光伏背板戶外典型失效與加速老化測試研究

　　中國光伏行業(yè)快速發(fā)展已將近十年，歷經(jīng)高潮和低谷。2016年光伏補貼下調(diào)之后，光伏行業(yè)亟需降本增效。在組件和電池技術(shù)創(chuàng)新面臨挑戰(zhàn)下，繼續(xù)擴大產(chǎn)能、提高良率成為了光伏企業(yè)的選擇，然而在此期間，大量未經(jīng)驗證的原材料被導(dǎo)入了光伏電站。隨著戶外使用時間的推移，很多組件在五年內(nèi)便出現(xiàn)了如功率顯著衰減、背板黃變和開裂等嚴重失效，給電站投資回報帶來了嚴重影響。其中，背板作為組件的外層保護材料，其耐久性關(guān)系到系統(tǒng)長期可靠性。近年來，大規(guī)模出現(xiàn)的聚酰胺背板開裂和PVDF背板黃變?yōu)樾袠I(yè)敲響了警鐘。

　　本文重點探討典型組件和材料早期戶外失效現(xiàn)象，并通過大量戶外和實驗室對比研究，介紹更為合理的實驗室加速老化測試方法，以更好地反映組件在戶外所承受的環(huán)境應(yīng)力，并辨別材料的差異，從而為組件和背板材料的選擇、金融和保險業(yè)評估投資回報提供參考和依據(jù)。

　　一、更加科學(xué)地計算電站成本度電成本（LCOE）

　　如今業(yè)界慣用安裝成本或者每瓦成本($/watt)來衡量光伏電站的投資成本，但是每瓦成本這一標準只反映了光伏組件初始發(fā)電效率的采購價格，而無法反映整個光伏系統(tǒng)全壽命周期的總體成本。所以每瓦成本其實是存在局限性的，它忽視了光伏系統(tǒng)的質(zhì)量和使用過程中的失效，這樣將會嚴重影響光伏投資的回報。

　　鑒于每瓦成本的局限性，業(yè)內(nèi)專家開始倡導(dǎo)以度電成本（LCOE）來衡量光伏系統(tǒng)的性能和收益。度電成本（LCOE）提供了更準確的成本和現(xiàn)金流計算方式，能反映出真實的系統(tǒng)效能，并準確評估光伏電站的投資回報，能夠幫助電站投資者更加明智的測算系統(tǒng)性價比和收益。

　　度電成本（LCOE）的計算方法

　　光伏系統(tǒng)收益率計算方法

　　從度電成本角度來講，光伏系統(tǒng)運行越久，那電力成本就越低，所以也就可以獲得更高的投資回報。經(jīng)測算，一個只能運行10年的光伏系統(tǒng)度電成本是一個能運行25年的光伏系統(tǒng)成本的兩倍。而近年來，大量未經(jīng)驗證材料的使用，使得系統(tǒng)效率衰減與組件失效問題大量出現(xiàn)，從而導(dǎo)致了度電成本的增加和投資回報的降低。因此相對于只關(guān)注組件的初期成本，電站的長期可靠性更應(yīng)該引起重視和注意。

　　二、當(dāng)前認可測試方法的局限及戶外研究的必要性

　　研究表明，與使用未經(jīng)驗證的材料相比，在背板材料中使用經(jīng)過長期戶外實驗測試的材料需要額外支付的初始信用成本是低于1%的。而通過延長使用壽命而帶來的經(jīng)濟效益，則遠遠超過使用更高品質(zhì)材料所帶來的成本的增加。所以，在光伏組件質(zhì)量良莠不齊的情況下，一個光伏系統(tǒng)的組件材料有沒有經(jīng)過戶外實驗檢測顯得尤其重要。

　　但是目前來看，認證測試仍存在很多局限性。首先，當(dāng)前的認證測試僅用來評價組件設(shè)計初期可靠性，無關(guān)耐久性和使用壽命，這就使得投資者往往無法正確評估組件及電站的使用壽命；其次，當(dāng)前的認證測試多為單項應(yīng)力測試，無法表現(xiàn)綜合與協(xié)同效應(yīng)，這使得組件沒有得到全面的檢測；另外，在當(dāng)前的組件認證測試當(dāng)中，單個組件僅需通過一項老化測試，而且多數(shù)測試都是在非通電條件下測試；最后，一些比較重要的如紫外、風(fēng)沙磨損等測試，存在標準低或缺失等問題。

　　而作為組件來說，它的封裝系統(tǒng)需要為其提供絕緣保護，組件自身需要耐受各種外部環(huán)境應(yīng)力長期化學(xué)和物理老化，而且組件內(nèi)部電池片和電路材料還需要耐受機械應(yīng)力以及內(nèi)部電場和遷移到組件內(nèi)部濕氣、氧氣、離子共同作用的電化學(xué)腐蝕。

　　光伏組件需要承受的各種應(yīng)力

　　以背板為例，作為光伏組件的一個重要材料，背板為組件提供絕緣、阻隔、耐候等作用，是太陽能電池、封裝材料與外界的一個必要屏障，它是需要長期耐受上述組件應(yīng)力的。但是由于目前認證測試的局限性，根本無法評估光伏背板的長時間性能，也就使得光伏組件長時間的可靠性成為了一個難解的問題。基于這些原因，開展光伏組價的戶外實驗研究和序列化老化測試是十分必要的。

