IT工程師數位筆記本

中國光伏行業快速發展已將近十年，歷經高潮和低谷。2016年光伏補貼下調之后，光伏行業亟需降本增效。在組件和電池技術創新面臨挑戰的情況下，繼續擴大產能、提高良率成為了光伏企業的選擇。然而，在此期間，大量未經驗證的原材料被導入了光伏電站。隨著戶外使用時間的推移，很多組件在五年內便出現了如功率顯著衰減、背板黃變和開裂等嚴重失效，給電站投資回報帶來了嚴重影響。其中，背板作為組件的外層保護材料，其耐久性關系到系統的長期可靠性。近年來，大規模出現的聚酰胺背板開裂和PVDF背板黃變為行業敲響了警鐘。

小編希望通過此文重點探討典型組件和材料早期戶外失效現象，并通過大量戶外和實驗室對比研究，介紹更為合理的實驗室加速老化測試方法，以更好地反映組件在戶外所承受的環境應力，并辨別材料的差異，從而為組件和背板材料的選擇、金融和保險業評估投資回報提供參考和依據。 

更加科學地計算電站成本——度電成本（LCOE）

如今業界慣用安裝成本或者每瓦成本($/watt)來衡量光伏電站的投資成本，但是每瓦成本這一標準只反映了光伏組件初始發電效率的采購價格，而無法反映整個光伏系統全壽命周期的總體成本。所以，每瓦成本其實是存在局限性的，它忽視了光伏系統的質量和使用過程中的失效，這樣將會嚴重影響光伏投資的回報。

鑒于每瓦成本的局限性，業內專家開始倡導以度電成本（LCOE）來衡量光伏系統的性能和收益。度電成本（LCOE）提供了更準確的成本和現金流計算方式，能反映出真實的系統效能，并準確評估光伏電站的投資回報，能夠幫助電站投資者更加明智地測算系統性價比和收益。

度電成本（LCOE）的計算方法

光伏系統收益率計算方法

從度電成本的角度來講，光伏系統運行越久，那電力成本就越低，所以也就可以獲得更高的投資回報。經測算，一個只能運行10年的光伏系統度電成本是一個能運行25年的光伏系統成本的2倍。而近年來，大量未經驗證材料的使用使得系統效率衰減與組件失效問題大量出現，從而導致了度電成本的增加和投資回報的降低。因此，相對于只關注組件的初期成本，電站的長期可靠性更應該引起重視和注意。 

當前認可測試方法局限  需進行戶外研究

研究表明，與使用未經驗證的材料相比，在背板材料中使用經過長期戶外實驗測試的材料需要額外支付的初始信用成本是低于1%的。而通過延長使用壽命而帶來的經濟效益，則遠遠超過使用更高品質材料所帶來的成本增加。所以，在光伏組件質量良莠不齊的情況下，一個光伏系統的組件材料有沒有經過戶外實驗檢測顯得尤其重要。

但是目前來看，認證測試仍存在很多局限性。首先，當前的認證測試僅用來評價組件設計初期的可靠性，無關耐久性和使用壽命，這就使得投資者往往無法正確評估組件及電站的使用壽命；其次，當前的認證測試多為單項應力測試，無法表現綜合與協同效應，這使得組件沒有得到全面的檢測；再次，在當前的組件認證測試當中，單個組件僅需通過一項老化測試，而且多數測試都是在非通電條件下測試；最后，一些比較重要的如紫外、風沙磨損等測試，存在標準低或缺失等問題。

而作為組件來說，它的封裝系統需要為其提供絕緣保護，組件自身需要耐受各種外部環境應力長期化學和物理老化，而且組件內部電池片和電路材料還需要耐受機械應力以及內部電場和遷移到組件內部濕氣、氧氣、離子共同作用的電化學腐蝕。

光伏組件需要承受的各種應力

以背板為例，作為光伏組件的一個重要材料，背板為組件提供絕緣、阻隔、耐候等作用，是太陽能電池、封裝材料與外界的一個必要屏障，它是需要長期耐受上述組件應力的。但是由于目前認證測試的局限性，根本無法評估光伏背板的長時間性能，也就使得光伏組件長時間的可靠性成為了一個難解的問題。基于這些原因，開展光伏組件的戶外實驗研究和序列化老化測試是十分必要的。 

