邵嘉 分布式光伏应用与材料选择

,材料是关键 分布式光伏应用与材料选择 Aug 04, 2016,组件材料需要长期耐受各类环境应力,,紫外线,高温,玻璃,接线盒,内部电场,EVA封装胶膜 电池片 EVA封装胶膜,背板,,,,,,紫外线,湿气,大气污染物,物理磨损,冷热应力,机械载荷,背板为组件提供外层绝缘保护，同时阻隔水汽对组件内部材料的腐蚀背板直接暴露在空气中，需要长期耐受紫外线/高温/冷热应力/机械磨损,分布式光伏屋顶应用及性能要求,,,组件购买主要考量因素 组件质量 可靠性和耐久性 质保 发电量 电气安全和保护 组件效率 服务 价格,分布式光伏屋顶应用需关注质量,组件存在的性能问题 组件失效 热斑 电气保护失效 功率衰减过快 电势差衰减 PID,EuPD针对国外屋顶市场的安装商和组件销售人员的调查结果表明 安装商认为组件存在一些质量问题，需要改善 安装商和组件销售人员都认为组件质量，发电量和安全性的重要性超过价格,平均发电成本LCOE是衡量综合成本的最好标准,5,System Efficiency System Life Insolation Annual Degradation Shading Low-light performance Component failures,Modules BoS OM Financing,系统成本 组件成本 建置成本 运维成本 LCOE 总电力输出 使用寿命*组件年均电力输出*系统效率,杜邦全球性光伏组件研究,背板开裂,蜗牛纹,EVA发黄,焊带腐蚀,背板发黄, 研究重点为可靠性与其它影响组件完整性的问题 现场检查超过60个光伏系统，地点覆盖北美，欧洲和亚太，时间跨度从新建系统到服役30年系统 过去3年在实验室分析检测了400多片户外的光伏组件 观察和表征了超过30多种户外衰减和失效模式,Alex Bradley博士 在2011年，杜邦启动一项全球性的光伏组件研究，涵盖不同地区及气候范围。研究重点为可靠性与其它影响组件完整性的问题。,杜邦户外组件研究项目,目测检验中各组分对应的失效比例,IEEE PVSC New Orleans, 2015, A. Bradley et al,已经在北美、欧洲和亚洲检验了超过60个光伏项目 安装时间 0-30年 涵盖了超过 45 家组件制造商的产品,41的所检查的组件存在外观缺陷， 上述发现与 BP 和 SunPower 的数据相符,8,正面,背面,日本屋顶组件,组件细节 单晶组件，共12片 户外暴露15年 1998-2013 背板材料 PET 安装细节 安装在商业建筑金属波纹屋顶 屋顶到组件背面距离为15厘米外观观察 背板出现黄变，最严重区域为组件阵列边缘，紫外线加速背板边缘老化 背板外层开裂变脆,屋顶应用中, 组件背面存在紫外线反射会加速背板材料光热老化导致其失效,PET聚酯背板,9,在硅电池片之间,在硅电池片上,,,14块阵列组件中取12块测量黄度值 b* 每块组件中取53处测量黄度值b* 背板的整体黄变归因于紫外照射或各种应力综合老化 热,紫外线等 阵列内部也高度黄变 b* 值为 13-20 最严重的黄变出现在紫外照射剂量最高的边缘处 b* 值达到27,未测量 接线盒位置,,Source Modules provided by AIST; DuPont analysis,测量位置,12块组件的黄变值 b*测量,光热老化导致屋顶组件背板发黄开裂,外层PET材料分子量从17,700下降到12,600，PET分子链严重降解断裂。,屋顶安装无法避免背板材料在強紫外及高溫下的加速老化,,通过IEC认证测试并不代表 背板材料能耐25年户外光热老化,地面反射至背板采用12的紫外光反射率 **UVA 70 ◦ C, BPT 340nm, 1.2W/m-nm 340nm, 65 W/m, 250-400nm, continuous, no condensation ***IEC 15 kWh 70 days, so implied annual value is 78.2 kWh, M. Koehl, “Indoor and Outdoor Weathering of PV Modules”, Proc of SPIE Vol 7048 704806-4, 2008 M. Kempe, Ultraviolet light test and evaluation methods for encapsulants of photovoltaic modules, Sol.Energy Mater.Sol.Cells, 94 2010 246–253., “Weathering of Plastics Testing to Mirror Real Life Performance”, George Wypych, p17 1999, R. Chadysiene and A. Girgzdys, “Ultraviolet Radiation Albedo of Natural Surfaces”, J. Env, Eng. Land. Mgmnt,, 162 83-88 2008,不同气候条件紫外线剂量,,,,,,,,,,光热老化行业标准远不及户外实际要求,Source Creep in Photovoltailc Modules Examining the Stability of Polymeric Materials and Components 2010 35th IEEE Photovoltaic Specialists Conference PVSC ’10 Honolulu David C. Miller, Michael Krempe, Stephen Glick and Sarah Kurtz Viridian Solar – January 2014,屋顶集成BIPV,屋顶附着BAPV,平面屋顶,,,15C,15C,地面安装,环境温度,,10C,屋顶组件工作环境温度高，加速材料老化,分布式屋顶组件承受更高的温度挑战,Source