2015年，中國太陽能光伏發(fā)電累計(jì)并網(wǎng)容量達(dá)到4158萬千瓦，超越德國成為世界光伏第一應(yīng)用大國。幅員遼闊的中國成為理想的光伏電站建設(shè)地，但中國氣候類型多樣，包括大面積的嚴(yán)苛氣候類型如荒漠、高原和熱帶等，這些地區(qū)不同的氣候條件對光伏電站的建設(shè)及發(fā)電系統(tǒng)形成很大挑戰(zhàn)。
組件是光伏發(fā)電系統(tǒng)重要的組成設(shè)備之一，其質(zhì)量決定電站的長期發(fā)電量。現(xiàn)階段，人們主要通過實(shí)驗(yàn)室檢測來了解組件和材料的性能，但測試設(shè)備難以模擬戶外各種復(fù)雜氣候條件以提出更恰當(dāng)?shù)臋z測標(biāo)準(zhǔn)。在諸多不足的背景下，最具代表性和參考意義的性能數(shù)據(jù)只能通過檢測光伏組件在戶外使用下的實(shí)際性能獲得。
從實(shí)驗(yàn)室到戶外，從理論分析到規(guī)模應(yīng)用
2011年，杜邦光伏解決方案啟動了一項(xiàng)全球性的戶外光伏組件研究項(xiàng)目，涵蓋不同地區(qū)及氣候范圍，重點(diǎn)研究組件可靠性及其它影響組件完整性的問題。2011-2014年，該研究共涵蓋全球60多個(gè)光伏發(fā)電裝置，項(xiàng)目規(guī)模從1kW至20MW，累計(jì)規(guī)模達(dá)200MW以上。
所有研究組件中41%存在外觀失效，詳細(xì)失效分類可見圖1。其中，24%的失效來自于電池，包括熱斑（通過紅外成像儀識別）、連接處的燒痕和裂痕（通過蝸牛紋識別）。背板失效比占到9%，是組件除電池以外失效比例最高的部件。背板作為保護(hù)層，其耐久性不足導(dǎo)致的電池性能降低和功率衰減增加則會直接損害投資收益。同時(shí)，背板關(guān)系到組件的絕緣和耐久性，因此掌握組件在國內(nèi)各類型氣候下運(yùn)行和材料失效情況，將最大程度地降低組件在不同惡劣環(huán)境下所帶來的發(fā)電損失。
圖1零部件外觀失效比例
實(shí)驗(yàn)室檢測主要側(cè)重對太陽能組件材料的化學(xué)和物理變化的分析，而戶外電站檢測主要側(cè)重視覺失效統(tǒng)計(jì)。隨著太陽能產(chǎn)業(yè)的重心從“設(shè)計(jì)制造”階段轉(zhuǎn)移至系統(tǒng)的運(yùn)營和維護(hù)，功率輸出、安全性能和外觀失效日益成為決定光伏系統(tǒng)價(jià)值的關(guān)鍵性標(biāo)識。根據(jù)研究顯示，所有確認(rèn)的失效都涉及到光伏組件四大主要零部件中的一個(gè)或多個(gè)：前板、封裝材料、電池/連接電路和背板(見表1)。
表1：光伏組件各個(gè)零部件的外觀失效分類說明
深入中國各地研究不同氣候地區(qū)，材料對組件效能的影響
為了對不同典型氣候類型和使用年限的組件做深入調(diào)查和研究，國內(nèi)光伏行業(yè)專家和杜邦公司專業(yè)技術(shù)人員走訪了12個(gè)省份，檢測了20多個(gè)光伏系統(tǒng)和電站、累計(jì)約210MW的光伏組件。研究發(fā)現(xiàn)，不同氣候地區(qū)光伏組件的衰減和材料老化有一定差異和規(guī)律，尤其對于擁有亞熱、熱帶和溫帶等不同氣候類型，及荒漠干旱、高原、沿海等多個(gè)地理特征的中國而言（如表2），其影響更加明顯。
表2中國典型氣候地區(qū)及氣象數(shù)據(jù)舉例
荒漠干旱地區(qū)：組件發(fā)黃嚴(yán)重
青海、新疆、內(nèi)蒙古和寧夏等西、北部地區(qū)，是近年國內(nèi)光伏電站建設(shè)集中地，這些地區(qū)光照資源充足，土地價(jià)格低廉，方便集中管理。但該地區(qū)氣候環(huán)境嚴(yán)苛，具體表現(xiàn)為干旱少雨，年太陽輻照量超過5500MJ/m2，冬夏及晝夜溫差較大，且部分地區(qū)地表沙化嚴(yán)重。
對于耐候性差的背板如聚酯（PET）和單層聚偏氟乙烯（PVDF）背板，變色發(fā)黃是一種常見的外觀失效。在歐洲、北美和日本等地區(qū)多種氣候類型下（包括溫和氣候）都報(bào)道過大量的相關(guān)失效案例。在我國也有很多此類背板發(fā)黃的案例。
圖2是寧夏使用4年的組件，使用的是單層PVDF背板（PVDF薄膜/聚酯PET/粘接E層），背板內(nèi)層顯著黃變，超過50%的同類型組件和背板存在類似問題。背板變色發(fā)黃是一種常見的外觀失效，根據(jù)現(xiàn)場IV測試結(jié)果顯示：黃變組件的平均功率衰減為11%左右，顯著高于戶外使用4年組件功率衰減不超過5%的要求。
