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導(dǎo)讀： 本文重點(diǎn)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(shí)驗(yàn)室對比研究，介紹更為合理的實(shí)驗(yàn)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(xiǎn)業(yè)評估投資回報(bào)提供參考和依據(jù)。

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(bǔ)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(kuò)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(yàn)證的原材料被導(dǎo)入了光伏電站。隨著戶外使用時(shí)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(yán)重失效，給電站投資回報(bào)帶來了嚴(yán)重影響。其中，背板作為組件的外層保護(hù)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)室對比研究，介紹更為合理的實(shí)驗(yàn)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(xiǎn)業(yè)評估投資回報(bào)提供參考和依據(jù)。

一、更加科學(xué)地計(jì)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(biāo)準(zhǔn)只反映了光伏組件初始發(fā)電效率的采購價(jià)格，而無法反映整個(gè)光伏系統(tǒng)全壽命周期的總體成本。所以每瓦成本其實(shí)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(huì)嚴(yán)重影響光伏投資的回報(bào)。

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(zhǔn)確的成本和現(xiàn)金流計(jì)算方式，能反映出真實(shí)的系統(tǒng)效能，并準(zhǔn)確評估光伏電站的投資回報(bào)，能夠幫助電站投資者更加明智的測算系統(tǒng)性價(jià)比和收益。


從度電成本角度來講，光伏系統(tǒng)運(yùn)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(bào)。經(jīng)測算，一個(gè)只能運(yùn)行10年的光伏系統(tǒng)度電成本是一個(gè)能運(yùn)行25年的光伏系統(tǒng)成本的兩倍。而近年來，大量未經(jīng)驗(yàn)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(bào)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(rèn)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(yàn)證的材料相比，在背板材料中使用經(jīng)過長期戶外實(shí)驗(yàn)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(jì)效益，則遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(gè)光伏系統(tǒng)的組件材料有沒有經(jīng)過戶外實(shí)驗(yàn)檢測顯得尤其重要。

但是目前來看，認(rèn)證測試仍存在很多局限性。首先，當(dāng)前的認(rèn)證測試僅用來評價(jià)組件設(shè)計(jì)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(rèn)證測試多為單項(xiàng)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(rèn)證測試當(dāng)中，單個(gè)組件僅需通過一項(xiàng)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(biāo)準(zhǔn)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(hù)，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(jī)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。


以背板為例，作為光伏組件的一個(gè)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(gè)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(rèn)證測試的局限性，根本無法評估光伏背板的長時(shí)間性能，也就使得光伏組件長時(shí)間的可靠性成為了一個(gè)難解的問題?；谶@些原因，開展光伏組價(jià)的戶外實(shí)驗(yàn)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(dòng)一項(xiàng)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(diǎn)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(yàn)了超過60個(gè)光伏項(xiàng)目，包括了安裝時(shí)間0-30年的光伏項(xiàng)目，涵蓋了超過45家組件制造商的產(chǎn)品。以下是該項(xiàng)研究的一些結(jié)果分析。



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(gè)影響因素。


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(dá)到58%，接下來是PET與FEVE，分別占到了30%和11%。


未經(jīng)戶外實(shí)績驗(yàn)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(gè)方面影響電站，第一是造成嚴(yán)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(shí)績驗(yàn)證的材料還會(huì)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(shí)績驗(yàn)證的材料使得組件的安全性成為了一個(gè)問題，增加了電站的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)以及投資風(fēng)險(xiǎn)。


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(jī)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(huì)出現(xiàn)脫層及燃燒等問題。以下是一些實(shí)際案例分析。


案例1：聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜背板戶外大比例應(yīng)力開裂


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

案例3：聚酯（PET）背板戶外4年出現(xiàn)嚴(yán)重開裂

案例4：聚酯（PET）背板西藏9年嚴(yán)重黃變和剝落

案例5：氟碳涂料（FEVE）背板剝落

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(gè)光伏電站，組件安裝于2012年。在2013年檢測的時(shí)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(shí)候進(jìn)入市場，因?yàn)榈土膬r(jià)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(rèn)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(gè)非常嚴(yán)重的失效問題。

這也再次證明，我們目前的一些檢測與驗(yàn)證是不夠的，我們需要做更多的工作，包括長期的戶外驗(yàn)證以及在實(shí)驗(yàn)室用更好的方法去評價(jià)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(yàn)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(yàn)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(shí)績驗(yàn)證的背板材料。由于優(yōu)異的耐久性和長期的戶外實(shí)際驗(yàn)證，該背板材料在使用過程中能夠有效保護(hù)光伏電池和組件長期穩(wěn)定運(yùn)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(yàn)，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(huì)組織的“尋找中國最美老組件”的活動(dòng)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(dá)十幾年、二十幾年之后，這些組件還在正常運(yùn)行。實(shí)踐證明，這些組件在不同氣候條件之下都能經(jīng)受住考驗(yàn)，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(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)備測評光伏組件耐久性能的測試方法。理論上說，戶外實(shí)際的評測是最準(zhǔn)確的測試方法，但是這個(gè)方法需要25年的測試周期，難以滿足快速篩選和驗(yàn)證設(shè)計(jì)的要求。所以，技術(shù)專家以大量戶外實(shí)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(shí)驗(yàn)研究，推薦以下序列老化測試方案。

方案1：


方案2：


方案3：


序列老化測試案例

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


由上圖可知，按照方案1進(jìn)行序列老化測試之后，PET背板組件明顯發(fā)黃、老化，同期進(jìn)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(shí)際結(jié)果是相吻合的，可見序列老化測試能夠準(zhǔn)確的模擬戶外環(huán)境，有效評價(jià)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(bào)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(biāo)準(zhǔn)不足等原因，大量未經(jīng)驗(yàn)證材料的導(dǎo)入使得光伏電站質(zhì)量問題不斷，戶外實(shí)證研究已發(fā)現(xiàn)大量未經(jīng)實(shí)績驗(yàn)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(xiǎn)，確保投資回報(bào)；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(gè)重視品質(zhì)，管控風(fēng)險(xiǎn)，并且具有良性循環(huán)的光伏發(fā)展環(huán)境。