　　三、光伏電站外觀失效檢測分析

　　在2011年，杜邦啟動一項全球性的光伏組件研究，涵蓋了不同地區(qū)及氣候范圍。研究重點為光伏電站組件的可靠性與其它影響組件完整性的因素。至2015年底，杜邦戶外組件檢測研究已經(jīng)在北美、歐洲和亞洲檢驗了超過60個光伏項目，包括了安裝時間0-30年的光伏項目，涵蓋了超過45家組件制造商的產(chǎn)品。以下是該項研究的一些結(jié)果分析。

　　目測檢驗中各組分對應(yīng)的失效比例

　　從檢測結(jié)果來看，未檢測到外觀失效的組件比例占到了59%，也就意味著還有41%的組件是存在一定外觀失效問題的。這其中電池所占的比率是24%，其次是背板，占到了9%。光伏組件中，電池和背板是最重要的兩個影響因素。

　　背板外觀失效分析

　　從背板外觀失效的組件中，按材料類型來分類，其中PVDF材料失效所占比例最高，達到58%，接下來是PET與FEVE，分別占到了30%和11%。

　　未經(jīng)戶外實績驗證的材料將顯著影響組件的失效，這些組件的失效將從三個方面影響電站，第一是造成嚴重的功率衰減，使得光伏電站的可靠性大大降低。第二，未經(jīng)戶外實績驗證的材料還會加速光伏組件的功率衰減，使得組件的耐久性減弱。第三，未經(jīng)戶外實績驗證的材料使得組件的安全性成為了一個問題，增加了電站的運行風(fēng)險以及投資風(fēng)險。

　　背板材料失效對組件的影響以及后果

　　背板材料和組件失效模式及戶外失效案例

　　不同背板材料的戶外失效模式和機理不同，比如PVDF背板常見問題為黃變、起泡、開裂；PET背板出現(xiàn)的問題主要表現(xiàn)為黃變、開裂、脫層；而FEVE則會出現(xiàn)脫層及燃燒等問題。以下是一些實際案例分析。

　　不同背板材料戶外失效類型

　　案例1聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜背板戶外大比例應(yīng)力開裂

　　該案例是位于北美的4個地面光伏系統(tǒng)，2011年安裝，戶外運行4年。該背板外層PVDF薄膜發(fā)生縱向開裂，嚴重的已經(jīng)剝落；其4個系統(tǒng)中PVDF背板發(fā)生該失效比例達到21%~85%。

　　案例2聚偏氟乙烯（PVDF）背板在各類環(huán)境均出現(xiàn)內(nèi)層發(fā)黃

　　PVDF背板的內(nèi)層發(fā)黃現(xiàn)象在多個國家均有出現(xiàn)(中國，比利時，西班牙，美國和德國等)，發(fā)生這種現(xiàn)象的組件戶外使用時間少于5年，而且發(fā)生這種現(xiàn)象的組件來自多個不同的生產(chǎn)商。背板黃變說明聚合物已發(fā)生老化降解，意味著組件存在失效和安全隱患。鑒于PVDF背板發(fā)黃現(xiàn)象的惡劣影響，有投資機構(gòu)表示，不會推薦有過發(fā)黃先例的組件廠商的產(chǎn)品。

　　案例3聚酯（PET）背板戶外4年出現(xiàn)嚴重開裂

　　該案例為安裝于西班牙的一個2.3MW的光伏電站，使用了兩種組件類型，組件在戶外使用4年，所有PET聚酯背板都沿焊帶方向出現(xiàn)開裂。調(diào)查顯示，該電站的一些組件未通過濕漏電測試，而且該電站的所有者因為無法獲得更換的組件，直接導(dǎo)致組件失效。

　　案例4聚酯（PET）背板西藏9年嚴重黃變和剝落

　　該案例是位于西藏的一個光伏電站，組件使用了9年，背板從內(nèi)層看有非常嚴重的黃變，而且PET背板空氣面嚴重粉化剝落，厚度衰減嚴重，9年減薄了21微米；并且，電池間隙處背板中間層PET分子量從19100降低至12000，發(fā)生了顯著降解。

　　案例5氟碳涂料（FEVE）背板剝落

　　該案例是位于美國新澤西州的一個400kW的光伏陣列，戶外運行3年。該電站的背板外層FEVE涂層沿焊帶剝落?？赡苡捎诤笌幍耐蛊饘?dǎo)致了更多的環(huán)境應(yīng)力富集，使得涂層附著力降低。

