太阳电池背板主要分为含氟背板和不含氟背板两大类,其中含氟背板根据其含氟结构又可分为氟薄膜(如 PVF、PVDF 等)和氟涂层(如改性PTFE、FEVE 等)。无论是氟薄膜还是氟涂层,都需要保证太阳电池组件在户外使用 25 年,因此,背板在户外直接与环境大面积接触时,需要具备卓越的耐长期老化性能,包括湿热、干热、紫外、风沙冲击等等,本文从光伏组件用背板耐落砂冲击实验说起,告诉你真正的户外环境是怎样的?
我们知道,IEC 的标准中并没有提到光伏组件耐风沙冲击的相关要求,并不等于说组件厂商不需要关注这项指标,以中国新疆塔克拉玛干沙漠为例,年均输沙量在数吨,沙漠中心地区年均输沙量甚至高达数十吨,在这种情况下,如果再不对其进行研究,想必电站业主也不放心吧。
现在,越来越多的组件厂商开始关注背板耐风沙冲击的性能,在第九届 CSPV 论坛上,天合光能的代表也对其进行了分析。由于 IEC 中没有相关标准,天合以 ASTM D968-93 为准,研究了砂子对背板外层的影响,消除了大家的疑惑,同时也对真正的户外情况进行深入分析,让与会代表有了更深入的了解。后期如果还碰到 IEC 中没有规定相应标准的情况,希望业界同仁共同努力,进行更合理,更科学的实验,得到更可靠、更令人信服的结果。
背板空气面落砂实验
实验准备:实验前,先检查从导管下端落下的砂流,用底部调整螺钉使装置从中心直至从护卫 90° 的两个位置上观察时,砂束的内心正好落在砂流的中心位置上为止。实验采用的标准石英砂粒径规格在 600-850um(其中粒径小于 600um 的不超过 5%,大于 850um 的不超过 15%),一次倒入量以 2000mL±10mL 数量为宜,流出速度为 21-23.5s 内流出2L。
图 1 落砂耐磨仪器结构示意图
操作步骤:在每块试块上标出 1 个圆形区域,该区域即为冲击面积,约 0.0005 平米(直径约 25mm),将试板固定在试验器上。调整试板使其标出的圆形区域正好在导管的中心的下方,将一定体积的标准砂灌注到漏斗中,打开开关,使砂通过导管,撞击到样板上。安装在试验器底部的容器收集落下的砂。重复上述操作,直到耐 UV 层破坏,有 4mm 直径的区域露出底材,快接近终点时,可以在漏斗中加 200mL±2mL 的砂。
结果计算:按公式计算待测样品的耐磨性:A=V/T
式中:A 耐磨性,单位为升每微米(L/um)
V 磨料使用量,单位为升(L)
T 耐 UV 层厚度,单位为微米(um)
结果取两次平行测定的算术平均值,保留一位小数。
我们选取了两家背板厂商的背板做了上述实验,分别记为 A 和 B,结果如下表所示。
背板厂商空气面厚度砂子用量实验前 / 实验后
A25um约 50L
B30um约 190L
我们发现,A 背板在 55L 落砂实验后表面耐 UV 层被完全磨损,而 B 背板在 190L 落砂实验后,表面耐 UV 层依然存在。意味着 B 背板比 A 背板更好吗?
真正的户外环境是怎样的?
