微信客服
微信公眾號
2014年，不少投資大鱷相繼進入光伏產業(yè)，這些投資開發(fā)商、金融及保險機構的介入進一步加快了建設優(yōu)質光伏電站的步伐，也促使光伏組件和部件生產企業(yè)由最初只追求產量和規(guī)模，開始高度關注產品質量與可靠性問題。隨著行業(yè)的快速發(fā)展及應用環(huán)境的變化，通過IEC等標準認證的產品在實際應用環(huán)境中能否滿足25年使用壽命及衰減率的要求也在行業(yè)內引起多方討論。2014年2月，國家認監(jiān)委和國家能源局聯合發(fā)布《關于加強光伏產品檢測認證工作的實施意見》，要求規(guī)范光伏產品質量，在全國范圍內推行強制檢測認證。
據了解，在前期工作中，相關標準關注更多的是產品的性能指標，然而對于產品在實際應用環(huán)境中的耐久性、可靠性及安全性等問題關注較少。近兩年，因光伏產品導致的光伏系統(tǒng)及應用端可靠性、安全性問題逐年增加，引起了相關主管部門的注意。
材料檢驗標準存缺陷
作為晶硅太陽能組件重要組成部分的背板，在組件實際應用中首當其沖起到保護的角色，同時也是近年來安全與可靠性問題逐年增多的一個環(huán)節(jié)。據悉，當前光伏組件及材料主要依據IEC相關光伏行業(yè)標準進行測試。
其中IEC 61215目的是用合理的經費和時間，確定組件的電性能和熱性能，甄別組件的設計缺陷和一些早期材料失效。但如今這一標準也被認為不能有效表征組件及材料在戶外的耐久性，無法據此判斷其在戶外的使用壽命。
這主要是由于該標準大都是單一環(huán)境應力測試，未考慮綜合環(huán)境應力對材料的影響，并且沒有對組件背面進行紫外輻照。這導致一些即使通過該IEC標準認證的組件，甚至數倍IEC標準認證的組件在戶外仍然出現材料失效或性能下降，無法滿足25年的設計使用壽命。
還有一點，IEC標準只把背板看作組件的組成部分，與組件一起進行測試與認證，這也會導致對背板產品的整體可靠性和耐久性測試無法進行全面評估。
隨著背板對組件可靠性和耐久性的重要性認識的提高，基于組件及單獨背板的測試標準和技術規(guī)范正式被提上日程。國際電工委員會IEC TC82下的工作小組正在對IEC 61730第二版進行修訂，并在起草新的背板材料測試標準，如IEC 62788-2和IEC 62788-7-2，這些國際標準對背板提出更多和更高的要求。
國內近兩年內也連續(xù)起草和設立了背板的相關標準和技術規(guī)范，都加強了對環(huán)境試驗的要求。背板國標GB/T 31034-2014已于2014年底發(fā)布，背板行標草稿也已提交。這些新標準的設立和推廣將深化人們對背板材料的認識和使用要求，規(guī)范背板選材和設計，為光伏組件的可靠性和耐久性提供更多保障。
關于背板你需了解的幾個測試
標準的更新與完善意味著測試方法的進一步改進，那么，怎樣的測試方法才能使背板最大限度的接近于實際應用環(huán)境？怎樣的測試標準才能滿足所需可靠性、耐久性、安全性？
根據戶外實際環(huán)境和戶外失效實際情況，目前有必要對背板材料進行高溫高濕老化、紫外老化、耐候性綜合老化、序列老化、落砂、鹽霧腐蝕、耐熱測試為主的七大測試，每一項測試根據環(huán)境和應用情況，應當制定一定的標準要求。
例如落砂測試，近年中國西部荒漠、戈壁地區(qū)興起了大型光伏地面電站的建設熱潮，隨之而來的諸多電站質量問題也逐漸暴露，主要源于這類地區(qū)的氣候類型極為苛刻，在這里發(fā)電的組件除了要應對更高的紫外輻照劑量和更大的冷熱循環(huán)應力外，還要考慮風沙磨損對組件尤其是對背板外層耐侯保護層的影響。