圖2寧夏使用4年單層PVDF背板組件
還有些在西部風(fēng)沙活動頻繁地區(qū)使用的光伏組件，因其背板材料耐磨性差，厚度低，涂層被風(fēng)沙磨損，背板內(nèi)層PET很快直接曝露于苛刻大氣環(huán)境中，在使用不到兩年時(shí)間里即加速老化失效，如圖3。
圖3在青海安裝18月組件FEVE涂料背板外層減薄為16.5微米，而標(biāo)稱厚度為20微米
高原地區(qū)：組件背板外層脆化剝落
西藏是中國太陽輻射能最多的地方，陽光直射比例大，年際變化小，大部分地區(qū)年日照時(shí)間達(dá)3100～3400小時(shí)。以拉薩地區(qū)為例，年太陽輻照劑量達(dá)7600MJ/m2，組件正面年紫外輻照劑量超過100kWh/m2。該地區(qū)組件的典型外觀失效主要表現(xiàn)為封裝材料變色、柵線變色、背板黃變脆化和剝落。圖4是在西藏使用9年的組件，該組件使用的背板材料由空氣面向內(nèi)依次為：白色聚酯PET/透明聚酯PET/粘接E層。該組件背板內(nèi)層嚴(yán)重發(fā)黃，在電池片間隙位置，由于背板內(nèi)外兩層都受到紫外照射，背板外層白色聚酯PET層幾乎全部剝落。
圖4在西藏使用9年組件的聚酯背板內(nèi)層黃變、外層開裂剝落
熱帶、亞熱帶地區(qū)：電池焊帶被腐蝕
海南是我國典型的熱帶濕熱氣候地區(qū)，年平均氣溫22~27℃，年平均濕度超過80%。濕熱氣候地區(qū)具有高溫、高濕和強(qiáng)紫外等環(huán)境特點(diǎn)，對組件中的電池柵線、焊帶、EVA、背板等材料有顯著影響，在海南使用的光伏組件普遍存在電池柵線和焊帶腐蝕、封裝材料變色等問題(如圖5)，該電站由多個(gè)4塊組件的獨(dú)立系統(tǒng)組成，其系統(tǒng)無一例外存在電池片、銀柵線和焊帶腐蝕問題，戶外功率測試設(shè)備已測不出電流和組件剩余功率。
圖5海南使用15年（安裝19年）雙玻組件電池腐蝕和封裝材料黃變明顯
另外，從電池片間隙可看到，封裝材料EVA黃變嚴(yán)重；部分區(qū)域還存在電池片和封裝材料脫層現(xiàn)象，在接線盒部位由于水汽通過背面玻璃打孔處導(dǎo)致封裝材料嚴(yán)重脫層。這些雙玻組件使用鋁邊框封邊，仍不能阻止水汽進(jìn)入組件及封裝材料的老化和電池部件的腐蝕。
沿海地區(qū)：組件出現(xiàn)起泡脫層現(xiàn)象
沿海地區(qū)尤其是在近海和易積水的灘涂地區(qū)，空氣濕度較大，年均超過70%。水汽和鹽霧腐蝕是主要的環(huán)境老化因素。圖6（a）是在江蘇沿海某地運(yùn)行4年的光伏組件典型失效照片。
圖6在江蘇沿海使用4年光伏組件（a）邊框密封失效導(dǎo)致水汽進(jìn)入組件；
（b、c）PVDF背板多處脫層起泡
經(jīng)過長期的侵蝕，鋁邊框和硅膠密封部分失效，導(dǎo)致水汽進(jìn)入組件。圖6（b）和圖6（c）是PVDF背板內(nèi)層起泡和脫層，據(jù)隨機(jī)片區(qū)抽樣統(tǒng)計(jì)，起泡脫層組件比例約為6.2%。根據(jù)現(xiàn)場IV測試結(jié)果顯示，有PVDF背板脫層組件的功率衰減達(dá)到11%～14.7%。
材料可靠性決定組件環(huán)境適應(yīng)力
不同氣候類型的環(huán)境老化應(yīng)力水平和種類不同，組件材料失效出現(xiàn)的時(shí)間和類型有差異也有類似規(guī)律。背板作為光伏組件的關(guān)鍵封裝材料，對組件的耐久性、性能和使用壽命具有重要影響。多項(xiàng)研究表明，基于特能 （Tedlar ）PVF薄膜的背板在各種氣候環(huán)境都得到了廣泛的25年甚至30年實(shí)績驗(yàn)證；而一些其它背板材料在戶外短期內(nèi)即出現(xiàn)了明顯的老化或失效現(xiàn)象，有些還導(dǎo)致了組件功率加速衰減和安全隱患。
光伏系統(tǒng)的長期可靠性和性能很大一部分取決于其使用的材料。基于度電成本（LCOE）的最優(yōu)系統(tǒng)價(jià)值的實(shí)現(xiàn)是依靠組件按預(yù)期運(yùn)營，從而提供穩(wěn)定功率輸出和較長的使用壽命。專家建議，在項(xiàng)目開始階段明確使用經(jīng)長期戶外實(shí)績驗(yàn)證的高質(zhì)量材料，有助于確保光伏組件于整個(gè)系統(tǒng)使用周期內(nèi)的使用壽命和發(fā)電性能，幫助降低終端用戶的發(fā)電成本，從而實(shí)現(xiàn)甚至超出項(xiàng)目預(yù)期的財(cái)務(wù)回報(bào)。
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