　　案例6聚酰胺（PA）背板大規(guī)模開裂

　　上述圖片是位于中國西部的一個光伏電站，組件安裝于2012年。在2013年檢測的時候在顯微鏡下可見微裂紋，但裂紋肉眼不可見；2016年發(fā)展為肉眼可見的大面積開裂。而另一歐洲的案例，同樣使用了PA背板材料的組件安裝于2012年，2015年檢測到微小開裂、大裂紋、脫層、水汽侵入導(dǎo)致腐蝕、漏電導(dǎo)致逆變器跳閘等問題。關(guān)于這批PA組件，它們在09年以及11年的時候進入市場，因為低廉的價格而得到了很多大廠的采用，生產(chǎn)出來的組件也都通過了權(quán)威第三方的官方認證，但是這批背板現(xiàn)在都出現(xiàn)了很大規(guī)模的開裂現(xiàn)象，這是一個非常嚴重的失效問題。

　　這也再次證明，我們目前的一些檢測與驗證是不夠的，我們需要做更多的工作，包括長期的戶外驗證以及在實驗室用更好的方法去評價組件的性能，從而避免類似問題的出現(xiàn)。

　　以上案例都是一些沒有經(jīng)過戶外測試驗證的背板材料所出現(xiàn)的問題，毫無疑問，如果電站投資商或者電站所有者能在選取組件之前就選擇經(jīng)過戶外測試驗證的材料，這些失效問題是可以在很大程度上避免的。

　　基于杜邦™ 特能® PVF薄膜的背板，是唯一擁有30年以上長期戶外實績驗證的背板材料。由于優(yōu)異的耐久性和長期的戶外實際驗證，該背板材料在使用過程中能夠有效保護光伏電池和組件長期穩(wěn)定運行。

　　自1978年起，基于杜邦™ 特能® PVF薄膜的背板已經(jīng)經(jīng)受了各類氣候的長期考驗，在世界各地都有很多成功的案例。在去年由中國可再生能源學(xué)會組織的“尋找中國最美老組件”的活動中，就在中國各地發(fā)現(xiàn)了很多使用特能® PVF 薄膜背板的組件和電力系統(tǒng)。在使用了長達十幾年、二十幾年之后，這些組件還在正常運行。實踐證明，這些組件在不同氣候條件之下都能經(jīng)受住考驗，無論是在甘肅的風(fēng)沙區(qū)域，還是在南海的濕熱區(qū)域。

　　四、序列老化測試方法

　　由上述案例分析可知，由于檢測標準的缺失或不足，背板可靠性問題值得引起人們的重視。業(yè)內(nèi)亟需一種可以準備測評光伏組件耐久性能的測試方法。理論上說，戶外實際的評測是最準確的測試方法，但是這個方法需要25年的測試周期，難以滿足快速篩選和驗證設(shè)計的要求。所以，技術(shù)專家以大量戶外實績研究數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，并結(jié)合當(dāng)前老化測試設(shè)備和技術(shù)，開發(fā)了更合理的序列老化測試方法。經(jīng)過大量的實驗研究，推薦以下序列老化測試方案。

　　方案1

　　方案1綜合考慮戶外的重要應(yīng)力，適用于背板，小組件或者大組件測試。

　　方案2

　　方案2綜合考慮了戶外的兩種重要應(yīng)力，測試時間更短，不需昂貴的紫外測試設(shè)備。適用于大組件或小組件（用PCT替代DH）測試。其中DH/TC用于評估大組件中的背板開裂，PCT/TC用于評估小組件中的背板開裂。

　　方案3

　　方案3綜合考慮紫外和降雨，是商業(yè)可用測試儀器的常用老化測試條件。其中ASTMG155或SAEJ1960中的老化測試方案適用于背板或小組件。

　　序列老化測試案例

　　經(jīng)過大量的實驗，推薦的序列老化測試方法取得了良好的效果，能準確模擬戶外失效模式，從而評測組件的長期使用性能。

　　測試效果

　　由上圖可知，按照方案1進行序列老化測試之后，PET背板組件明顯發(fā)黃、老化，同期進行測試的PVDF背板也出現(xiàn)了開裂的情況。這與之前發(fā)現(xiàn)的戶外實際結(jié)果是相吻合的，可見序列老化測試能夠準確的模擬戶外環(huán)境，有效評價背板材料的長期可靠性和耐久性。

　　五、總結(jié)

　　光伏組件耐久性是度電成本的關(guān)鍵。25年使用壽命是確保投資回報的前提條件，而背板是組件的重要組成部分。但是由于耐久性測試行業(yè)標準不足等原因，大量未經(jīng)驗證材料的導(dǎo)入使得光伏電站質(zhì)量問題不斷，戶外實證研究已發(fā)現(xiàn)大量未經(jīng)實績驗證背板材料的失效案例。但是目前的各類測試并不足以反映組件真正的性能。

　　目前，組件的質(zhì)量問題已經(jīng)對光伏行業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展形成了阻礙。對于組件購買者以及光伏系統(tǒng)投資者來說，只有通過選擇優(yōu)質(zhì)的組件材料，才能降低風(fēng)險，確保投資回報；對于組件生產(chǎn)商來說，應(yīng)該考慮的是什么樣的材料才能保證組件正常使用25年。而作為光伏產(chǎn)業(yè)的一份子，業(yè)內(nèi)人士則應(yīng)該共建一個重視品質(zhì)，管控風(fēng)險，并且具有良性循環(huán)的光伏發(fā)展環(huán)境。