近半光伏電站有一定的外觀失效

2011年，杜邦啟動了一項全球性的光伏組件研究，涵蓋了不同地區及氣候范圍。研究重點為光伏電站組件的可靠性與其它影響組件完整性的因素。至2015年底，杜邦戶外組件檢測研究已經在北美、歐洲和亞洲檢驗了超過60個光伏項目，包括了安裝時間0-30年的光伏項目，涵蓋了超過45家組件制造商的產品。以下是該項研究的一些結果分析。

目測檢驗中各組分對應的失效比例

從檢測結果來看，未檢測到外觀失效的組件比例占到了59%，也就意味著還有41%的組件是存在一定外觀失效問題的。這其中，電池所占的比率是24%，其次是背板，占到了9%。光伏組件中，電池和背板是最重要的兩個影響因素。

背板外觀失效分析

從背板外觀失效的組件中，按材料類型來分類，其中，PVDF材料失效所占比例最高，達到58%，接下來是PET與FEVE，分別占到了30%和11%。

未經戶外實績驗證的材料將顯著影響組件的失效，這些組件的失效將從三個方面影響電站，第一是造成嚴重的功率衰減，使得光伏電站的可靠性大大降低。第二，未經戶外實績驗證的材料還會加速光伏組件的功率衰減，使得組件的耐久性減弱。第三，未經戶外實績驗證的材料使得組件的安全性成為了一個問題，增加了電站的運行風險以及投資風險。

背板材料失效對組件的影響以及后果

背板材料和組件失效模式及戶外失效案例

不同背板材料的戶外失效模式和機理不同，比如：PVDF背板常見問題為黃變、起泡、開裂；PET背板出現的問題主要表現為黃變、開裂、脫層；而FEVE則會出現脫層及燃燒等問題。以下是一些實際案例分析。

不同背板材料戶外失效類型

案例1：聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜背板戶外大比例應力開裂

該案例是位于北美的4個地面光伏系統，2011年安裝，戶外運行4年。該背板外層PVDF薄膜發生縱向開裂，嚴重的已經剝落；其4個系統中PVDF背板發生該失效的比例達到21%~85%。

案例2：聚偏氟乙烯（PVDF）背板在各類環境均出現內層發黃

PVDF背板的內層發黃現象在多個國家均有出現(中國、比利時、西班牙、美國和德國等)。發生這種現象的組件戶外使用時間少于5年，而且發生這種現象的組件來自多個不同的生產商。背板黃變說明聚合物已發生老化降解，意味著組件存在失效和安全隱患。鑒于PVDF背板發黃現象的惡劣影響，有投資機構表示，不會推薦有過發黃先例的組件廠商的產品。 

案例3：聚酯（PET）背板戶外4年出現嚴重開裂

該案例為安裝于西班牙的一個2.3MW的光伏電站，使用了兩種組件類型，組件在戶外使用4年，所有PET聚酯背板都沿焊帶方向出現開裂。調查顯示，該電站的一些組件未通過濕漏電測試，而且該電站的所有者因為無法獲得更換的組件，直接導致組件失效。

案例4：聚酯（PET）背板西藏9年嚴重黃變和剝落

該案例是位于西藏的一個光伏電站，組件使用了9年，背板從內層看有非常嚴重的黃變，而且PET背板空氣面嚴重粉化剝落，厚度衰減嚴重，9年減薄了21微米；并且，電池間隙處背板中間層PET分子量從19100降低至12000，發生了顯著降解。

案例5：氟碳涂料（FEVE）背板剝落

該案例是位于美國新澤西州的一個400kW的光伏陣列，戶外運行3年。該電站的背板外層FEVE涂層沿焊帶剝落。可能由于焊帶處的凸起導致了更多的環境應力富集，使得涂層附著力降低。

