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《太陽能》《太陽能學報》

  創刊于1980年,

  中國科協主管

  中國可再生能源學會主辦

《太陽能》雜志社有限公司出版

《太陽能》雜志:

  Solar Energy

  CN11-1660/TK  ISSN 1003-0417

  國內發行2-165  國外發行Q286

《太陽能學報》:

  Acta Energiae Solaris Sinica

  CN11-2082/TK  ISSN 0254-0096

  國內發行2-165  國外發行Q286

详细内容

光伏組件耐極端氣候環境性能的研究綜述

      當今時代,人類活動遍布全球,若要在極端、復雜的氣候環境下開展活動,能源供給是必須克服的困難之一。而隨著傳統能源的日益枯竭,新能源已成為新的發展趨勢,其中,利用風能、太陽能發電獲取能源亦成為首選。對于大部分地區光伏發電項目的建設來說,不需要多加考慮極端氣候對光伏組件的影響。但隨著全球新能源的迅速發展,以及普通環境區域光伏發電項目的日益飽和,再加上極端環境自身豐富的新能源資源與其對新能源發展的需求,必然使光伏發電應用場合具有廣泛性。例如,隨著南極科考活動的日漸深入,各國科考團開始關注南極新能源應用問題,并積極探索高效利用新能源的方法。南極蘊含著大量新能源,新能源技術的迅猛發展使南極新能源開發成為現實,一些科考站已充分利用南極的風能與太陽能,在南極建立了以太陽能或風能為主的新能源發電站。


       但南極有著極具代表性的惡劣氣候:沿海地區的風速可達45 m/s,陸地上高達95% 的面積覆蓋著厚度約為2 km 的積雪,年均溫度為-25 ℃,最低氣溫可達到-89.6 ℃ [1],遠低于一般地區-40 ℃的極低溫度[2]。數據顯示,1994 年中山站的年總太陽輻照量為3788 MJ/m2,年紫外輻射量為214 MJ/m2 [3]。如此極低溫、強風力、高輻射的極端環境,對光伏電站的建設能力,以及其光伏發電系統中核心部件光伏組件的性能都提出了極高的要求。


       工作環境的復雜性要求光伏組件具有極高的適應惡劣環境的能力,針對組件的耐極端氣候環境性能的研究不僅能提高特定地區光伏組件的發電性能和使用壽命,還能為光伏發電的應用場合提供更多的可能性。本文綜述了極端氣候環境下引起光伏組件各組成部分失效的因素及改善措施,以期為極端惡劣氣候地區的光伏應用研究提供參考。由于目前環境的高溫在光伏組件可承受的工作溫度范圍內,所以本文僅針對極端低溫、強輻射的極端氣候環境進行分析。


1 我國氣候及太陽能資源現狀


       新能源的利用對極地科考尤為重要,特別是2019 年7 月11 日“雪龍2 號”極地考察船正式交付使用,進一步提升了我國的極地科考能力,表明極地地區對新能源的需求將進一步加大。因此,研究光伏組件在極端氣候環境的適應性是非常有必要的。


       我國地域遼闊,不同區域的氣候及太陽能資源存在較大差異。圖1 為2018年1月29日08:00~1月31日08:00的我國最低氣溫分布圖,圖2為我國太陽能資源分布圖。




       從圖中可以看出,漠河位于我國最北端,是我國氣溫最低的縣,其年均氣溫為-4.4 ℃,每年極端最低氣溫都在-38 ℃以下,并創下了我國氣象史上的極端最低氣溫-52.3 ℃;該地區的年均太陽輻照量為4200~5400 MJ/m2[4],日照時長為2377~2625 h[5]。我國高原地區冬季的極端最低氣溫很低,如青海南部、藏北平原的極端最低氣溫都平均在-17.5 ℃以下,沱沱河、清水河的極端最低氣溫更是低于-22.5 ℃ [6],并且高原地區的紫外輻射量約為漠河地區的1.3 倍。就冬季最冷時間段來說,其環境的惡劣程度與極地氣候環境相近。因此,如何解決光伏組件的耐低溫性能是在這些高寒缺電地區建設光伏電站及應用光伏發電亟需解決的關鍵問題。


2 光伏組件的結構分析


       光伏組件的基本使用壽命要求是“在戶外工作25 年后,其還能保持初始值80% 的最大輸出功率,并且還要求其可有效抵抗外力的沖擊”[7]。光伏組件主要由太陽電池、背板、光伏玻璃、封裝材料、接線盒、邊框等組成,其結構如圖3 所示。

       


