光伏氟膜质量调查与研究-卢佳妍

光伏氟膜 质量调查与研究 国家太阳光伏产品质量监督检验中心 2018.11.9 西安 Design by CPVT 目录 一、项目背景介绍 二、测试样品及项目 三、测试结果与分析 Design by CPVT 四 、户外实证匹配 一、 项目背景介绍 “ 531” 新政策之后，加速了 技术革新和各部件材料国产化的进 程。大量国产光伏氟膜涌入市场。 光伏氟膜的优劣直接影响组件的使 用寿命。在此背景下， 受工信部和 央企集团的 委托，我中心对市场上 的光伏氟膜 进行系列的质量调查， 及时公布产品状况，提出改进建议， 提高 行业整体水平。 Design by CPVT Design by CPVT 二、 测试样品及项目 进口 PVF膜 1款 ，编号 为 1# 国产 PVDF膜 11款 ，编号 为 2#-12# 厚度、 氟 含量（燃烧瓶 滴定 法）、灰分含量（ TGA法 ）、 砂尘 试 验、氧气透过率、透光率（紫外波段）和反射率（电池片响应波 段） 。 基础性能 耐老化性能 耐老化性能测试项目包括：紫外高温高湿（ 75kwh， 500h）、湿冻 HF20、紫外 +热循环（ 1cycle）、耐氨气试验。 注：老化试验后测试氟膜拉伸强度及断裂伸长率，考察其力学性能的保持率。 三、 测试结果与分析 -厚度 编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 标称厚度 μm 30 25 20 35 16 18 20 22.5 25 48 20 30 厚度 μm 32 26 21 34 18 22 24 26 28 50 21 32 参照 GB/T 13542.2-2009中方法进行测试，测试工具为满足标准要 求的测厚仪，测试结果显示（ 如 表所示），目前市场上提供的大多 数国产氟膜（ PVDF）和进口膜（ PVF）均为正公差。满足大多数 业主的需求。 Design by CPVT 27.08 38.66 42.36 48.48 37.97 37.44 38.22 37.27 38.2 38.48 46.59 46.97 38.79 0 10 20 30 40 50 60 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 氟含量（ %） 样品编号 氟 膜是确保含氟背板材料 25年使用寿命的重要保障，而氟树脂（氟含量）搭建的材料框 架是确保氟膜品质的关键。图 中是 12款氟膜材料的氟含量测试结果，通过氟含量测试可以发 现，选取的国内 11款氟膜中大多数 PVDF含量小于 40%，仅有 4款 PVDF含量高于 40%。 1#进 口氟膜 PVF含量是 27.08%，由于 PVF分子机构与 PVDF比有天然的劣势，所以材料中氟含量 较低。现按照经验公式将材料中 PVF换算至 PVDF含量 ， 27.08%✖ 0.590.41=38.97%，即 1# 样品中 PVDF含量为 38.97%，与大多数国产 PVDF膜 一 样未能到达 40%。 三、 测试结果与分析 -氟含量（燃烧瓶滴定法） Design by CPVT 24.006 13.112 14 7.58 12.346 12.52 12.861 13.027 13.144 12.288 9.177 9.736 0 5 10 15 20 25 30 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 灰分含量（ %） 样品编号 图 中是 12款氟膜材料灰分含量测试 结果。氟膜材料中经过高温燃烧后的灰分 残留物一般认为是无机的钛白粉 （ TiO2）。 TiO2由于粒径小，活性大，既 能反射、散射紫外线，又能吸收紫外线， 从而对紫外线有更强的阻隔能力，保证氟 膜材料长期有效工作，保护 PET和胶水不 受紫外线破坏而失效。所以钛白粉含量是 氟膜材料的一个重要指标。 1#样品的钛 白粉含量远高于其他产品，达到了 24.006%。国产氟膜（ PVDF）钛白粉含 量普遍在 12%-14%之间，而氟含量较高 的 4#、 11#和 12#样品钛白粉含量较低。 三、 测试结果与分析 -灰分（ TGA法） Design by CPVT 81 110 96 225 63 70 79 104 162 280 72 152 0 50 100 150 200 250 300 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 砂尘量 （ L） 样品编号 厚度 砂 尘 试验是考评氟膜材料耐磨性能最简单而有效的手段，耐磨性能的高低直接影响到氟 膜材料在西部地区抵御风沙的能力。