如果背板外層耐候保護層在戶外很快被磨損減薄，將導致背板外層耐受應力開裂性能下降，影響對PET中間層的紫外阻隔保護和水汽阻隔，使得背板失效，最終導致組件失效和功率加速衰減。為了解決這一問題，在2014年底完成審定并即將批復發(fā)布的背板國家標準以及背板行業(yè)標準，均對背板外層耐候保護層的耐風沙磨損性能提出了測試要求。
這兩項標準均推薦采用GB/T 23988-2009（涂料耐磨性測定落砂法）作為背板材料的實驗室風沙磨損測試方法。該測試使用特定粒徑和規(guī)格的沙粒，從規(guī)定高度沿導管降落沖擊背板外表面，直至背板外層耐候層被磨穿露出直徑4mm的PET聚酯中間層。研究發(fā)現，在這樣的測試及實際環(huán)境應用中，一些涂覆型背板暴露出更多的劣勢，建議業(yè)主在此類環(huán)境中組件選用具備良好耐風沙磨損能力的背板。
實驗室測試的加減法需要反映戶外實際應力條件
前面提到背板時常與組件一起進行測試，高溫高濕老化測試也是其中之一，IEC 61215和IEC 61730中均明確要求對組件進行1000小時的濕熱老化測試以判斷組件是否有明顯功率衰減和失效（如漏電或起泡等）。
某些背板廠商為了證明其背板材料可靠，對背板進行2000小時甚至3000小時的濕熱測試。然而，這樣的加倍測試容易導致背板中的PET聚酯材料發(fā)生明顯水解和脆化。那么，背板在戶外是否因水解脆化而失效？此前NREL針對PET聚酯材料在戶外水解程度進行了理論模擬分析，發(fā)現1000小時濕熱老化能夠模擬PET聚酯材料在世界上任何地區(qū)超過25年的水解程度。
在長期戶外組件研究中也發(fā)現，基于特能® (Tedlar®) PVF薄膜的背板并未因水解而脆化。圖1顯示了這類背板在戶外使用4～19年后的機械性能，其拉伸強度和斷裂伸長率在長期戶外服役后性能保持良好，并未發(fā)生脆化。值得注意的是，這些戶外案例中包括較濕熱的的日本宮古島的19年實例。而實驗室的對比測試顯示，在超過1000小時的濕熱老化測試后，背板機械性能明顯下降，這顯然與戶外老化情況不符。
圖1. （左）3000小時濕熱老化測試后，TPT背板機械性能明顯下降，但特能® (Tedlar®) PVF薄膜機械性能保持穩(wěn)定；（右）戶外實際案例中的TPT背板在不同氣候環(huán)境長期使用后機械性能仍保持穩(wěn)定
因此，不是所有測試都能隨意增加劑量，需根據戶外實際情況進行判斷，有些本身已經達到測試的最佳選擇，沒必要增加測試條件。有些測試條件明顯低于實際應用環(huán)境的要求，那么就有必要進一步完善，比如紫外老化測試。
IEC 61215中對組件正面要求進行15 kWh/m2的紫外預處理，試驗目的是組件在進行冷熱循環(huán)/濕凍試驗前進行紫外預處理以確定相關材料及粘接的紫外衰減。
如今行業(yè)已有共識，該紫外劑量遠低于戶外25年的組件實際接受紫外曝曬劑量，而且組件背板的空氣面并未進行紫外輻照，因此背板國際標準草稿IEC 62788-2和背板國標GB/T 31034-2014都增加了紫外測試的劑量。
表1是不同典型氣候地區(qū)的25年的紫外輻照量。荒漠地區(qū)的組件背面25年累計紫外劑量達到275 kWh/m2，即使是溫和地區(qū)也達到171 kWh/m2，相當于IEC 61215紫外預處理劑量的11到18倍。
