需要長期耐受上述組件應(yīng)力的。但是由于目前認(rèn)證測試的局限性,根本無法評估光伏背板的長時間性能,也就使得光伏組件長時間的可靠性成為了一個難解的問題。基于這些原因,開展光伏組價的戶外實驗研究和序列化老化測試是十分必要的。
三、光伏電站外觀失效檢測分析
在2011年,杜邦啟動一項全球性的光伏組件研究,涵蓋了不同地區(qū)及氣候范圍。研究重點為光伏電站組件的可靠性與其它影響組件完整性的因素。至2015年底,杜邦戶外組件檢測研究已經(jīng)在北美、歐洲和亞洲檢驗了超過60個光伏項目,包括了安裝時間0-30年的光伏項目,涵蓋了超過45家組件制造商的產(chǎn)品。以下是該項研究的一些結(jié)果分析。
目測檢驗中各組分對應(yīng)的失效比例
從檢測結(jié)果來看,未檢測到外觀失效的組件比例占到了59%,也就意味著還有41%的組件是存在一定外觀失效問題的。這其中電池所占的比率是24%,其次是背板,占到了9%。光伏組件中,電池和背板是最重要的兩個影響因素。
背板外觀失效分析
從背板外觀失效的組件中,按材料類型來分類,其中PVDF材料失效所占比例最高,達(dá)到58%,接下來是PET與FEVE,分別占到了30%和11%。
未經(jīng)戶外實績驗證的材料將顯著影響組件的失效,這些組件的失效將從三個方面影響電站,第一是造成嚴(yán)重的功率衰減,使得光伏電站的可靠性大大降低。第二,未經(jīng)戶外實績驗證的材料還會加速光伏組件的功率衰減,使得組件的耐久性減弱。第三,未經(jīng)戶外實績驗證的材料使得組件的安全性成為了一個問題,增加了電站的運行風(fēng)險以及投資風(fēng)險。
背板材料失效對組件的影響以及后果
背板材料和組件失效模式及戶外失效案例
不同背板材料的戶外失效模式和機理不同,比如:PVDF背板常見問題為黃變、起泡、開裂;PET背板出現(xiàn)的問題主要表現(xiàn)為黃變、開裂、脫層;而FEVE則會出現(xiàn)脫層及燃燒等問題。以下是一些實際案例分析。
不同背板材料戶外失效類型
案例1:聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜背板戶外大比例應(yīng)力開裂
該案例是位于北美的4個地面光伏系統(tǒng),2011年安裝,戶外運行4年。該背板外層PVDF薄膜發(fā)生縱向開裂,嚴(yán)重的已經(jīng)剝落;其4個系統(tǒng)中PVDF背板發(fā)生該失效比例達(dá)到21%~85%。
案例2:聚偏氟乙烯(PVDF)背板在各類環(huán)境均出現(xiàn)內(nèi)層發(fā)黃
PVDF背板的內(nèi)層發(fā)黃現(xiàn)象在多個國家均有出現(xiàn)(中國,比利時,西班牙,美國和德國等),發(fā)生這種現(xiàn)象的組件戶外使用時間少于5年,而且發(fā)生這種現(xiàn)象的組件來自多個不同的生產(chǎn)商。背板黃變說明聚合物已發(fā)生老化降解,意味著組件存在失效和安全隱患。鑒于PVDF背板發(fā)黃現(xiàn)象的惡劣影響,有投資機構(gòu)表示,不會推薦有過發(fā)黃先例的組件廠商的產(chǎn)品。
案例3:聚酯(PET)背板戶外4年出現(xiàn)嚴(yán)重開裂
該案例為安裝于西班牙的一個2.3MW的光伏電站,使用了兩種組件類型,組件在戶外使用4年,所有PET聚酯背板都沿焊帶方向出現(xiàn)開裂。調(diào)查顯示,該電站的一些組件未通過濕漏電測試,而且該電站的所有者因為無法獲得更換的組件,直接導(dǎo)致組件失效。
案例4:聚酯(PET)背板西藏9年嚴(yán)重黃變和剝落
該案例是位于西藏的一個光伏電站,組件使用了9年,背板從內(nèi)層看有非常嚴(yán)重的黃變,而且PET背板空氣面嚴(yán)重粉化剝落,厚度衰減嚴(yán)重,9年減薄了21微米;并且,電池間隙處背板中間層PET分子量從19100降低至12000,發(fā)生了顯著降解。
案例5:氟碳涂料(FEVE)背板剝落
該案例是位于美國新澤西州的一個400kW的光伏陣列,戶外運行3年。該電站的背板外層FEVE涂層沿焊帶剝落。可能由于焊帶處的凸起導(dǎo)致了更多的環(huán)境應(yīng)力富集,使得涂層附著力降低。
案例6:聚酰胺(PA)背板大規(guī)模開裂
上述圖片是位于中國西部的一個光伏電站,組件安裝于2012年。在2013年檢測的時候在顯微鏡下可見微裂紋,但裂紋肉眼不可見;2016年發(fā)展為肉眼可見的大面積開裂。而另一歐洲的案例,同樣使用了PA背板材料的組件安裝于2012年,2015年檢測到微小開裂、大裂紋、脫層、水汽侵入導(dǎo)致腐蝕、漏電導(dǎo)致逆變器跳閘等問題。關(guān)于這批PA組件,它們在09年以及11年的時候進(jìn)入市場,因為低廉的價格而得到了很多大廠的采用,生產(chǎn)出來的組件也都通過了權(quán)威第三方的官方認(rèn)證,但是這批背板現(xiàn)在都出現(xiàn)了很大規(guī)模的開裂現(xiàn)象,這是一個非常嚴(yán)重的失效問題。
這也再次證明,我們目前的一些檢測與驗證是不夠的,我們需要做更多的工作,包括長期的戶外驗證以及在實驗室用更好的方法去評價組件的性能,從而避免類似問題的出現(xiàn)。
以上案例都是一些沒有經(jīng)過戶外測試驗證的背板材料所出現(xiàn)的問題,毫無疑問,如果電站投資商或者電站所有者能在選取組件之前就選擇經(jīng)過戶外測試驗證的材料,這些失效問題是可以在很大程度上避免的。
基于杜邦™ 特能® PVF薄膜的背板,是唯一擁有30年以上長期戶外實績驗證的背板材料。由于優(yōu)異的耐久性和長期的戶外實際驗證,該背板材料在使用過程中能夠有效保護(hù)光伏電池和組件長期穩(wěn)定運行。
自1978年起,基于杜邦™ 特能® PVF薄膜的背板已經(jīng)經(jīng)受了各類氣候的長期考驗,在世界各地都
責(zé)任編輯:蔣桂云
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