所以，大多数终端要求氟膜材料拥有优秀的耐磨性能。 图 中是 12款氟膜材料 砂尘试验的 测试数据， 砂尘 量越高，材料耐磨性能越优秀。国产 PVDF膜 砂尘 量较进口 PVF膜 砂尘 量要高，说明国产 PVDF膜耐磨性能较优秀，这与材料的属性还是有 一定关系。比较国产 PVDF膜 砂尘 量和厚度的数据可以发现，氟膜材料的厚度直接影响到氟膜 材料的耐磨性能，材料越厚的氟膜，耐磨性能越优秀。相同厚度下的氟膜，不同样品间也存 在较大差异，说明企业可以通过改进工艺、改进配方来提高 PVDF膜的耐磨能力。 三、 测试结果与分析 -砂尘试验 Design by CPVT 6.07 42.97 56.81 13.24 111 91 83 34.65 25.98 6.56 57.21 21.17 0 20 40 60 80 100 120 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 透氧率（ L/μ m） 样品编号 图 中是 12款氟膜材料单位厚 度氧气透过率测试数据。数据表 明： 1、材料越厚的氟膜，阻隔氧 气透过的能力越强； 2、进口 PVF 膜单位面积透氧率在相同厚度的情 况下，明显低于国产 PVDF膜，具 有较高的阻隔氧气透过的能力（比 较相同厚度样品 1#和 4#）。 3、国 产 PVDF膜在增加厚度的情况下可 以做到与进口 PVF膜一样的阻隔能 力。 三、 测试结果与分析 -氧气透过率 Design by CPVT 0.004754 0.016949 0.012485 0.040421 0.009671 0.016426 0.018694 0.015822 0.01275 0.001957 0.01395 0.014055 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 紫外波段透过率（ %） 样品编号 图 中是 12款氟膜材料紫外波段透过率测试数据。数据表明： 1、国产 PVDF膜和进口 PVF膜均有较好的紫外波段阻隔能力，紫外线透过率很低； 2、进口 PVF膜紫外线阻隔能力 还优于国产 PVDF膜。 3、紫外线阻隔能力与氟膜厚度有明显关系，国产 PVDF膜在增加厚 度的情况下可以做到比进口 PVF膜还要强的紫外线阻隔能力。 透光率和反射率测试设备选用 PE 公司紫外、可见光分光光度计 三、 测试结果与分析 -紫外波段透过率 Design by CPVT 62.42 70.68 71.06 64.91 62.42 66.91 67.89 68.6 71.97 78.86 66.6 70.66 30 40 50 60 70 80 90 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 反射率（ %） 样品编号 图 中是 12款氟膜材料可见光波段 反射率测试数据。数据表明： 1、国产 PVDF膜在反射率上较进口 PVF膜表现 优异，大多数产品的反射率均在 70%左 右； 2、反射率最高的是标称厚度为 48μm的国产 PVDF膜。 三、 测试结果与分析 -反射率（电池片响应波段） Design by CPVT 三、 测试结果与分析 -紫外高温高湿（ 75kwh， 500h） 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 拉伸强度保持率 MD 83 126 81 99 113 105 86 86 100 92 98 95 拉伸强度保持率 TD 82 124 106 102 140 135 95 111 124 110 105 114 断裂伸长率保持率 MD 70 30 97 89 80 80 59 67 78 66 92 89 断裂伸长率保持率 TD 76 24 54 14 16 14 11 18 15 13 5 38 0 20 40 60 80 100 120 140 160 保持率（ %） Design by CPVT 在实验室条件下模拟材 料实际使用环境，在紫外辐 照和湿热条件的双重作用 下，老化后机械性能的保持 力差距较为明显，厚度较大 的样品保持力相对高一些。 