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材料攸关组件质量与使用寿命,行业标准亟待完善

作者:佚名 文章来源:本站原创 点击数:502 更新时间:2016-3-30 上午 01:28:29

2014年,不少投资大鳄相继进入光伏产业,这些投资开发商、金融及保险机构的介入进一步加快了建设优质光伏电站的步伐,也促使光伏组件和部件生产企业由最初只追求产量和规模,开始高度关注产品质量与可靠性问题。随着行业的快速发展及应用环境的变化,通过iec等标准认证的产品在实际应用环境中能否满足25年使用寿命及衰减率的要求也在行业内引起多方讨论。2014年2月,国家认监委和国家能源局联合发布《关于加强光伏产品检测认证工作的实施意见》,要求规范光伏产品质量,在全国范围内推行强制检测认证。

据了解,在前期工作中,相关标准关注更多的是产品的性能指标,然而对于产品在实际应用环境中的耐久性、可靠性及安全性等问题关注较少。近两年,因光伏产品导致的光伏系统及应用端可靠性、安全性问题逐年增加,引起了相关主管部门的注意。

材料检验标准存缺陷

作为晶硅太阳能组件重要组成部分的背板,在组件实际应用中首当其冲起到保护的角色,同时也是近年来安全与可靠性问题逐年增多的一个环节。据悉,当前光伏组件及材料主要依据iec相关光伏行业标准进行测试。

其中iec61215目的是用合理的经费和时间,确定组件的电性能和热性能,甄别组件的设计缺陷和一些早期材料失效。但如今这一标准也被认为不能有效表征组件及材料在户外的耐久性,无法据此判断其在户外的使用寿命。

这主要是由于该标准大都是单一环境应力测试,未考虑综合环境应力对材料的影响,并且没有对组件背面进行紫外辐照。这导致一些即使通过该iec标准认证的组件,甚至数倍iec标准认证的组件在户外仍然出现材料失效或性能下降,无法满足25年的设计使用寿命。

还有一点,iec标准只把背板看作组件的组成部分,与组件一起进行测试与认证,这也会导致对背板产品的整体可靠性和耐久性测试无法进行全面评估。

随着背板对组件可靠性和耐久性的重要性认识的提高,基于组件及单独背板的测试标准和技术规范正式被提上日程。国际电工委员会iectc82下的工作小组正在对iec61730第二版进行修订,并在起草新的背板材料测试标准,如iec62788-2和iec62788-7-2,这些国际标准对背板提出更多和更高的要求。

国内近两年内也连续起草和设立了背板的相关标准和技术规范,都加强了对环境试验的要求。背板国标gb/t31034-2014已于2014年底发布,背板行标草稿也已提交。这些新标准的设立和推广将深化人们对背板材料的认识和使用要求,规范背板选材和设计,为光伏组件的可靠性和耐久性提供更多保障。

关于背板你需了解的几个测试

标准的更新与完善意味着测试方法的进一步改进,那么,怎样的测试方法才能使背板最大限度的接近于实际应用环境?怎样的测试标准才能满足所需可靠性、耐久性、安全性?

根据户外实际环境和户外失效实际情况,目前有必要对背板材料进行高温高湿老化、紫外老化、耐候性综合老化、序列老化、落砂、盐雾腐蚀、耐热测试为主的七大测试,每一项测试根据环境和应用情况,应当制定一定的标准要求。

例如落砂测试,近年中国西部荒漠、戈壁地区兴起了大型光伏地面电站的建设热潮,随之而来的诸多电站质量问题也逐渐暴露,主要源于这类地区的气候类型极为苛刻,在这里发电的组件除了要应对更高的紫外辐照剂量和更大的冷热循环应力外,还要考虑风沙磨损对组件尤其是对背板外层耐侯保护层的影响。

如果背板外层耐候保护层在户外很快被磨损减薄,将导致背板外层耐受应力开裂性能下降,影响对pet中间层的紫外阻隔保护和水汽阻隔,使得背板失效,最终导致组件失效和功率加速衰减。为了解决这一问题,在2014年底完成审定并即将批复发布的背板国家标准以及背板行业标准,均对背板外层耐候保护层的耐风沙磨损性能提出了测试要求。

这两项标准均推荐采用gb/t23988-2009(涂料耐磨性测定落砂法)作为背板材料的实验室风沙磨损测试方法。该测试使用特定粒径和规格的沙粒,从规定高度沿导管降落冲击背板外表面,直至背板外层耐候层被磨穿露出直径4mm的pet聚酯中间层。研究发现,在这样的测试及实际环境应用中,一些涂覆型背板暴露出更多的劣势,建议业主在此类环境中组件选用具备良好耐风沙磨损能力的背板。

实验室测试的加减法需要反映户外实际应力条件

前面提到背板时常与组件一起进行测试,高温高湿老化测试也是其中之一,iec61215和iec61730中均明确要求对组件进行1000小时的湿热老化测试以判断组件是否有明显功率衰减和失效(如漏电或起泡等)。

某些背板厂商为了证明其背板材料可靠,对背板进行2000小时甚至3000小时的湿热测试。然而,这样的加倍测试容易导致背板中的pet聚酯材料发生明显水解和脆化。那么,背板在户外是否因水解脆化而失效?此前nrel针对pet聚酯材料在户外水解程度进行了理论模拟分析,发现1000小时湿热老化能够模拟pet聚酯材料在世界上任何地区超过25年的水解程度。

