“指尖的光伏”之光伏組件用背板落砂實驗淺析

太陽電池背板主要分為含氟背板和不含氟背板兩大類，其中含氟背板根據(jù)其含氟結(jié)構(gòu)又可分為氟薄膜（如 PVF、PVDF 等）和氟涂層（如改性PTFE、FEVE 等）。無論是氟薄膜還是氟涂層，都需要保證太陽電池組件在戶外使用 25 年，因此，背板在戶外直接與環(huán)境大面積接觸時，需要具備卓越的耐長期老化性能，包括濕熱、干熱、紫外、風(fēng)沙沖擊等等，本文從光伏組件用背板耐落砂沖擊實驗說起，告訴你真正的戶外環(huán)境是怎樣的？ 我們知道，IEC 的標準中并沒有提到光伏組件耐風(fēng)沙沖擊的相關(guān)要求，并不等于說組件廠商不需要關(guān)注這項指標，以中國新疆塔克拉瑪干沙漠為例，年均輸沙量在數(shù)噸，沙漠中心地區(qū)年均輸沙量甚至高達數(shù)十噸，在這種情況下，如果再不對其進行研究，想必電站業(yè)主也不放心吧。 現(xiàn)在，越來越多的組件廠商開始關(guān)注背板耐風(fēng)沙沖擊的性能，在第九屆 CSPV 論壇上，天合光能的代表也對其進行了分析。由于 IEC 中沒有相關(guān)標準，天合以 ASTM D968-93 為準，研究了砂子對背板外層的影響，消除了大家的疑惑，同時也對真正的戶外情況進行深入分析，讓與會代表有了更深入的了解。后期如果還碰到 IEC 中沒有規(guī)定相應(yīng)標準的情況，希望業(yè)界同仁共同努力，進行更合理，更科學(xué)的實驗，得到更可靠、更令人信服的結(jié)果。 背板空氣面落砂實驗 實驗準備：實驗前，先檢查從導(dǎo)管下端落下的砂流，用底部調(diào)整螺釘使裝置從中心直至從護衛(wèi) 90° 的兩個位置上觀察時，砂束的內(nèi)心正好落在砂流的中心位置上為止。實驗采用的標準石英砂粒徑規(guī)格在 600-850um（其中粒徑小于 600um 的不超過 5%，大于 850um 的不超過 15%），一次倒入量以 2000mL±10mL 數(shù)量為宜，流出速度為 21-23.5s 內(nèi)流出2L。 圖 1 落砂耐磨儀器結(jié)構(gòu)示意圖 操作步驟：在每塊試塊上標出 1 個圓形區(qū)域，該區(qū)域即為沖擊面積，約 0.0005 平米（直徑約 25mm），將試板固定在試驗器上。調(diào)整試板使其標出的圓形區(qū)域正好在導(dǎo)管的中心的下方，將一定體積的標準砂灌注到漏斗中，打開開關(guān)，使砂通過導(dǎo)管，撞擊到樣板上。安裝在試驗器底部的容器收集落下的砂。重復(fù)上述操作，直到耐 UV 層破壞，有 4mm 直徑的區(qū)域露出底材，快接近終點時，可以在漏斗中加 200mL±2mL 的砂。 結(jié)果計算：按公式計算待測樣品的耐磨性：A=V/T 式中：A 耐磨性，單位為升每微米（L/um） V 磨料使用量，單位為升（L） T 耐 UV 層厚度，單位為微米（um） 結(jié)果取兩次平行測定的算術(shù)平均值，保留一位小數(shù)。 我們選取了兩家背板廠商的背板做了上述實驗，分別記為 A 和 B，結(jié)果如下表所示。