三、 测试结果与分析 -湿冻 HF20 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 拉伸强度保持率 MD 116 119 85 106 108 108 101 96 105 103 98 94 拉伸强度保持率 TD 109 118 104 108 123 122 121 115 116 115 105 111 断裂伸长率保持率 MD 95 60 96 58 110 89 72 70 79 73 83 126 断裂伸长率保持率 TD 90 42 48 12 63 55 53 88 62 63 7 67 0 20 40 60 80 100 120 140 保持率（ %） Design by CPVT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 断裂伸长率保持率 TD 80 57 48 12 59 53 41 66 48 46 5 42 断裂伸长率保持率 MD 90 56 103 77 74 74 64 64 67 67 58 97 拉伸强度保持率 TD 95 119 90 106 117 121 117 104 104 135 100 107 拉伸强度保持率 MD 93 120 76 102 105 99 99 100 110 110 85 108 0 50 100 150 200 250 300 350 400 保持率（ %） 湿 冻 HF 20 紫 外+ 热 循 环 （ 1cy cle ） 三、 测试结果与分析 -耐氨气试验 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 断裂伸长率保持率 TD 85 53 61 14 75 75 61 65 101 72 7 52 断裂伸长率保持率 MD 90 49 76 59 99 83 84 70 79 76 77 86 拉伸强度保持率 TD 82 90 72 90 93 97 87 85 115 86 91 88 拉伸强度保持率 MD 87 94 64 90 95 92 82 76 95 84 75 90 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 保持率（ %） Design by CPVT 氨气腐蚀试验后氟膜材料机械性能的保持能力相较其他老化试验差距相对较小。 注：后期追加紫外 +湿冻、加倍老化等实验室老化测试 三、 测试结果与分析 -基础性能评分 氟含量 （ 20分） 灰分含量（ 20 分） 反射率（ 15 分） 单位厚度 砂尘 （ L/μm ）（ 15 分） 紫外透光率 （ 15分） 单位厚度 透氧量 （ L/μm ） （ 15分） 评 分 标 准 X＞ 40wt%， 20分； 40wt%≥X≥ 35wt%， 10分； X＜ 35wt%,5分。 X＞ 20wt%， 20分； 20wt%≥X≥10w t%， 10分； X ＜ 10wt%， 5 分。 X＞ 70%， 15 分； 70%≥X≥65%， 10分； X＜ 65%,5分。 X＞ 4.5L/μm， 15分； 4.5L/μm≥X≥4L/ μm， 10分； X ＜ 4L/μm,5分。 X＜ 0.005%， 15分； 0.01%≥X≥0.00 5%， 10分； X ＞ 0.01%， 5分。 X＜ 30， 15 分； 60≥X≥30， 10分； X＞ 60， 5 分。 基础性能的 满分 为 100分。其中涉及氟膜材料使用寿命和阻隔紫 外线能力的物料成分分值安排为氟含量 20分，灰分含量 20分。其余 各项均为 15分。各项评分标准如表所示。 Design by CPVT 三、 测试结果与分析 -基础性能评分 Design by CPVT 编号 氟含量 灰分含量 反射率 单位 厚度砂尘 紫外透 光率 单位厚 度 透 氧 量 厚度 总分 1 10 20 5 5 15 15 32 70 2 10 10 10 10 5 10 26 55 3 20 10 15 15 5 10 21 75 4 20 5 5 15 5 15 34 65 5 10 10 5 5 10 5 18 45 6 10 10 10 5 5 5 22 45 7 10 10 10 5 5 5 24 45 8 10 10 10 5 5 10 26 50 9 10 10 15 15 5 15 28 70 10 10 10 15 15 15 15 50 80 11 20 5 10 5 5 10 21 55 12 20 5 15 15 5 15 32 75 三、 测试结果与分析 -耐老化性能评分 紫外高温高湿 75kwh， 500h 湿冻 20cycle UV+TC 1cycle 耐氨气 28d 拉伸强度 保持率 断裂伸长 率保持率 拉伸强度保 持率 断裂伸长率 保持率 拉伸强度保持 率 断裂伸长率 保持率 拉伸强度 保持率 断裂伸长 率保持率 X≥90% ， 7.5； 70%≤X ＜ 90%， 5； 40≤X ＜ 70%， 3； X＜ 40%， 1 X≥80% ， 7.5； 80%＜ X≤60% ， 5 ； 40≤X ＜ 60%， 3 ； X＜ 40%， 1 X≥90% ， 7.5 ； 70%≤X ＜ 90%， 5； 40≤X ＜ 70% ， 3； X＜ 40%， 1 X≥80% ， 7.5 80%＜ X≤60% ， 5； 40≤X ＜ 60% ， 3； X＜ 40%， 1 X≥90% ， 7.5 ； 70%≤X ＜ 90%， 5； 40≤X ＜ 70%， 3； X＜ 40%， 1 X≥80% ， 7.5 ； 80%＜ X≤60% ， 5； 40≤X ＜ 60% ， 3； X＜ 40%， 1 X≥90% ， 7.5； 70%≤X ＜ 90%， 5； 40≤X ＜ 70%， 3； X＜ 40%， 1 X≥80% ， 7.5； 80%＜ X≤60% ， 5 ； 40≤X ＜ 60%， 3 ； X＜ 40%， 1 耐老化性能的 满分为 100分。其中紫外高温高湿试验 30分，湿冻 20cycle试验 30 分。其余各项均为 20分。试验后各项性能每个方向上的保持率评分标准如表所示。 Design by CPVT 三、 测试结果与分析 -耐老化性能评分 编号 紫外高温高湿 75kwh， 500h 湿冻 20cycle UV+TC 1cycle 耐氨气 28d 总分 拉伸强度 保持率 断裂伸长率 保持率 拉伸强度 保持率 断裂伸长率 保持率 拉伸强度 保持率 断裂伸长率 保持率 拉伸强度保 持率 断裂伸长率 保持率 100 1 10 10 15 15 10 10 8 10 88 2 15 2 15 8 10 6 10 6 72 3 12.5 10.5 12.5 10.5 9 8 7 8 78 4 15 8.5 15 4 10 4 9 4 69.5 5 15 8.5 15 12.5 10 7 10 9 87 6 15 8.5 15 10.5 10 7 10 9 85 7 12.5 4 15 8 10 7 8 8 72.5 8 12.5 6 15 12.5 10 8 8 8 80 9 15 6 15 10 10 7 10 9 82 10 15 4 15 10 8 7 8 8 75 11 15 8.5 15 8.5 9 4 9 5 74 12 15 8.5 15 12.5 10 8 9 8 86 Design by CPVT 三、 测试结果与分析 -综合评分 根据目前已结束的测试项目结果可初步得到： •国产 PVDF膜质量水平已经 接近 进口 PVF膜，部分国产 PVDF膜 的基础性 能优异。 •国产 PVDF膜随着 厚度 的增加 ，性能有比较明显的提高，氟膜厚度依旧是企业在采购过程中关 注的重点。 氟膜质量总体分数（基础性能占 40%，老化性能占 60%） 编号 基础性能 40% 老化性能 60% 总体评分（满分 100） 1 70 88 81 2 55 72 65 3 75 78 77 4 65 69.5 68 5 45 87 70 6 45 85 69 7 45 72.5 61 8 50 80 68 9 70 82 77 10 80 75 77 11 55 74 66 12 75 86 81 Design by CPVT 注：氟 膜质量测试与实证目前 进行至中期阶段，尚未完结。排名会根据实时测试情况滚动更新。 北纬 38° 36’56.7 7 东经 106° 0’52.2 7 CPVT银川实证基地 基地位于宁夏回族自治区银川市贺兰山东 麓 , 配套设施齐全，环境优美。 Design by CPVT 四 、户外实证匹配 Design by CPVT 自然光光谱 Spectral 紫外分量 UV 辐照强度 Irradiance 自然资源 优势 Solar Condition Advantage 四 、户外实证匹配 Design by CPVT 银川地区的自然光光谱与 AM1.5对比图 光谱匹配损失 ↓ 通常 规定，紫外线指数 (UVI)范围为 0-15，经长期观察监测，银川地区全年 紫外线指数大于 7（强、很强）的级别共 占约 70%， 其中出现大于 9（ 很强）的天 数超过 50%。 