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光伏组件背板的内外层材料选择及户外实证分析

2018-2-9 09:33| 发布者: Kristy| 查看: 85408| 评论: 0

摘要: 背板作为保护光伏组件的最外部材料,尤其容易受到环境气候应力的影响。背板材料的粘接性能、抗紫外能力和机械强度都是影响其可靠性的关键因素,甚至影响整个组件的功率输出和使用寿命。 近年来,杜邦公司对在北美 ...


       涂层厚度与紫外线穿透率的关系符合Beer定律,如图5数据所示,氟碳涂层厚度如果低于10微米,紫外线开始穿透阻隔层到达PET中间层,穿透比率随厚度减薄而指数级升高。所以即使选用涂覆型背板,涂层的厚度也必须大于10微米,才能起到对PET的有效保护。力学性能测试数据进一步证明,当接受1000-1380小时的紫外照射后,如果内层厚度<10微米,背板断裂伸长率将显著下降。一些背板厂商为了降低成本,将背板内层涂层的厚度减至2微米以下(图6),这会大大增加背板中间层PET的紫外老化变脆和背板脱层风险。
 

图6 某PVDF/PET/FEVE背板内层FEVE涂层只有1.3微米

       背板户外失效案例

       Tedlar® PVF薄膜是目前唯一具有30年以上实绩验证的背板材料,在世界各地和不同气候条件下都有基于Tedlar® PVF薄膜背板的长期使用案例。而PVDF背板和其他一些背板(包括AAA,PET等)面世的时间均不长,但在户外均已发现了大量的失效案例。典型案例如下:

1. PVDF背板开裂案例

       PVDF背板在户外出现了大量开裂和脱层的案例(图7),大部分案例的开裂方向是沿着纵向开裂,也就是PVDF氟膜的TD方向,这与我们之前提到的PVDF薄膜的配方和成型工艺的分析的结果是一致的。

图7 在北美户外使用4年的PVDF背板开裂及脱层

       通过实验室的序列老化实验来模拟户外的实际情况,也能很好的复现PVDF在户外沿纵向开裂的失效模式。从图8可以看到,实验室序列老化测试后PVDF的开裂非常严重,与户外实际开裂模式一致。

序列老化:湿热1000小时+紫外1000小时(65kWh/m2)+200个冷热循环 
图8 PVDF序列老化测试后开裂

2 . PA背板开裂案例

       从2010年开始有厂家陆陆续续的开始使用PA(尼龙)背板,但仅仅过了几年时间,就出现了大量失效的案例。图9左为PA背板在意大利使用5年的案例,右图为在中国西部使用4年的PA背板开裂的案例。

图9  PA背板开裂案例

       目前的行业测试标准均为单因素老化测试,并不能十分有效地模拟材料在户外的实际使用情况。杜邦科学家在PA背板刚面世时就通过大量的实验室老化测试预测了其在户外使用的风险。目前PA背板在户外使用4~5年后出现的大规模开裂,正好验证了组件加速老化测试模型与预测结果。
 
3. 背板内层失效案例

       背板内层由于在组件封装的内部,看似不与外部复杂的环境直接接触,这也导致了部分厂家不注重背板内层材料的选择,但实际上背板内层也承受着组件正面透过玻璃和封装材料的紫外、内部电池发热和机械应力等多重影响,在户外也发现了很多背板内层失效的案例。

       如图10所示,一些不注重材料选择的厂商,其组件在户外短短几年时间,背板内层就发生了严重的开裂,这种开裂不仅降低了背板作为支撑作用的机械强度,更严重是电气安全性能也失去了原有的保障。

图10 背板内层户外开裂案例

       内层黄变的案例在户外更为常见,如图11所示,左图为PVDF为外层的背板在使用2年后,内层观察到严重黄变。右图是在西藏使用了9年的PET型背板内层也发生了黄变。所以,背板内层的选择也是非常关键的。

图11 PVDF和PET背板黄变案例

       通过序列老化测试(MAST)对背板材料进行验证

       现有的IEC测试标准还不能很好地模拟户外实际环境。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”(图12),包括一系列应用在同一个组件上的应力测试,可以重现不同的背板材料的户外失效模式。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,通过组件加速序列老化测试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。

图12 序列老化测试

       综上所述,结合各类材料的理论分析和户外实证经验来看,不仅需要关注背板外层材料,内层材料的选择也同样非常关键。外层材料需要具备优异的耐候性(紫外、温湿度、冷热应力、化学品腐蚀、风沙磨损等)、机械性能(拉伸强度和断裂伸长率)和良好的粘接能力,而背板内层材料需要提供可靠的粘接性能、一定的耐候性能和机械性能。

       目前的第三方测试仅注重单一老化应力的加严测试,并不能很好的反应户外多老化应力的实际情况,而加速序列老化测试方法可以很好的模拟户外失效模式,所以在背板材料选择时,需进行序列老化测试,使组件可靠性得到保障,达到长跑的目的。

       Tedlar® PVF薄膜的各项关键性能最为均衡没有短板,而且是目前唯一具有30年以上户外实绩验证的背板材料,是背板内外层材料的明智选择,确保电站的长期可靠运行和投资回报。

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