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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

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、欧洲、亚太地区约200个电站进行了现场调研,涵盖了来自45个组件厂、不同气候类型、运行时间在0到30年、总功率超过450MW的组件。调研数据显示,有22%的组件存在明显的老化和可视失效。其中电池的失效率最高,为11.3%,背板的失效率其次,为7.4%。如图1所示。



图1 截止2016年底杜邦户外电站调研可视缺陷率统计结果

背板虽然只占组件和电站总成本很小一部分,但起着保护组件工作25年的重要作用,所以对于背板材料的选择就显得尤为重要。目前,市面上绝大部分背板为多层复合结构,并采用PET聚酯为中间层,起到绝缘和机械支撑的作用。而在背板外层(空气面)和内层(EVA面)的材料选择上,则显得鱼龙混杂,对背板材料的质量与长期可靠性带来了很大隐患。上述统计中背板高居第二的失效率即体现了行业现状。本文拟针对背板内外层材料的性能要求和不同材料体系的优缺点进行探讨和分析,以期拨乱反正,解答迷思。

光伏背板外层(空气面)材料的选择

从性能要求上,光伏背板外层主要起到耐候(紫外、温湿度、冷热应力、化学品腐蚀、风沙磨损等)、提供机械支撑和方便粘接接线盒与边框的作用。因此,背板外层材料需要具备优异的耐候性、良好的机械强度与韧性、以及可粘接性等特点。

由于耐候性和长期可靠性要求高,氟塑料在背板外层中的应用占据主导地位。其中,主要分为聚氟乙烯(PVF)薄膜、聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜和少量氟碳涂料(FEVE)。这几类材料由于材料特性、加工工艺和成分的不同,在性能上亦有较大差别,不能一概论之,亦即“此氟非彼氟”。分析如下:

1. 薄膜成分:Tedlar® PVF纯氟树脂对比PVDF混合树脂

Tedlar®PVF薄膜的有机成分为100% PVF树脂,不添加任何其他非氟树脂进行共混,原料来源统一,质量管控严格。

随着光伏行业的高速发展,聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜生产厂家如雨后春笋般不断涌现,各家配方、工艺、厚度不尽相同。但是由于纯PVDF树脂成膜性很差,这些PVDF薄膜无一例外地需要添加质量分数20%~30%的PMMA(俗称亚克力)树脂辅助其成型。

2. 成型工艺:Tedlar®PVF双向拉伸对比PVDF传统流延和吹膜

聚氟乙烯薄膜(Tedlar®,PVF)采用双向拉伸制造工艺,所制备的薄膜在横向和纵向两个方向都经过取向强化,机械性能均衡没有弱点。由于PVF薄膜加工温度和分解温度接近,要求极高的工艺控制,并且投资巨大,只有具备很高技术能力的大企业才可以生产,这也保证了Tedlar® 薄膜产品质量的可靠性和一致性。

聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜主要使用吹膜和传统流延两种成型工艺。

3. 薄膜性能:

(1)机械性能:Tedlar® PVF 性能均衡

Tedlar®PVF薄膜纵向(MD)和横向(TD)两个方向机械性能均很优异,这是因为PVF采用双向拉伸成型工艺,且配方中不添加其他聚合物树脂共混,有着优异的机械性能。如图2所示。


图2 PVF与PVDF力学性能对比

(2) 耐磨性能:Tedlar®PVF 耐磨性好

光伏组件,尤其是大型地面电站,很多都建设于气候严苛、风沙较大的地区。所以,背板所用的氟膜还需要有较好的耐风沙磨损性能。

目前,耐风沙磨损一般采用落砂试验,测试标准参照ASTM D968,以0.25-0.65mm标准砂为例,38微米的PVF薄膜通常需要250L以上才可以落穿,而PVDF薄膜依厚度和工艺不同落砂量大约为100~250L,而FEVE涂覆型背板一般只有50L左右落砂量。

(3) 耐化学性:Tedlar® PVF耐化学性优


图3 PVF与PVDF的耐化学性测试

此实验依据ASTM D543 塑料耐化学试剂的标准评价方法进行测试,将PVF和PVDF薄膜分别浸入丙酮,硫酸(1 mol/L)和饱和氨水中进行测试,时长为168小时(一周)。结果表明,不论是硫酸、碱性的氨水还是溶剂丙酮实验,PVF均显示了优异的耐溶剂性。

所以从上述薄膜原料组成,成型工艺和薄膜性能等方面来看,Tedlar® PVF薄膜综合性能均衡,最适合光伏背板应用。

光伏背板内层(EVA面)材料的选择

从性能要求上,背板内层材料需要具备良好的粘接性(与EVA)、耐候性和一定的机械性能,以期达到背板与EVA粘接可靠、阻挡从组件正面照射进来的紫外线并保护中间层PET的作用。

目前市面上常见的光伏背板内层材料包括氟膜类、非氟薄膜类和氟碳涂层类三种。其中氟膜类内层主要有Tedlar® 聚氟乙烯(PVF)薄膜和聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜。非氟薄膜类内层主要包括聚乙烯(PE)、乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)、聚酰胺(PA)和聚烯烃(PO)等,这类材料最大的优势是与EVA粘接性好,户外不易脱层。氟碳树脂(FEVE)涂层作为背板内层材料,其优点是耐候性和耐高温性能相对E层较好。

对于背板内层来讲,耐紫外性能也很重要。所以选择产品已在户外长期使用的品牌,是十分必要的。


图4 改性PET型背板内层老化测试后开裂

如果选择含氟涂层作为背板内层,那么为了有效阻挡紫外线并保护中间层PET免受紫外破坏,涂层厚度将非常关键。


图5 紫外阻隔层厚度与紫外线穿透率的关系

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

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7),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。


图7 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。



18-02-12 11:30    回复
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