“指尖的光伏”之光伏组件用背板落砂实验浅析

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。
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。（参考文献：新疆师范大学硕士论文《塔克拉玛干沙漠沙粒形貌特征分析》，作者：赵聪敏）



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！

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！