案例6：聚酰胺（PA）背板大規模開裂

上述圖片是位于中國西部的一個光伏電站，組件安裝于2012年。在2013年檢測的時候在顯微鏡下可見微裂紋，但裂紋肉眼不可見；2016年發展為肉眼可見的大面積開裂。而另一歐洲的案例，同樣使用了PA背板材料的組件，安裝于2012年，2015年檢測到微小開裂、大裂紋、脫層、水汽侵入導致腐蝕、漏電導致逆變器跳閘等問題。關于這批PA組件，它們在2009年以及2011年的時候進入市場，因為低廉的價格而得到了很多大廠的采用，生產出來的組件也都通過了權威第三方的官方認證，但是這批背板現在都出現了很大規模的開裂現象，這是一個非常嚴重的失效問題。

這也再次證明，我們目前的一些檢測與驗證是不夠的，我們需要做更多的工作，包括長期的戶外驗證以及在實驗室用更好的方法去評價組件的性能，從而避免類似問題的出現。

以上案例都是一些沒有經過戶外測試驗證的背板材料所出現的問題。毫無疑問，如果電站投資商或者電站所有者能在選取組件之前就選擇經過戶外測試驗證的材料，這些失效問題是可以在很大程度上避免的。

基于杜邦™特能® PVF薄膜的背板，是唯一擁有30年以上長期戶外實績驗證的背板材料。由于優異的耐久性和長期的戶外實際驗證，該背板材料在使用過程中能夠有效保護光伏電池和組件的長期穩定運行。

自1978年起，基于杜邦™ 特能® PVF薄膜的背板已經經受了各類氣候的長期考驗，在世界各地都有很多成功的案例。在去年由中國可再生能源學會組織的“尋找中國最美老組件”的活動中，就在中國各地發現了很多使用特能® PVF薄膜背板的組件和電力系統，在使用了長達十幾年、二十幾年之后，這些組件還在正常運行。實踐證明，這些組件在不同氣候條件之下都能經受住考驗，無論是在甘肅的風沙區域，還是在南海的濕熱區域。

更合理的序列老化測試方法

由上述案例分析可知，由于檢測標準的缺失或不足，背板可靠性問題值得引起人們的重視。業內亟需一種可以準備測評光伏組件耐久性能的測試方法。理論上說，戶外實際的評測是最準確的測試方法，但是這個方法需要25年的測試周期，難以滿足快速篩選和驗證設計的要求。所以，技術專家以大量戶外實績研究數據為基礎，并結合當前老化測試設備和技術，開發了更合理的序列老化測試方法。經過大量的實驗研究，推薦以下序列老化測試方案。

方案1：

方案1綜合考慮戶外的重要應力，適用于背板、小組件或者大組件測試。

方案2：

方案2綜合考慮了戶外的兩種重要應力，測試時間更短，不需昂貴的紫外測試設備。適用于大組件或小組件（用PCT替代DH）測試。其中，DH/TC用于評估大組件中的背板開裂，PCT/TC用于評估小組件中的背板開裂。

方案3：

方案3綜合考慮紫外和降雨，是商業可用測試儀器的常用老化測試條件。其中，ASTMG155或SAEJ1960中的老化測試方案背板或小組件。

序列老化測試案例

經過大量的實驗，推薦的序列老化測試方法取得了良好的效果，能準確模擬戶外失效模式，從而評測組件的長期使用性能。

測試效果

由上圖可知，按照方案1進行序列老化測試之后，PET背板組件明顯發黃、老化，同期進行測試的PVDF背板也出現了開裂的情況。這與之前發現的戶外實際結果是相吻合的，可見序列老化測試能夠準確地模擬戶外環境，有效評價背板材料的長期可靠性和耐久性。

總結：要選擇優質的組件材料

光伏組件耐久性是度電成本的關鍵。25年使用壽命是確保投資回報的前提條件，而背板是組件的重要組成部分。但是由于耐久性測試行業標準不足等原因，大量未經驗證材料的導入使得光伏電站質量問題不斷，戶外實證研究已發現大量未經實績驗證背板材料的失效案例。但是目前的各類測試并不足以反映組件真正的性能。

目前，組件的質量問題已經對光伏行業的健康可持續發展形成了阻礙。對于組件購買者以及光伏系統投資者來說，只有通過選擇優質的組件材料，才能降低風險，確保投資回報。對于組件生產商來說，應該考慮的是什么樣的材料才能保證組件正常使用25年。作為光伏產業的一份子，希望業內人士能共建一個重視品質、管控風險并且具有良性循環的光伏發展環境。

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