紫外累计分量 ↑ 注：数据来源 -宁夏气象局地面紫外线辐射观测资料 四 、户外实证匹配 Design by CPVT 基准辐 射 站 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 总和 倾斜角 24° 52.6 118.2 142.8 131.8 204 182.3 190.8 159.2 151.2 116.1 26.8 25.27 1501.1 34° 61.1 132.3 153.1 135.5 203.1 179 188.5 160.6 159.2 128.5 30.9 30.38 1562.2 44° 65.7 139.9 157.2 134.9 196.4 171.3 181.5 157.2 161.1 134.5 33.2 33.58 1566.5 54° 70.8 146.6 159.5 132.1 186.4 160.5 170.9 151 160.6 138.9 35.4 36.68 1549.4 64° 74.5 150.5 158.2 126.1 170.8 145 155.7 140.9 156.7 141.1 37 39.43 1495.9 74° 74.6 147.7 151.5 117.4 154.5 129.3 139.3 128.5 147.3 136.6 36.5 39.58 1402.8 84° 73.5 143.1 141.7 105.3 131.6 108 117.2 111.5 134.2 129.9 35.6 39.76 1271.4 2017年银川基地各角度辐射能量总和表 单位： kWh/m2 各个 角度一年的总辐照量基本都在 1200kWh/m2以上，针对光伏产品户外测试 的综合环境要求，在银川进行测试可利用时间窗口更多，采集效率更高 。 四 、户外实证匹配 Design by CPVT 环境优势 Environmental Advantages 温度 1 湿度 2 降水 3 云量 4 风速 5 风沙 6 降雪 7 四 、户外实证匹配 Design by CPVT 6 8 10 12 14 16 银川累年月平均气温日较差 无锡累年月平均气温日较差 -10 0 10 20 30 银川累年月平均气温 无锡累年月平均气温 银川 地区温度差异性大 ，多样的极 端天气条件更适合材料的衰减 及老化测 试，测试项目完成周期更短，效果更 好。 四 、户外实证匹配 Design by CPVT 银川每个月的累年月极大风速均显著高于无 锡同期 。 银川基地能很好的模拟西北地区电站的 环境，更真实的电站条件， 对材料本身也是耐磨 性考察，实验室测试与实证结合的紧密度更高。 0 5 10 15 20 25 30 35 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 银川 无锡 累 计 月 极 大 风 速 （m/s ） 四 、户外实证匹配 Design by CPVT 四 、户外实证匹配 日期 组件日平均温 度 ℃ 累计辐照度 kWh/㎡ 累计发电量 kWh 2017.9.1 22.8 1.642 3.172 2017.9.2 23.8 1.790 3.234 2017.9.3 23.8 1.234 2.366 2017.9.4 18.9 0.756 1.508 2017.9.5 24.3 0.863 1.619 2017.9.6 38.8 1.196 2.110 2017.9.7 42.1 4.124 7.024 2017.9.8 20.2 0.431 0.786 2017.9.9 17.7 0.791 1.431 2017.9.10 33.5 6.470 11.597 2017.9.12 28.8 0.639 1.106 2017.9.13 21.5 2.403 4.514 2017.9.14 21.5 2.403 4.514 2017.9.15 30.8 4.092 7.858 2017.9.18 30.5 4.052 7.881 2017.9.19 29.7 4.315 7.858 2017.9.20 31.3 6.162 10.712 2017.9.21 21.3 2.283 4.209 2017.9.22 28.3 6.508 12.227 2017.9.23 23.7 2.434 4.518 2017.9.24 23.6 1.395 2.716 2017.9.25 21.9 3.671 6.092 2017.9.26 17.2 1.858 3.618 2017.9.27 23.9 3.398 6.452 2017.9.28 15.2 1.883 3.639 2017.9.29 28.2 5.609 10.634 2017.9.30 28.9 1.678 3.470 2018.9.3典型气象数据 Design by CPVT 组件户外两年后，功率衰减曲线 背板氟膜耐久性实验室模拟测试 —— 实证比对 四 、户外实证匹配 Design by CPVT THANKS 谢谢聆听