Modules provided by AIST; DuPont analysis,美国沙漠, 2年,,西班牙, 屋顶安装2年,FEVE涂料背板热斑燃烧,PVDF背板热斑开裂,组件热斑导致背板失效案例,国内光伏电站，2年,屋顶组件温度高，严重热斑会导致一些背板开裂、绝缘失效、水汽渗透和功率加速衰减,13,*小组件测试 UVA 70C BPT, 65W/m2 250 - 400nm, no water TC -40C, 85C, 200 cycles per IEC 61215,湿热1000小时紫外1000小时冷热循环200次*,,,美国光伏电站，3年,组件热应力导致背板表层开裂和脱落,屋顶组件温度高、冷热应力大，易导致一些背板表层开裂 绝缘失效、水汽渗透和功率加速衰减,Source Kazuhiko Kato, PV Module Failures Observed in the Field - Solder Bond and Bypass Diode Failures, AIST, Japan, presented at Tokyo QA Forum, 2011.,Source Fabrice Didier, EU PVSEC – Investors day, September 26th, 2012.,分布式屋顶组件火灾隐患,缺乏耐候性和可靠性的材料, 会导致组件和系统的失效, 比如功率下降甚至火灾等安全事故 采用高质量材料，包括电路设计以及可靠的背板材料对于组件的安全和长期的电力输出至关重要,分布式屋顶双玻组件功率全无，电池腐蚀严重,海南，19年,source 户外23年晶硅组件分析，董娴，沈辉，中山大学太阳能系统研究所,湿热环境 - EVA封装材料发黄，紫外阻隔性能下降,紫外线,可见光,海南， 23年,EVA封装材料老化导致透光率下降和释放醋酸腐蚀,EVA封装材料透光率,双玻组件在阵风动态载荷下电池片开裂风险大,六夹具条件下组件变形 静态载荷, 5400Pa,六夹具条件下组件变形 动态载荷, 2400Pa, 26.484Hz,最大变形 10.48 毫米,最大变形 34.41 毫米,note 双玻组件 2.5mm玻璃/0.4mm EVA/0.2mm单晶电池片/0.4mm EVA/2.5mm玻璃，1684mm*996mm无框组件，24kg source 1. Comparative Study on Static and Dynamic Analyses of an Ultra-thin Double-Glazing PV Module Based on FEM, Jinzhi Dong et. al, Energy Procedia 75 2015 343-348 2. Wind Loads on Utility Scale Solar PV Power Plants， Joseph H. Cain, P.E., Principal Civil Engineer, Sun Edison, 2015 SEAOC CONVENTION PROCEEDINGS,风洞实验证明风引起的组件振动通常发生在较高的自然频率13Hz，而不是ASCE7（美国建筑荷载规范）认为的1Hz** IEC 62782动态机械载荷实验采用的频率较低13 cycle/min，不能反映组件在真实条件下的振动变形情况 双玻组件在一些自然共振频率下由于动态机械载荷产生的形变和应力显著增大，会发生电池片和玻璃开裂甚至组件完全结构失效的风险 由于风载荷幅度和频率的随机性，应当高度关注光伏组件在动态机械载荷下的性能，以保证其安全性和生命周期内的稳定性,1982年安装, 30年户外应用 瑞士 10 kW 基于特能 Tedlar PVF的背板 0.4 年功率衰减,基于杜邦™ 特能 PVF薄膜的背板 应用于欧洲首个上网屋顶光伏系统,18,University of Applied Sciences and Arts of Southern Switzerland SUPSI,,,,户外15年 , 93.0 功率,,户外23年, 93.9 功率,户外23年 , 86.9功率,2,3,7,4,5,1,户外20 年, 92.3 功率,户外17 years, 86.7 功率,户外27 年, 90 功率,户外11年, 92.5 功率,6,8,户外18年 , 88.2 功率,9,荒漠/ 高原,,,,,,,,,亚热带/ 热带,大陆性气候,0.33,0.66,0.47,0.78,0.39,0.27,0.68,0.57,中国最美老组件,户外14年,基于杜邦™ 特能 PVF薄膜的背板 为云南林场提供稳定、可持续的电力输出,中国云南石屏县牛达林场火情监控站,90年代后期安装，约20年户外应用 亚湿热气候带 太阳辐射很丰富B 级地区 基于特能 Tedlar PVF的背板 年功率衰减约0.7（户外功率测试仪）,Source DuPont, various,基于杜邦TM 特能 PVF薄膜的背板 是唯一拥有30年以上长期户外实绩验证的背板材料,自1978年起，基于杜邦™ 特能 PVF薄膜的背板就开始使用在光伏组件中,光伏组件25年质保要求,PET 聚酯,PVDF,尼龙,耐水解 PET,FEVE 涂料,背板需要长期承受各类环境应力 屋顶安装无法避免背板材料在強紫外及高溫下的加速老化 屋顶组件温度高、冷热应力大，易导致一些背板表层开裂、绝缘失效、水汽渗透和功率加速衰减 长期户外曝晒是对组件材料的终极检验 户外研究发现很多背板材料失效案例 背板材料最常出现的户外失效有变色、开裂、脱层 基于特能 PVF薄膜的背板保障组件功率长期稳定输出 唯一超过30年户外实绩验证 适应各种气候，长期保护组件,总结,材料是关键TM,,,photovoltaics.dupont.com.cn,,Copyright 2014 DuPont or its affiliates. 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