在长期户外组件研究中也发现,基于特能®(tedlar®)pvf薄膜的背板并未因水解而脆化。图1显示了这类背板在户外使用4~19年后的机械性能,其拉伸强度和断裂伸长率在长期户外服役后性能保持良好,并未发生脆化。值得注意的是,这些户外案例中包括较湿热的的日本宫古岛的19年实例。而实验室的对比测试显示,在超过1000小时的湿热老化测试后,背板机械性能明显下降,这显然与户外老化情况不符。

图1.(左)3000小时湿热老化测试后,tpt背板机械性能明显下降,但特能®(tedlar®)pvf薄膜机械性能保持稳定;(右)户外实际案例中的tpt背板在不同气候环境长期使用后机械性能仍保持稳定

因此,不是所有测试都能随意增加剂量,需根据户外实际情况进行判断,有些本身已经达到测试的最佳选择,没必要增加测试条件。有些测试条件明显低于实际应用环境的要求,那么就有必要进一步完善,比如紫外老化测试。

iec61215中对组件正面要求进行15kwh/m2的紫外预处理,试验目的是组件在进行冷热循环/湿冻试验前进行紫外预处理以确定相关材料及粘接的紫外衰减。

如今行业已有共识,该紫外剂量远低于户外25年的组件实际接受紫外曝晒剂量,而且组件背板的空气面并未进行紫外辐照,因此背板国际标准草稿iec62788-2和背板国标gb/t31034-2014都增加了紫外测试的剂量。

表1是不同典型气候地区的25年的紫外辐照量。荒漠地区的组件背面25年累计紫外剂量达到275kwh/m2,即使是温和地区也达到171kwh/m2,相当于iec61215紫外预处理剂量的11到18倍。

表1.不同气候环境下组件的紫外曝晒剂量(12的地面紫外反射率)

一些市售背板为了降低成本,采用耐紫外性能较差的pet聚酯材料或将背板表面紫外阻隔层厚度减至极薄,这可能导致背板的加速紫外老化。在户外也出现一些背板内外层紫外老化发黄现象,如pet外层发黄开裂和pvdf背板内层显著发黄案例。因此很有必要评估紫外线从对背板材料的破坏风险。而tpt背板在pet中间层的两面采用特能®(tedlar®)pvf薄膜,能够长期有效耐受紫外线并阻隔紫外线,保护pet中间层。

综合老化测试和序列老化测试可发现隐藏的风险

还有一项重要的耐候性测试,是将紫外辐照与温度以及湿度结合在一起,同时对材料进行综合老化的测试方法。相比现有iec61215中的湿热老化和紫外测试,耐候性测试将光、热、湿三种重要环境因素综合在一起,考察组件和材料在多因素协同效应下的老化情况,能更好的模拟户外实际情况。iec61730第二版修改稿和iec62788-7-2两项标准也在对综合老化测试进行研究。

目前市售一些pet聚酯背板逆向研发,经过耐水解或耐紫外改性后,可以通过加倍的iec湿热老化和紫外老化测试。但是在综合老化测试时,却出现显著的机械性能下降和开裂(图2),表明其在实际户外使用时仍然具有较大的失效风险。

图2.四种典型耐紫外耐水解pet聚酯背板内层在1000小时综合老化测试后开裂

(试验条件:氙灯,120w/m2@300-400nm,95ocbpt,50rh,紫外照射在背板外表面)

序列老化也非常重要,组件背板材料在户外不仅直接受环境因素影响,同时还受到组件产生的应力影响,这些组件产生的应力与背板所受直接环境应力叠加使得背板材料长期户外老化和失效变得更加复杂。iec61215中采用湿热老化、紫外和冷热循环等来评估环境对组件产生的影响。序列老化是将这些应力依次叠加,能够发现很多单一老化测试难以发现的材料失效问题,为组件设计和选材提供更多依据。

图3显示了两款使用pvdf薄膜背板的组件序列老化后的照片。在两次dh1000 tc200序列老化测试后,pvdf薄膜出现明显裂纹,表明pvdf薄膜显著脆化;对比组采用基于特能®(tedlar®)pvf薄膜的背板在同样的序列老化后上无明显变化。这主要是因为pvdf薄膜自身较脆,尤其是在横向(td)方向;在湿热老化后脆性更为严重,易受冷热循环应力而产生开裂现象。这一失效风险在单项湿热或冷热循环测试中则难以发现。

图3.使用pvdf薄膜背板的组件在2×(dh1000小时 200个冷热循环)序列老化测试后,外层pvdf薄膜出现明显不规则裂纹。

通过这些测试方法可以评估一些背板存在的失效风险,它们是通过iec相关标准测试甚至加倍测试都无法发现的,这些失效很有可能成为光伏电站潜在的隐忧,不容忽视。存在问题即有风险,为了保障组件质量及电站投资收益,有必要科学合理的强化材料测试。除了上述在不同标准中已明确或已被关注的测试项目外,还有一些标准中未完善或不够完善的项目需要引起关注,比如盐雾腐蚀测试和背板耐热测试等。

随着行业对光伏组件及材料的测试标准与方法认识的逐渐提高,以及iec各工作小组、相关光伏研究机构和第三方测试机构等的不断努力,光伏质量保障标准体系的正在形成。作为保证组件在户外可靠性、耐久性和安全性极其关键的背板材料,相关的国际国内标准也正在逐渐确立和完善中。组件以及背板的加速老化测试和可靠性测试方法的建立以及相关标准的形成需要行业相关人士持续深入研究、加强合作攻关和不断提升完善。同时,户外长期实绩验证才是检验组件与材料可靠性和耐久性的最终评价标准,行业从业者也应该加强对组件和背板户外失效机理的了解,引导相关实验室测试方法和条件设置,避免机械套用标准评估组件和选用材料,甚至按照所谓标准进行逆向研发,导致产品通过各类测试但在户外继续出质量问题的局面重演。

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