砂的移动有三种形态:滚动、跳动和浮游。滚动是跳动着的砂粒由于碰撞而在地表移动的现象,一般粒径超过500um 的砂会产生这种现象,但此类砂不会飞舞。另一种情况是跳动,这是沙漠特有的现象,这类砂粒粒径在 100-500um,由于风等原因被举起后落下,这是唯一会对背板产生影响的现象。最后一种是浮游,在有风的情况下,可以移动到沙漠以外的地域,北方一些城市的雾霾天气与它有关,该类砂粒粒径小于 100um。
图 2 砂粒粒径与运动状态
根据武藏工业大学环境情报学院教授吉崎真司的研究,在沙漠表面的砂粒中,只有 10-20% 的砂子飞在地表面 30cm 以上,实际上,西部地区很多电站,其组件离地高度都在 30cm 以上,这样一来,空气中飞舞的砂子将更少。另外,还有一个发现,在砂径为 75-500um 的砂分布着的沙漠中,在地表 20cm 中采取砂粒,占比最高的砂径在 150-210um。
我们以中国塔克拉玛干沙漠为例,选取肖塘和塔中两个地区,分别用梯度集沙仪于沙尘暴条件下进行沙样采集,两个地区的砂粒分布情况如下图所示。
图 3 塔克拉玛干肖塘站,梯度集沙仪 2011 年 4 月 29 日沙尘暴采集沙洋
图 4 塔克拉玛干塔中西站,梯度集沙仪 2011 年 3 月 21-22 日沙尘暴采集沙样
看到这里,读者可能已经产生疑惑了,按照 ASTM D968-93 的标准,砂粒粒径在 600-850um,而上图中显示,600-850um的砂粒占比几乎为零,这又是什么原因?
还原真实情况,估算组件寿命
在风沙理论研究与防沙实践中,输沙量是一个重要的物理量和极其有用的工程参数,它表示地表一定高度范围内的输沙总量,是区域风沙活动强度的最直接表征。在塔克拉玛干沙漠,不同地区年输沙量不一,差异很大,例如上文提到的肖塘输沙量仅相当于塔中的一半。
图 5 塔克拉玛干沙漠年输沙量统计
既然如此,我们就来计算一下,光伏背板究竟需要怎么的耐磨性才能满足组件 25 年的使用寿命,还是以肖塘和塔中为例,假设组件安装于地面 30cm 以上,主要的砂粒粒径在 63-250um 之间,那么实验面积中应承受的一年的砂粒重量为:
6692kg/m2*y*0.0005m2 = 3.346kg/y
25 年的砂粒重量累计为:
3.346kg/y*25 = 83.65kg
以石英砂的密度为 2.65 计算(根据粒度大小,堆积密度在 1.6-1.7),25 年的累计砂粒体积为:
83.65kg ÷ 1.6 = 52L(颗粒度大小在 63-250um 的砂子)
实际上,能飞到距离地面 30cm 以上的砂只占总比例的 20%,因此,塔克拉玛干肖塘地区和塔中地区 25 年输沙量所需落砂实验的标准分别为:
肖塘:52L*0.2 = 10.4L
塔中:10.4*1.98 = 20.6L
实验结果出人意料,事实上也确实如此,在西部的众多电站中,我还没有听说背板被风沙磨伤的情况,国外某些知名的原材料厂商(大家都知道),一味的强调耐磨性而不考虑实际情况是否有必要,这是不科学也是不负责任的!
重复落砂实验,结果更为可信
天合光能的代表展现了他们在落砂方面做过的一系列研究,由于标准砂的粒径过大,他们以碳化硅进行重复落砂实验,碳化硅的粒径在 180um,表面更为坚硬、锋利,硬度指数为 9,仅次于金刚石的硬度指数 10,经过 30L 的冲击,也未见有磨伤,大大印证了背板在沙漠地区耐用 25 年的可靠性!
实验标准使用砂粒径硬度用砂量
落砂实验标准砂600-850um6-710L
天合方法碳化硅180um930L 未开孔
读者看到这里,心里也十分清楚了,落砂实验用于背板表层在沙漠地区耐磨寿命的可行性是有的,不过,还需要根据实际情况来改善测试方法,当然,如果能辅之于紫外、湿度、温度等条件,那就更加贴近实际情况了。
结语
在当前光伏危机未除,国内外背板厂商“诸侯割据”的情况下,如何应对新问题和新挑战成为摆在国内光伏同仁面前的一道难题,在背板国产化进程的大环境下,相信我们一定能打破国外原材料厂商的垄断,未来的光伏背板,还看中国!
来源:solarzoom
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