揭秘不同气候环境下光伏组件的“惊人变化”

2015年，中国太阳能光伏发电累计并网容量达到4158万千瓦，超越德国成为世界光伏第一应用大国。幅员辽阔的中国成为理想的光伏电站建设地，但中国气候类型多样，包括大面积的严苛气候类型如荒漠、高原和热带等，这些地区不同的气候条件对光伏电站的建设及发电系统形成很大挑战。
 

组件是光伏发电系统重要的组成设备之一，其质量决定电站的长期发电量。现阶段，人们主要通过实验室检测来了解组件和材料的性能，但测试设备难以模拟户外各种复杂气候条件以提出更恰当的检测标准。在诸多不足的背景下，最具代表性和参考意义的性能数据只能通过检测光伏组件在户外使用下的实际性能获得。
 

2011年，杜邦光伏解决方案启动了一项全球性的户外光伏组件研究项目，涵盖不同地区及气候范围，重点研究组件可靠性及其它影响组件完整性的问题。2011-2014年，该研究共涵盖全球60多个光伏发电装置，项目规模从1kW至20MW，累计规模达200MW以上。
 

所有研究组件中41%存在外观失效，详细失效分类可见图1。其中，24%的失效来自于电池，包括热斑(通过红外成像仪识别)、连接处的烧痕和裂痕(通过蜗牛纹识别)。背板失效比占到9%，是组件除电池以外失效比例最高的部件。背板作为保护层，其耐久性不足导致的电池性能降低和功率衰减增加则会直接损害投资收益。同时，背板关系到组件的绝缘和耐久性，因此掌握组件在国内各类型气候下运行和材料失效情况，将最大程度地降低组件在不同恶劣环境下所带来的发电损失。

实验室检测主要侧重对太阳能组件材料的化学和物理变化的分析，而户外电站检测主要侧重视觉失效统计。随着太阳能产业的重心从“设计制造”阶段转移至系统的运营和维护，功率输出、安全性能和外观失效日益成为决定光伏系统价值的关键性标识。根据研究显示，所有确认的失效都涉及到光伏组件四大主要零部件中的一个或多个：前板、封装材料、电池/连接电路和背板(见表1)。

为了对不同典型气候类型和使用年限的组件做深入调查和研究，国内光伏行业专家和杜邦公司专业技术人员走访了12个省份，检测了20多个光伏系统和电站、累计约210MW的光伏组件。研究发现，不同气候地区光伏组件的衰减和材料老化有一定差异和规律，尤其对于拥有亚热、热带和温带等不同气候类型，及荒漠干旱、高原、沿海等多个地理特征的中国而言(如表2)，其影响更加明显。
 

青海、新疆、内蒙古和宁夏等西、北部地区，是近年国内光伏电站建设集中地，这些地区光照资源充足，土地价格低廉，方便集中管理。但该地区气候环境严苛，具体表现为干旱少雨，年太阳辐照量超过5500MJ/m2，冬夏及昼夜温差较大，且部分地区地表沙化严重。
 

对于耐候性差的背板如聚酯(PET)和单层聚偏氟乙烯(PVDF)背板，变色发黄是一种常见的外观失效。在欧洲、北美和日本等地区多种气候类型下(包括温和气候)都报道过大量的相关失效案例。在我国也有很多此类背板发黄的案例。

图2是宁夏使用4年的组件，使用的是单层PVDF背板(PVDF薄膜/聚酯PET/粘接E层)，背板内层显著黄变，超过50%的同类型组件和背板存在类似问题。背板变色发黄是一种常见的外观失效，根据现场IV测试结果显示：黄变组件的平均功率衰减为11%左右，显著高于户外使用4年组件功率衰减不超过5%的要求。

还有些在西部风沙活动频繁地区使用的光伏组件，因其背板材料耐磨性差，厚度低，涂层被风沙磨损，背板内层PET很快直接曝露于苛刻大气环境中，在使用不到两年时间里即加速老化失效，如图3。

西藏是中国太阳辐射能最多的地方，阳光直射比例大，年际变化小，大部分地区年日照时间达3100～3400小时。以拉萨地区为例，年太阳辐照剂量达7600MJ/m2，组件正面年紫外辐照剂量超过100kWh/m2。该地区组件的典型外观失效主要表现为封装材料变色、栅线变色、背板黄变脆化和剥落。图4是在西藏使用9年的组件，该组件使用的背板材料由空气面向内依次为：白色聚酯PET/透明聚酯PET/粘接E层。该组件背板内层严重发黄，在电池片间隙位置，由于背板内外两层都受到紫外照射，背板外层白色聚酯PET层几乎全部剥落。

海南是我国典型的热带湿热气候地区，年平均气温22~27℃，年平均湿度超过80%。湿热气候地区具有高温、高湿和强紫外等环境特点，对组件中的电池栅线、焊带、EVA、背板等材料有显著影响，在海南使用的光伏组件普遍存在电池栅线和焊带腐蚀、封装材料变色等问题(如图5)，该电站由多个4块组件的独立系统组成，其系统无一例外存在电池片、银栅线和焊带腐蚀问题，户外功率测试设备已测不出电流和组件剩余功率。

另外，从电池片间隙可看到，封装材料EVA黄变严重;部分区域还存在电池片和封装材料脱层现象，在接线盒部位由于水汽通过背面玻璃打孔处导致封装材料严重脱层。这些双玻组件使用铝边框封边，仍不能阻止水汽进入组件及封装材料的老化和电池部件的腐蚀。
 

沿海地区尤其是在近海和易积水的滩涂地区，空气湿度较大，年均超过70%。水汽和盐雾腐蚀是主要的环境老化因素。图6(a)是在江苏沿海某地运行4年的光伏组件典型失效照片。

经过长期的侵蚀，铝边框和硅胶密封部分失效，导致水汽进入组件。图6(b)和图6(c)是PVDF背板内层起泡和脱层，据随机片区抽样统计，起泡脱层组件比例约为6.2%。根据现场IV测试结果显示，有PVDF背板脱层组件的功率衰减达到11%～14.7%。
 

不同气候类型的环境老化应力水平和种类不同，组件材料失效出现的时间和类型有差异也有类似规律。背板作为光伏组件的关键封装材料，对组件的耐久性、性能和使用寿命具有重要影响。多项研究表明，基于特能®(Tedlar®)PVF薄膜的背板在各种气候环境都得到了广泛的25年甚至30年实绩验证;而一些其它背板材料在户外短期内即出现了明显的老化或失效现象，有些还导致了组件功率加速衰减和安全隐患。
 

光伏系统的长期可靠性和性能很大一部分取决于其使用的材料。基于度电成本(LCOE)的最优系统价值的实现是依靠组件按预期运营，从而提供稳定功率输出和较长的使用寿命。专家建议，在项目开始阶段明确使用经长期户外实绩验证的高质量材料，有助于确保光伏组件于整个系统使用周期内的使用寿命和发电性能，帮助降低终端用户的发电成本，从而实现甚至超出项目预期的财务回报。