表1. 不同氣候環(huán)境下組件的紫外曝曬劑量（12%的地面紫外反射率）
一些市售背板為了降低成本，采用耐紫外性能較差的PET聚酯材料或將背板表面紫外阻隔層厚度減至極薄，這可能導致背板的加速紫外老化。在戶外也出現一些背板內外層紫外老化發(fā)黃現象，如PET外層發(fā)黃開裂和PVDF背板內層顯著發(fā)黃案例。因此很有必要評估紫外線從對背板材料的破壞風險。而TPT背板在PET中間層的兩面采用特能® (Tedlar®) PVF薄膜，能夠長期有效耐受紫外線并阻隔紫外線，保護PET中間層。
綜合老化測試和序列老化測試可發(fā)現隱藏的風險
還有一項重要的耐候性測試，是將紫外輻照與溫度以及濕度結合在一起，同時對材料進行綜合老化的測試方法。相比現有IEC61215中的濕熱老化和紫外測試，耐候性測試將光、熱、濕三種重要環(huán)境因素綜合在一起，考察組件和材料在多因素協(xié)同效應下的老化情況，能更好的模擬戶外實際情況。IEC 61730第二版修改稿和IEC 62788-7-2兩項標準也在對綜合老化測試進行研究。
目前市售一些PET聚酯背板逆向研發(fā)，經過耐水解或耐紫外改性后，可以通過加倍的IEC濕熱老化和紫外老化測試。但是在綜合老化測試時，卻出現顯著的機械性能下降和開裂（圖2），表明其在實際戶外使用時仍然具有較大的失效風險。
圖2. 四種典型耐紫外耐水解PET聚酯背板內層在1000小時綜合老化測試后開裂
（試驗條件：氙燈，120W/m2 @300-400nm, 95oC BPT, 50%RH, 紫外照射在背板外表面）
序列老化也非常重要，組件背板材料在戶外不僅直接受環(huán)境因素影響，同時還受到組件產生的應力影響，這些組件產生的應力與背板所受直接環(huán)境應力疊加使得背板材料長期戶外老化和失效變得更加復雜。IEC61215中采用濕熱老化、紫外和冷熱循環(huán)等來評估環(huán)境對組件產生的影響。序列老化是將這些應力依次疊加，能夠發(fā)現很多單一老化測試難以發(fā)現的材料失效問題，為組件設計和選材提供更多依據。
圖3顯示了兩款使用PVDF薄膜背板的組件序列老化后的照片。在兩次DH1000+TC200序列老化測試后，PVDF薄膜出現明顯裂紋，表明PVDF薄膜顯著脆化；對比組采用基于特能®(Tedlar®) PVF薄膜的背板在同樣的序列老化后上無明顯變化。這主要是因為PVDF薄膜自身較脆，尤其是在橫向（TD）方向；在濕熱老化后脆性更為嚴重，易受冷熱循環(huán)應力而產生開裂現象。這一失效風險在單項濕熱或冷熱循環(huán)測試中則難以發(fā)現。
圖3. 使用PVDF薄膜背板的組件在2×（DH1000小時+ 200個冷熱循環(huán)）序列老化測試后，外層 PVDF薄膜出現明顯不規(guī)則裂紋。
通過這些測試方法可以評估一些背板存在的失效風險，它們是通過IEC相關標準測試甚至加倍測試都無法發(fā)現的，這些失效很有可能成為光伏電站潛在的隱憂，不容忽視。存在問題即有風險，為了保障組件質量及電站投資收益，有必要科學合理的強化材料測試。除了上述在不同標準中已明確或已被關注的測試項目外，還有一些標準中未完善或不夠完善的項目需要引起關注，比如鹽霧腐蝕測試和背板耐熱測試等。
