高湿度环境下不同背板对光伏组件寿命的影响

  • 2020年07月29日
  • 作者: Haidan Gong、Yiwei Guo和Minge Gao

    Haidan Gong、Yiwei Guo和Minge Gao

    Haidan Gong、Yiwei Guo和Minge Gao,无锡尚德光伏测试中心

    无锡尚德光伏测试中心

图一:水和氧气渗透到组件内部

图一:水和氧气渗透到组件内部

表一:使用不同WVTR背板的组件

表一:使用不同WVTR背板的组件

图二:DH实验后采用不同背板的组件功率衰减情况

图二:DH实验后采用不同背板的组件功率衰减情况

图三:功率衰减 vs. 背板的WVTR

图三:功率衰减 vs. 背板的WVTR

表二:采用不同背板的组件在DH后的EL图

表二:采用不同背板的组件在DH后的EL图

图四:DH测试过后使用不同EVA的组件功率衰减情况

图四:DH测试过后使用不同EVA的组件功率衰减情况

图五:DH测试过后使用不同EVA的组件EL成像图

图五:DH测试过后使用不同EVA的组件EL成像图

Hallberg-Peck模型方程如图

Hallberg-Peck模型方程如图

图六:安装在东南亚的组件实际PR衰退结果

图六:安装在东南亚的组件实际PR衰退结果

表三:来自东南亚光伏电站的组件在AAA级别脉冲太阳能模拟器下的输出功率

表三:来自东南亚光伏电站的组件在AAA级别脉冲太阳能模拟器下的输出功率

表四:来自仓库的光伏组件在AAA级别脉冲太阳能模拟器下的输出功率

表四:来自仓库的光伏组件在AAA级别脉冲太阳能模拟器下的输出功率

图七,左:在高湿地区工作8年后的组件;右:DH2,000小时后的组件;

图七,左:在高湿地区工作8年后的组件;右:DH2,000小时后的组件;

图八:来自电站现场和DH后的组件的EVA FTIR光谱

图八:来自电站现场和DH后的组件的EVA FTIR光谱

图九:安装在A岛的组件实际PR衰减

图九:安装在A岛的组件实际PR衰减

图十:安装在A 岛6年后的组件

图十:安装在A 岛6年后的组件

表五:安装在岛A的组件在AAA级别脉冲太阳能模拟器下的输出功率

表五:安装在岛A的组件在AAA级别脉冲太阳能模拟器下的输出功率

表六:来自海岛B的组件实际输出能量

表六:来自海岛B的组件实际输出能量

图十一:在热带海岛B运行4年后的组件

图十一:在热带海岛B运行4年后的组件

表七:在热带地区的失效激活能

表七:在热带地区的失效激活能

组件寿命|在温暖潮湿的环境下,不同类型的光伏背板为组件提供了不同程度的保护。无锡尚德光伏测试中心的Haidan Gong、Yiwei Guo和Minge Gao详细介绍了其目前的研究成果,以更好地了解不同背板材料在热带条件下的表现。

乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)和聚合物背板作为最常用的封装材料,通过保护组件避免受到外界环境侵蚀,成为确保组件性能非常重要的一环。尽管已经固化,但当EVA暴露在高温和潮湿环境中时,仍会发生水解,从而形成乙酸。其他文献[1,2]也研究了组件在湿热条件下的失效机理。醋酸与氧化铅反应生成醋酸铅,导致组件功率下降。大多数聚合物背板不能完全阻止水进入组件。

因此,在高湿度环境下,背板的水汽透过率(WVTR)对组件的功率退化有重要影响。过去,有两种不同的观点。一种是采用低WVTR的背板,尽可能阻止水分进入,抑制EVA的水解反应。另一种方法是采用可呼吸的背板,这意味着水可以很容易地进入背板,而且醋酸气体也可以很容易地从组件中释放出来。

目前,对热带地区背板的WVTR选择还没有明确的结论。大多数研究都集中在背板本身的寿命上,很少关注背板的阻水性能对组件寿命的影响。本文从三个方面进行了探讨:采用不同WVTR的背板的组件性能、采用不同VA含量的EVA的组件性能以及湿热加速老化与高湿环境应用的关系。