背板廠商	空氣面厚度	砂子用量	實驗前 / 實驗后
A	25um	約 50L
B	30um	約 190L

我們發(fā)現(xiàn)，A 背板在 55L 落砂實驗后表面耐 UV 層被完全磨損，而 B 背板在 190L 落砂實驗后，表面耐 UV 層依然存在。意味著 B 背板比 A 背板更好嗎？ 真正的戶外環(huán)境是怎樣的？ 砂的移動有三種形態(tài)：滾動、跳動和浮游。滾動是跳動著的砂粒由于碰撞而在地表移動的現(xiàn)象，一般粒徑超過500um 的砂會產(chǎn)生這種現(xiàn)象，但此類砂不會飛舞。另一種情況是跳動，這是沙漠特有的現(xiàn)象，這類砂粒粒徑在 100-500um，由于風(fēng)等原因被舉起后落下，這是唯一會對背板產(chǎn)生影響的現(xiàn)象。最后一種是浮游，在有風(fēng)的情況下，可以移動到沙漠以外的地域，北方一些城市的霧霾天氣與它有關(guān)，該類砂粒粒徑小于 100um。 圖 2 砂粒粒徑與運動狀態(tài) 根據(jù)武藏工業(yè)大學(xué)環(huán)境情報學(xué)院教授吉崎真司的研究，在沙漠表面的砂粒中，只有 10-20% 的砂子飛在地表面 30cm 以上，實際上，西部地區(qū)很多電站，其組件離地高度都在 30cm 以上，這樣一來，空氣中飛舞的砂子將更少。另外，還有一個發(fā)現(xiàn)，在砂徑為 75-500um 的砂分布著的沙漠中，在地表 20cm 中采取砂粒，占比最高的砂徑在 150-210um。 我們以中國塔克拉瑪干沙漠為例，選取肖塘和塔中兩個地區(qū)，分別用梯度集沙儀于沙塵暴條件下進行沙樣采集，兩個地區(qū)的砂粒分布情況如下圖所示。（參考文獻：新疆師范大學(xué)碩士論文《塔克拉瑪干沙漠沙粒形貌特征分析》，作者：趙聰敏） 圖 3 塔克拉瑪干肖塘站，梯度集沙儀 2011 年 4 月 29 日沙塵暴采集沙洋 圖 4 塔克拉瑪干塔中西站，梯度集沙儀 2011 年 3 月 21-22 日沙塵暴采集沙樣 看到這里，讀者可能已經(jīng)產(chǎn)生疑惑了，按照 ASTM D968-93 的標準，砂粒粒徑在 600-850um，而上圖中顯示，600-850um的砂粒占比幾乎為零，這又是什么原因？ 還原真實情況，估算組件壽命 在風(fēng)沙理論研究與防沙實踐中，輸沙量是一個重要的物理量和極其有用的工程參數(shù)，它表示地表一定高度范圍內(nèi)的輸沙總量，是區(qū)域風(fēng)沙活動強度的最直接表征。在塔克拉瑪干沙漠，不同地區(qū)年輸沙量不一，差異很大，例如上文提到的肖塘輸沙量僅相當(dāng)于塔中的一半。 圖 5 塔克拉瑪干沙漠年輸沙量統(tǒng)計 既然如此，我們就來計算一下，光伏背板究竟需要怎么的耐磨性才能滿足組件 25 年的使用壽命，還是以肖塘和塔中為例，假設(shè)組件安裝于地面 30cm 以上，主要的砂粒粒徑在 63-250um 之間，那么實驗面積中應(yīng)承受的一年的砂粒重量為： 6692kg/m2*y*0.0005m2 = 3.346kg/y 25 年的砂粒重量累計為： 3.346kg/y*25 = 83.65kg 以石英砂的密度為 2.65 計算（根據(jù)粒度大小，堆積密度在 1.6-1.7），25 年的累計砂粒體積為： 83.65kg ÷ 1.6 = 52L（顆粒度大小在 63-250um 的砂子） 實際上，能飛到距離地面 30cm 以上的砂只占總比例的 20%，因此，塔克拉瑪干肖塘地區(qū)和塔中地區(qū) 25 年輸沙量所需落砂實驗的標準分別為： 肖塘：52L*0.2 = 10.4L 塔中：10.4*1.98 = 20.6L 實驗結(jié)果出人意料，事實上也確實如此，在西部的眾多電站中，我還沒有聽說背板被風(fēng)沙磨傷的情況，國外某些知名的原材料廠商（大家都知道），一味的強調(diào)耐磨性而不考慮實際情況是否有必要，這是不科學(xué)也是不負責(zé)任的！ 重復(fù)落砂實驗，結(jié)果更為可信 天合光能的代表展現(xiàn)了他們在落砂方面做過的一系列研究，由于標準砂的粒徑過大，他們以碳化硅進行重復(fù)落砂實驗，碳化硅的粒徑在 180um，表面更為堅硬、鋒利，硬度指數(shù)為 9，僅次于金剛石的硬度指數(shù) 10，經(jīng)過 30L 的沖擊，也未見有磨傷，大大印證了背板在沙漠地區(qū)耐用 25 年的可靠性！

實驗標準	使用砂	粒徑	硬度	用砂量
落砂實驗	標準砂	600-850um	6-7	10L
天合方法	碳化硅	180um	9	30L 未開孔

讀者看到這里，心里也十分清楚了，落砂實驗用于背板表層在沙漠地區(qū)耐磨壽命的可行性是有的，不過，還需要根據(jù)實際情況來改善測試方法，當(dāng)然，如果能輔之于紫外、濕度、溫度等條件，那就更加貼近實際情況了。 結(jié)語 在當(dāng)前光伏危機未除，國內(nèi)外背板廠商“諸侯割據(jù)”的情況下，如何應(yīng)對新問題和新挑戰(zhàn)成為擺在國內(nèi)光伏同仁面前的一道難題，在背板國產(chǎn)化進程的大環(huán)境下，相信我們一定能打破國外原材料廠商的壟斷，未來的光伏背板，還看中國！