隨著行業(yè)對光伏組件及材料的測試標準與方法認識的逐漸提高，以及IEC各工作小組、相關光伏研究機構和第三方測試機構等的不斷努力，光伏質量保障標準體系的正在形成。作為保證組件在戶外可靠性、耐久性和安全性極其關鍵的背板材料，相關的國際國內標準也正在逐漸確立和完善中。組件以及背板的加速老化測試和可靠性測試方法的建立以及相關標準的形成需要行業(yè)相關人士持續(xù)深入研究、加強合作攻關和不斷提升完善。同時，戶外長期實績驗證才是檢驗組件與材料可靠性和耐久性的最終評價標準，行業(yè)從業(yè)者也應該加強對組件和背板戶外失效機理的了解，引導相關實驗室測試方法和條件設置，避免機械套用標準評估組件和選用材料，甚至按照所謂標準進行逆向研發(fā)，導致產品通過各類測試但在戶外繼續(xù)出質量問題的局面重演。
據了解，在前期工作中，相關標準關注更多的是產品的性能指標，然而對于產品在實際應用環(huán)境中的耐久性、可靠性及安全性等問題關注較少。近兩年，因光伏產品導致的光伏系統(tǒng)及應用端可靠性、安全性問題逐年增加，引起了相關主管部門的注意。
材料檢驗標準存缺陷
作為晶硅太陽能組件重要組成部分的背板，在組件實際應用中首當其沖起到保護的角色，同時也是近年來安全與可靠性問題逐年增多的一個環(huán)節(jié)。據悉，當前光伏組件及材料主要依據IEC相關光伏行業(yè)標準進行測試。
其中IEC 61215目的是用合理的經費和時間，確定組件的電性能和熱性能，甄別組件的設計缺陷和一些早期材料失效。但如今這一標準也被認為不能有效表征組件及材料在戶外的耐久性，無法據此判斷其在戶外的使用壽命。
這主要是由于該標準大都是單一環(huán)境應力測試，未考慮綜合環(huán)境應力對材料的影響，并且沒有對組件背面進行紫外輻照。這導致一些即使通過該IEC標準認證的組件，甚至數倍IEC標準認證的組件在戶外仍然出現材料失效或性能下降，無法滿足25年的設計使用壽命。
還有一點，IEC標準只把背板看作組件的組成部分，與組件一起進行測試與認證，這也會導致對背板產品的整體可靠性和耐久性測試無法進行全面評估。
隨著背板對組件可靠性和耐久性的重要性認識的提高，基于組件及單獨背板的測試標準和技術規(guī)范正式被提上日程。國際電工委員會IEC TC82下的工作小組正在對IEC 61730第二版進行修訂，并在起草新的背板材料測試標準，如IEC 62788-2和IEC 62788-7-2，這些國際標準對背板提出更多和更高的要求。
國內近兩年內也連續(xù)起草和設立了背板的相關標準和技術規(guī)范，都加強了對環(huán)境試驗的要求。背板國標GB/T 31034-2014已于2014年底發(fā)布，背板行標草稿也已提交。這些新標準的設立和推廣將深化人們對背板材料的認識和使用要求，規(guī)范背板選材和設計，為光伏組件的可靠性和耐久性提供更多保障。
關于背板你需了解的幾個測試
標準的更新與完善意味著測試方法的進一步改進，那么，怎樣的測試方法才能使背板最大限度的接近于實際應用環(huán)境？怎樣的測試標準才能滿足所需可靠性、耐久性、安全性？
根據戶外實際環(huán)境和戶外失效實際情況，目前有必要對背板材料進行高溫高濕老化、紫外老化、耐候性綜合老化、序列老化、落砂、鹽霧腐蝕、耐熱測試為主的七大測試，每一項測試根據環(huán)境和應用情況，應當制定一定的標準要求。
例如落砂測試，近年中國西部荒漠、戈壁地區(qū)興起了大型光伏地面電站的建設熱潮，隨之而來的諸多電站質量問題也逐漸暴露，主要源于這類地區(qū)的氣候類型極為苛刻，在這里發(fā)電的組件除了要應對更高的紫外輻照劑量和更大的冷熱循環(huán)應力外，還要考慮風沙磨損對組件尤其是對背板外層耐侯保護層的影響。