实验部分

使用了四种商用背板,包括:玻璃(背板1)、KPO(背板2)、CPC(背板3)和PPf(背板4)。采用4种不同背板材料的硅基光伏组件都是使用相同工艺制造的。另外,还生产了一个没有背板的特殊组件用作参考。按照IEC 61215标准的规定,首先对组件进行初始稳定化,然后将组件暴露在85℃的环境温度和85%的相对湿度下。接下来每1000小时测试一次组件的电气性能。

这里采用两种不同VA含量(28%和32%)的EVA。VA含量是用NaOH化学滴定法测定的。另外用thermal Fisher Nicolet-iS50装置测量FTIR光谱。

结果与讨论

使用不同WVTR背板的组件性能

外部环境因素,如水和氧气,通常可以渗透背板进入组件,如图一所示。如前所述,组件中的水分会导致电池被腐蚀。因此,背板的透湿性能对组件的可靠性和寿命有重要影响。

在这里,5组组件是在相同的条件下生产的(如表一所示)。A~D组采用4种不同WVTR的背板,E组为无背板的特殊组件,即水蒸气完全进入背板,醋酸气体也容易从组件中释放。

这些组件经历了长达4000小时的湿热老化测试后,组件功率损耗如图二所示。显然,随着湿热测试时间的增加,采用不同背板的组件表现出了不同的功率。在潮湿环境中,DH 4000h后,背板WVTR范围为0-4.0g/m2.d(A组至d组)的组件功率衰减随WVTR的增加呈线性增加(如图三所示)。完全阻水的组件(背板A)显示出微小的功率损失,因为这些组件防止了醋酸对电池的腐蚀。湿热老化后的EL图也展示在了表二上。电池和焊带腐蚀情况影响着功率衰减。

有趣的是,没有背板的组件(E组)显示出了较低功率退化,在3000小时DH测试后几乎没有观察到电池或焊带腐蚀。但4000h后,这些组件出现了较大的功率退化和明显的电池和焊带腐蚀。对于没有背板的组件,在DH测试的前3000小时,EVA的水解反应主要发生在组件的背面,醋酸气体也容易从组件中释放出来。但在DH测试的最后1000小时,水蒸气渗入电池并进入组件的前侧,前侧EVA的水解反应是不可避免的,且乙酸气体不能轻易地通过电池释放。

不同VA含量EVA对组件性能的影响

VA含量也是影响EVA质量的关键值。此外,酯基在潮湿的环境中会水解。在组件中使用28%和32%VA含量的EVA,以查看它们在潮湿环境中的性能。如图四所示,在DH 2000h之后,使用高VA含量EVA的组件表现出更高的功率退化和更严重的电池和焊带腐蚀。在图五中,VA含量较高的组件在湿热后表现出更多的电池腐蚀。此结果与图四中的功率衰减结果相对应。

湿热加速老化与高湿应用环境的关系

在自然环境中,温度、湿度和光照是影响组件可靠性和寿命的三个主要因素。

为了预测产品在实际应用中的寿命,我们使用了几种加速老化模型,其中最著名的是Arrhenius模型。在高湿度环境中,温度和湿度是组件老化的主要因素。结合温度和湿度因素,Hallberg-Peck模型[3]通常用于预测高湿度环境中的老化过程。Hallberg-Peck模型方程如图所示:

T_u-1/T_t))………eq1

AF:加速因子

Ea:该失效模式的激活能

K: 玻尔兹曼常数

Tu:使用时的绝对温度

Tt:试验时的绝对温度

RHu:使用时的相对湿度

RHt:试验时的相对湿度

超过寿命时间=预期寿命/AF…eq2

在Hallberg-Peck模型中,超过寿命时间与应用领域的温度和湿度以及组件失效模式的激活能有关。组件失效激活能是该模型的关键参数,通常是一个经验值。下面通过三个实例计算了该失效模式的激活能。