       光伏組件的使用壽命和發電性能在很大程度上受環境因素,如氧氣、溫度、光照、相對濕度,以及外力沖擊等的影響。這些均是導致組件失效的主要原因,其中,背板、光伏玻璃、封裝材料等是保障光伏組件使用壽命的短板。而背板、封裝材料等對環境的依賴性較大,易受溫度和光氧老化現象的影響造成性能下降。因此,下文對光伏玻璃、封裝材料、背板分別進行分析研究。


2.1 光伏玻璃

       光伏玻璃的主要作用是保護太陽電池免遭各種惡劣因素的破壞,利用玻璃自身的高透光性盡可能使太陽電池吸收光能不受影響。光伏玻璃為鋼化玻璃,屬于無機材料,受環境影響較小,但受外力撞擊的影響較大,容易因風壓、冰雹等的撞擊而破裂。若光伏組件應用在南極地區,常年的強風與暴雪的沖擊很容易造成光伏玻璃破裂,從而導致其保護性能失效,影響光伏組件的安全性和使用壽命。玻璃密度與其抗沖擊破碎的概率成正比,可通過增加玻璃自身密度來提高其抗沖擊性能。因此,適當增加玻璃原料配方中二氧化硅的占比,減少氧化鈉和氧化鈣的含量,可有效提升鋼化玻璃的抗沖擊性,從而可有效降低極端環境下強風、暴雪等外力沖擊造成的光伏玻璃破碎的風險[8]。


       有研究表明,太陽電池的轉換效率每增加1%,發電成本就會降低7%,而光伏玻璃的透光率會影響太陽電池的轉換效率,從而其也是影響光伏組件轉換效率的重要因素[9]。光伏玻璃是一種鈉鈣玻璃,若長時間處于極端潮濕環境下其會產生水解,生成氫氧化鈉和硅酸凝膠;而氫氧化鈉會腐蝕、損壞鍍膜層,硅酸凝膠則會粘附在玻璃上,二者均會導致光伏玻璃的透光率大幅下降[10]。同時,極端氣候環境中強烈的紫外輻射會促使光伏玻璃膜層表面有機物的氧化和分解,使膜層起皺、開裂、脫落,并使玻璃表面產生彩虹斑,使光伏玻璃的透光率出現衰減。另外,透過膜層進入玻璃基底的水分子,在極端低溫時更容易結冰,這會對膜層造成損壞;極端氣候環境中的雪籽、冰雹的沖擊也會導致玻璃膜層損傷,最終導致透光率下降[11]。這些環境因素對光伏玻璃造成的失效影響,會嚴重影響光伏組件的轉換效率和使用壽命。


       資料顯示,鐵元素可使玻璃著色,降低玻璃的透光率[12],而稀土金屬氧化鈰(CeO2) 卻具備澄清劑、脫色劑和抗紫外線吸收的功能。因此在光伏玻璃的制造過程中,調整玻璃中鐵的含量,添加適量的CeO2,既能提高光伏玻璃的透光率,減少其對陽光的反射和吸收,又能降低紫外線的透過率,保護電池不受強紫外線的破壞,在有效提高光伏組件的耐紫外輻射能力的同時,還能夠提高光伏組件的使用壽命和轉換效率[13]。


2.2 封裝材料

       封裝材料的作用是將太陽電池、銅錫焊帶、背板及光伏玻璃等粘結在一起,是光伏組件的關鍵組成部分[12]。封裝材料主要有雙組分硅膠、聚乙烯醇縮丁醛樹脂(PVB)、乙烯- 醋酸乙烯酯聚合物(EVA) 膠膜等[14]。目前光伏行業應用最廣泛的是已在行業使用超過20 年的含 33% 醋酸乙烯酯的EVA 膠膜[15]。


       EVA 作為高分子材料,在強紫外線照射下極易發生脫乙烯反應,并產生乙酸與烯烴。不僅EVA 的分解速度與紫外線強度成正比,而且乙酸量的增加還會加快EVA 的老化速度[12]。光伏組件的焊帶、背板和電極也會受到乙酸的腐蝕,脫乙烯反應引起EVA 膠膜發生色變,使光伏組件由無色透明逐漸變化成黃色甚至深褐色,從而影響了組件的透光率和輸出功率,導致組件的轉換效率和使用壽命明顯下降[12,15]。


       玻璃化溫度Tg 和脆性溫度Tb 是當聚合物在低溫下力學性能發生形態突變時所對應的溫度[16]。其中,玻璃化溫度直接關系到EVA 膠膜的低溫性能,在玻璃化溫度以下,EVA 膠膜呈玻璃態,表現出一定的脆性[17]。有實驗數據表明,EVA 膠膜的玻璃化溫度為0~10 ℃ [18],在0 ℃以下時,EVA 膠膜開始逐漸喪失彈性,進入剛性狀態。EVA 膠膜的脆性溫度為-30~-50 ℃,當溫度降到脆性溫度以下時,EVA膠膜表現出脆性,少許的外力、較小的形變就會使其受到破壞[19]。