如果背板外層耐候保護層在戶外很快被磨損減薄，將導致背板外層耐受應力開裂性能下降，影響對PET中間層的紫外阻隔保護和水汽阻隔，使得背板失效，最終導致組件失效和功率加速衰減。為了解決這一問題，在2014年底完成審定并即將批復發(fā)布的背板國家標準以及背板行業(yè)標準，均對背板外層耐候保護層的耐風沙磨損性能提出了測試要求。
這兩項標準均推薦采用GB/T 23988-2009（涂料耐磨性測定落砂法）作為背板材料的實驗室風沙磨損測試方法。該測試使用特定粒徑和規(guī)格的沙粒，從規(guī)定高度沿導管降落沖擊背板外表面，直至背板外層耐候層被磨穿露出直徑4mm的PET聚酯中間層。研究發(fā)現，在這樣的測試及實際環(huán)境應用中，一些涂覆型背板暴露出更多的劣勢，建議業(yè)主在此類環(huán)境中組件選用具備良好耐風沙磨損能力的背板。
實驗室測試的加減法需要反映戶外實際應力條件
前面提到背板時常與組件一起進行測試，高溫高濕老化測試也是其中之一，IEC 61215和IEC 61730中均明確要求對組件進行1000小時的濕熱老化測試以判斷組件是否有明顯功率衰減和失效（如漏電或起泡等）。
某些背板廠商為了證明其背板材料可靠，對背板進行2000小時甚至3000小時的濕熱測試。然而，這樣的加倍測試容易導致背板中的PET聚酯材料發(fā)生明顯水解和脆化。那么，背板在戶外是否因水解脆化而失效？此前NREL針對PET聚酯材料在戶外水解程度進行了理論模擬分析，發(fā)現1000小時濕熱老化能夠模擬PET聚酯材料在世界上任何地區(qū)超過25年的水解程度。
在長期戶外組件研究中也發(fā)現，基于特能® (Tedlar®) PVF薄膜的背板并未因水解而脆化。圖1顯示了這類背板在戶外使用4～19年后的機械性能，其拉伸強度和斷裂伸長率在長期戶外服役后性能保持良好，并未發(fā)生脆化。值得注意的是，這些戶外案例中包括較濕熱的的日本宮古島的19年實例。而實驗室的對比測試顯示，在超過1000小時的濕熱老化測試后，背板機械性能明顯下降，這顯然與戶外老化情況不符。
因此，不是所有測試都能隨意增加劑量，需根據戶外實際情況進行判斷，有些本身已經達到測試的最佳選擇，沒必要增加測試條件。有些測試條件明顯低于實際應用環(huán)境的要求，那么就有必要進一步完善，比如紫外老化測試。
IEC 61215中對組件正面要求進行15 kWh/m2的紫外預處理，試驗目的是組件在進行冷熱循環(huán)/濕凍試驗前進行紫外預處理以確定相關材料及粘接的紫外衰減。
如今行業(yè)已有共識，該紫外劑量遠低于戶外25年的組件實際接受紫外曝曬劑量，而且組件背板的空氣面并未進行紫外輻照，因此背板國際標準草稿IEC 62788-2和背板國標GB/T 31034-2014都增加了紫外測試的劑量。
表1是不同典型氣候地區(qū)的25年的紫外輻照量。荒漠地區(qū)的組件背面25年累計紫外劑量達到275 kWh/m2，即使是溫和地區(qū)也達到171 kWh/m2，相當于IEC 61215紫外預處理劑量的11到18倍。
表1. 不同氣候環(huán)境下組件的紫外曝曬劑量（12%的地面紫外反射率）
一些市售背板為了降低成本，采用耐紫外性能較差的PET聚酯材料或將背板表面紫外阻隔層厚度減至極薄，這可能導致背板的加速紫外老化。在戶外也出現一些背板內外層紫外老化發(fā)黃現象，如PET外層發(fā)黃開裂和PVDF背板內層顯著發(fā)黃案例。因此很有必要評估紫外線從對背板材料的破壞風險。而TPT背板在PET中間層的兩面采用特能® (Tedlar®) PVF薄膜，能夠長期有效耐受紫外線并阻隔紫外線，保護PET中間層。
