【序】PVDF材料用于光伏行业,主要是在电池和组件的制造环节。
在电池制造端,PVDF用来制作硅片花篮、酸洗槽、盐酸管道和超纯水管道。在组件制造端,PVDF用来制作薄膜并应用于光伏组件的背板和前板,已经有十多年的历史。
在这个领域,国内外起步的时间相距不远,法国阿科玛公司起步最早,大约在2009年(其产品简称K膜,属于第一代氟膜)。两年后,国产PVDF膜也量产并规模化进入光伏市场,最先进入的是加拿大和日本的光伏电站市场(产品简称S膜,以示和进口膜的区别)。
国产PVDF膜产品是个原创,和进口膜是同台打擂的。事实证明,经过多年竞争后,国产PVDF膜无论在性能上,还是在价格上,都领先于进口的PVDF膜产品。以乳白PVDF膜为例,其发展历史和技术路线升级见图1。
图1 光伏用PVDF膜产品升级技术路线图(MGPP:Multi-Generation Product Plan)
值得一提的是,国产S膜是从第二代产品起步和进入市场的。
由图1可以看到,光伏行业对PVDF膜的性能要求越来越高,不仅仅需要其具有超耐候特性(耐UV、耐湿热、耐UV+DH),还需要耐高温性能(RTI≧125℃)、低温韧性(-40℃)、和高低温循环性能(TC600,使用扭曲焊带)等。并且,一些谨慎的组件厂家,还要求PVDF通过长序列或组合老化序列的测试和认证。
笔者也想在这里探讨光伏行业选择PVDF的五大理由。
理由一:PVDF型背板(SPC/KPC)能应对全气候条件
我们知道,光伏和光热是最重要的可再生能源,在全世界范围内都得到充分重视并且大规模安装。光伏组件需要应对各种各样的气候挑战,如干旱沙漠地区、湿热地区、高海拔地区、海洋地区和屋面等,各种气候条件下对应的户外耐气候老化性能要求见图2。
图2 不同气候条件下对应的户外耐气候老化性能要求
在现有的市场条件下,组件厂商一般不特定设计对应不同气候的组件类型,组件需要有全气候应对的能力。这样的要求延伸到背板,此时PVDF型覆膜背板就是一种理想的全场景选择。
我们知道,PVDF膜既不怕热,也很耐寒,对湿热水汽不敏感,能安全使用于湿热地区。和涂料型CPC背板相比,SPC/KPC型背板的抗风沙能力要好的多,这不仅是由实验室的落砂实验所证实,实际上央企的西部地面电站首选的也是覆膜背板。
PVDF还特别耐盐雾,远优于常规的聚合物材料。由于氟原子的存在,PVDF还自带抑菌和耐藻类生长的能力,因此在海洋环境下,如海边或海上光伏电站,特别适合PVDF等氟材料发挥其强项能力。此外,PVDF特别耐酸性气体、不怕酸雨和腐蚀性的烟尘,并且具有良好的阻燃自熄能力,在屋顶电站使用PVDF膜和相关材料也是优选。
理由二:单玻组件更耐冰雹冲击,可能会引发单玻组件市场的止跌回升
《光伏技术》在2024年3月8日的文章中引述PV Evolution Labs(PVEL)的数据,双玻组件在受到直径为50mm的冰雹冲击时,其玻璃的破碎率可达89%!而对应的单玻组件破碎率仅为34%。可以推测,即使是更小尺寸的冰雹,也很可能会引起电池片的隐裂。
组件前板玻璃破碎是严重的失效模式,而双玻组件在2018年之后才大规模应用。电站侧,在过去几年中,经常能听到双玻组件的失效案例,例如在运输、安装和运营各个环节,时有破碎或自爆的报道。因此,单玻组件市场可能会回暖,性能可靠的SPC/KPC背板可能会重新被行业所重视。
理由三:PVDF膜具有极好的耐腐蚀和阻燃特性,能给组件提供更好的安全防护
在一些应用场景下,如对应于安装在重污染地区、海边和海上光伏电站,需要防护材料有更好的耐污、耐腐蚀特性。玻璃并不耐碱,对大多数自然界的粉尘和油污也不具备自清洁能力,而PVDF膜具备非常好的耐污、耐腐蚀特性,且比FEVE涂料要好的多。
图3给出一个实例,是山东玻璃纤维厂房屋顶的实景。玻璃纤维厂有窑炉,经常有“灰”掉下来。尽管厂家使用了最好的钢板,并涂布了聚酯漆或氟碳漆;仅仅过1年,钢板上就出现了大面积点蚀。而复合了PVDF膜的钢板,雨水一冲,光亮如新。这个应用案例已经有6-7年的运营历史了。
图3 山东泰山玻璃纤维厂的PVDF覆膜彩钢板屋顶
理由四:组件的BOM成本更低
组件的BOM成本方面,单面单玻组件要比双面组件要低得多,而双面单玻可能也比双玻组件要略低。这里的假定:单面单玻、双面单玻组件可以配置EVA胶膜,而双玻组件至少需要一张POE胶膜。
我们知道,光伏组件采用的白玻璃属于钠钾玻璃,在光伏组件工作时施加系统电压情况下会建立内电场,引起所谓组件的电势诱导衰减(PID)。因此双玻的封装材料一般需要采用POE或者至少EPE胶膜,而透明背板组件大概率可以采用双EVA胶膜方案(特别是考虑到近期LECO电池的兴起)。
EVA胶膜比POE胶膜要便宜得多,这些BOM组合的成本分析对比总结在表1中。我们的观察是,随着LECO电池的兴起,单玻组件的用量可能会回升,而SPC/KPC型背板可靠性最好、价格只略高于CPC型背板。
表1 单玻和双玻组件的BOM非硅成本分析对比
理由五:透明背板在国内外已经得到大规模实证检验
透明背板在国内外已经得到大规模实证检验,在北美和印度已得到大量市场应用。
光伏行业透明背板主要有四种,分别是共挤型的PVF、PVDF、非氟背板,以及涂覆型透明背板。早在2018年,美国杜邦和杭州福膜就分别推出了PVF透明背板和PVDF透明背板。2019年PVDF透明背板被国内某央企采用,建设示范实证电站,至今电站运行良好。
透明背板在国外的接受程度是比较高,特别是使用含氟薄膜的背板。近年来,透明PVDF膜已大量出口到印度背板企业,如RENEWSYS和YUVRAJ Packaging;杜邦PVF膜透明背板主要应用在出口北美地区的双面组件中;苏州中来使用透明FEVE涂料制作的透明背板,也占据了一定的市场份额。笔者相信国内市场,特别包括央企和国企电站,未来也将会大规模采用透明背板。
在探讨了光伏行业选择PVDF型背板和前板的五大理由之后,我们得出结论:
1)使用PVDF膜的背板在性能上是最可靠的选项之一,能全天候的对应于各种严苛的应用场景;
2)单玻组件的非硅BOM成本最低;
3)使用高分子透明背板的双面组件,在国内外已经开始大规模推广使用,该类光伏组件重量更轻、抗冰雹能力更好一些。
那PVDF如何与氟塑料家族其他的兄弟,如PVF膜和FEVE涂料等,做比较?近期《全球光伏》将特邀光伏材料技术专辑继续分析PVDF膜、PVF膜、和FEVE涂料的竞争比较。
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