       此時的EVA 膠膜僅存在抗機械沖擊性能,一旦受到強勁風壓、冰雹或運輸等外力的沖擊,很容易發生斷裂,而封裝在其內部的太陽電池會隨之產生隱裂甚至斷裂。同時,低溫環境還會使EVA膠膜的粘結性能嚴重下降,使光伏組件發生脫層。光伏用EVA 膠膜的極性結構較弱,在強紫外線輻射下易產生降解與老化現象,在極端氣候環境下易產生低溫冷脆、隱裂、脫層現象[12]。而EVA 膠膜的穩定性能受其組成,以及耐老化劑、穩定劑、偶聯劑、交聯劑等添加劑的影響。耐老化劑可降低紫外線對EVA 膠膜的降解與變色,穩定劑可增加EVA 膠膜的化學穩定性和環境適應性,偶聯劑可增加EVA 膠膜的粘結強度,交聯劑能有效提高EVA 膠膜的體積電阻率和機械強度等[12]。因此,可通過在EVA 膠膜生產過程中添加適當比例的添加劑來提高其耐低溫性能。


2.3 背板

       光伏背板位于光伏組件的背面,主要起到保護和支撐太陽電池的作用[20]。作為用于光伏組件最外層大面積封裝的高分子材料,光伏背板是影響光伏組件使用壽命的最關鍵材料。目前光伏行業較常用的背板為TPT 背板,該背板為3 層結構,即PVF( 聚氟乙烯薄膜)-PET( 聚脂薄膜)-PVF 結構。外層PVF 具有良好的抗環境侵蝕能力,中間層PET 具有良好的絕緣性能,內層PVF 經表面處理后與EVA 膠膜具有良好的粘接性能[21]。資料顯示,PVF 與PET的脆性溫度都在-70 ℃,由于含氟材料PVF 較薄,因此其低溫性能一般可滿足極端氣候環境,而PET 在背板結構中較厚,在極端低溫下其彈性會大幅降低,導致其承受外力沖擊的能力下降,從而會產生隱裂或磨損,保護性能也會受到影響。同時,TPT 背板作為高分子材料,在強紫外輻射下,其外層保護層產生裂紋會使其中間層直接與戶外環境接觸,造成PET 產生水解及光氧老化現象,最終導致其保護性能下降[22]。


       因此,在極端氣候環境下使用的TPT 背板,除了需具備耐候性、絕緣性、水汽阻隔、耐腐蝕和耐風沙磨損等各種平衡的性能之外[23],還需加強低溫機械強度、韌性及抗老化性能,如此才可使光伏組件更長期有效的耐受極端氣候環境,保證組件的使用壽命和發電性能不受影響。


2.4 光伏組件的整體性能

       綜上所述,通過對光伏組件的光伏玻璃、封裝材料及背板的性能綜述,對極端氣候環境下會導致光伏組件失效的各種因素進行探究,結果表明:


       1) 通過調整光伏玻璃配方中二氧化硅、氧化鈉和鋼化鈣的比例,可提高光伏玻璃的耐沖擊性能,從而減少外力對光伏組件造成損傷的概率;同時,控制玻璃中鐵和CeO2 的含量,可增強光伏玻璃的透光性能,最終提高光伏組件的轉換效率。


       2)通過對封裝材料EVA膠膜采用改性技術,可降低EVA 紫外老化、低溫冷脆等失效現象的發生。


       3) 加強TPT 背板的低溫機械強度與韌性,可提高背板對光伏組件的保護性能。通過對光伏組件各組成部分失效的原因進行研究分析,并提出技術改進措施,可大幅提升各組成部分的耐候性,從而使光伏組件整體的耐極端氣候環境的性能得到進一步提升,有效降低了光伏組件在經歷極低溫、大風、暴雪、強紫外輻射等惡劣環境后老化、損壞、失效的概率,并使其可以保持高效的轉換效率。


3 結語


       本文通過對光伏組件各組成部分的性能進行綜合分析,分別介紹了光伏玻璃、封裝材料、背板的材料特性,以及從各組成部分入手如何提高光伏組件的耐極端氣候性能,為高寒地區特別是極地區域光伏發電系統的進一步應用推廣提供了一定的指導和借鑒。


上海太陽能工程技術研究中心有限公司

黃慧,馮相賽,錢峰偉

上?臻g電源研究所

楊瑰婷,韓婷婷

來源:《太陽能》雜志2020年第6期( 總第314 期)

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