案例1:2012年3月在东南亚安装的组件;平均环境温度28.2℃,平均相对湿度61.8%。

如图六所示,运行仅8年后,整个光伏电站的PR呈现出较高的退化水平,接近理论上25年的退化。在AAA级脉冲太阳模拟器下,从光伏电站取四个组件测量输出功率。结果见表三。结果表明,使用BS-WVTR 1.5+VA33 EVA封装组件8年后的平均功耗下降率为28.5%,使用BS-WVTR1.5+VA28封装组件的平均功耗下降率为20%。

我们还从仓库中取出4个与光伏电站相同封装材料、相同生产周期(W322011)的组件,进行2000小时湿热试验。结果见表四。在东南亚热带环境中,2000小时湿热加速老化与8年运行有很好的相关性。湿热试验2000h后,BS-WVTR 1.5+VA33 EVA封装组件的平均功率退化率为26%,BS-WVTR 1.5+VA28封装组件的平均功率退化率为16%。

DH 2000h后的电致发光(EL)与东南亚光伏电站老化8年的组件的EL相似(图七)。

此外,傅里叶变换红外光谱(FTIR)也被用于分析安装在东南亚光伏电站的组件和组件在湿热试验后的失效机理(图八)。结果发现这些组件具有相似的失效机制。醋酸铅可在前侧EVA上检测到。一般认为水蒸气会渗透到组件中,导致EVA水解。由此产生的醋酸会与焊带和电池中的氧化铅发生反应。形成的醋酸铅会导致电阻增加和电池变暗。

不同的是,在一块户外运行失效的组件背板EVA上检测不到醋酸铅和峰值EVA水解峰。但湿热试验后,组件背板EVA上可检测到醋酸铅和EVA水解峰。结果表明,由于组件内外的水汽浓度在白天和夜间不同,水蒸气既可以进入组件,也可以向组件外扩散。当水蒸气穿透电池并进入组件的正面并且不能轻易地通过电池扩散时,就会在正面EVA中发生水解反应。然而,在整个室内老化试验中,水蒸气在组件内外都达到平衡,因此,背部EVA的水解反应是不可避免的。

功率衰减值、EL图像和FTIR分析表明,室内2000小时湿热试验相当于泰国地区8年的运行时间。所以根据eq2,AF是35.04。

案例2:2012年安装在热带岛屿A上的组件;平均环境温度26.9度,平均相对湿度78.5%。

如图九所示,经过六年的运行,电能的实际产量损失为21.9%。在图十所示的EL图像中,还可以观察到电池腐蚀。这些组件采用BS WVTR 1.5+VA33 EVA和BS WVTR 1.5+A VA28 EVA封装。根据表五,2000小时湿热加速老化与在A岛环境中运行6年之间存在良好的相关性。所以根据eq2,AF是26.28。

案例3:2013年安装在热带岛屿B上的组件;平均环境温度为27.2℃,平均相对湿度为81.7%。

如表六所示,仅在运行四年后,电能的实际产量就出现了17.6%的损失。在图十一所示的EL图像中,还可以观察到电池腐蚀。这些组件用BS WVTR 1.5和VA28 EVA封装。根据表四,在B岛环境中,2000小时的湿热加速老化与4年的运行有很好的相关性。所以根据eq2,AF是17.52。

根据这三种实际情况,我们可以计算出热带地区失效模式的失效激活能(Ea),相关数据见表七。可以看到Ea值在0.425到0.482之间。在此基础上,利用该模型和Hallberg-Peck模型计算了不同温度和相对湿度条件下不同室内湿热试验时间。

结论

本文主要研究了在高湿度环境下,背板WVTR对组件性能的影响。理论模拟和现场实例数据表明,长时间湿热加速老化可以模拟高湿度场环境下组件的老化规律。利用Hallberg-Peck模型计算了不同温度和相对湿度地区的激活能。此外,结果表明,在0-4.0g/m2.d范围内,在潮湿环境中,采用背板式WVTR的组件,其功率衰减随背板WVTR的增大而线性增加。最后,比较了28%和32%VA含量下的组件性能。结果表明,高VA含量的EVA会导致较高的功率退化和电池腐蚀。

作者团队

Haidan Gong、Yiwei Guo、Minge Gao。

合作伙伴

鸣谢

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