綜合老化測試和序列老化測試可發(fā)現隱藏的風險
還有一項重要的耐候性測試，是將紫外輻照與溫度以及濕度結合在一起，同時對材料進行綜合老化的測試方法。相比現有IEC61215中的濕熱老化和紫外測試，耐候性測試將光、熱、濕三種重要環(huán)境因素綜合在一起，考察組件和材料在多因素協(xié)同效應下的老化情況，能更好的模擬戶外實際情況。IEC 61730第二版修改稿和IEC 62788-7-2兩項標準也在對綜合老化測試進行研究。
目前市售一些PET聚酯背板逆向研發(fā)，經過耐水解或耐紫外改性后，可以通過加倍的IEC濕熱老化和紫外老化測試。但是在綜合老化測試時，卻出現顯著的機械性能下降和開裂（圖2），表明其在實際戶外使用時仍然具有較大的失效風險。
圖2. 四種典型耐紫外耐水解PET聚酯背板內層在1000小時綜合老化測試后開裂
（試驗條件：氙燈，120W/m2 @300-400nm, 95oC BPT, 50%RH, 紫外照射在背板外表面）
序列老化也非常重要，組件背板材料在戶外不僅直接受環(huán)境因素影響，同時還受到組件產生的應力影響，這些組件產生的應力與背板所受直接環(huán)境應力疊加使得背板材料長期戶外老化和失效變得更加復雜。IEC61215中采用濕熱老化、紫外和冷熱循環(huán)等來評估環(huán)境對組件產生的影響。序列老化是將這些應力依次疊加，能夠發(fā)現很多單一老化測試難以發(fā)現的材料失效問題，為組件設計和選材提供更多依據。
圖3顯示了兩款使用PVDF薄膜背板的組件序列老化后的照片。在兩次DH1000+TC200序列老化測試后，PVDF薄膜出現明顯裂紋，表明PVDF薄膜顯著脆化；對比組采用基于特能®(Tedlar®) PVF薄膜的背板在同樣的序列老化后上無明顯變化。這主要是因為PVDF薄膜自身較脆，尤其是在橫向（TD）方向；在濕熱老化后脆性更為嚴重，易受冷熱循環(huán)應力而產生開裂現象。這一失效風險在單項濕熱或冷熱循環(huán)測試中則難以發(fā)現。
通過這些測試方法可以評估一些背板存在的失效風險，它們是通過IEC相關標準測試甚至加倍測試都無法發(fā)現的，這些失效很有可能成為光伏電站潛在的隱憂，不容忽視。存在問題即有風險，為了保障組件質量及電站投資收益，有必要科學合理的強化材料測試。除了上述在不同標準中已明確或已被關注的測試項目外，還有一些標準中未完善或不夠完善的項目需要引起關注，比如鹽霧腐蝕測試和背板耐熱測試等。
隨著行業(yè)對光伏組件及材料的測試標準與方法認識的逐漸提高，以及IEC各工作小組、相關光伏研究機構和第三方測試機構等的不斷努力，光伏質量保障標準體系的正在形成。作為保證組件在戶外可靠性、耐久性和安全性極其關鍵的背板材料，相關的國際國內標準也正在逐漸確立和完善中。組件以及背板的加速老化測試和可靠性測試方法的建立以及相關標準的形成需要行業(yè)相關人士持續(xù)深入研究、加強合作攻關和不斷提升完善。同時，戶外長期實績驗證才是檢驗組件與材料可靠性和耐久性的最終評價標準，行業(yè)從業(yè)者也應該加強對組件和背板戶外失效機理的了解，引導相關實驗室測試方法和條件設置，避免機械套用標準評估組件和選用材料，甚至按照所謂標準進行逆向研發(fā)，導致產品通過各類測試但在戶外繼續(xù)出質量問題的局面重演。
0 條