潮濕箱體內(nèi)光伏組件鋁邊框表面腐蝕的分析

國家電投集團(tuán)西安太陽能電力有限公司 ■ 李媛媛 董鵬 苗林 唐蘭蘭 王勃 陳云龍 張勤善

0 引言

鋁邊框作為光伏組件的邊框支架，用于保護(hù)組件的玻璃邊緣，其與硅膠結(jié)合可加強(qiáng)組件的密封性，同時也可提高組件整體的機(jī)械強(qiáng)度，便于組件的安裝和運(yùn)輸[1]。鋁邊框表面為銀白色的薄膜，主要成分是Al2O3。本文以抽檢時發(fā)現(xiàn)的鋁邊框表面腐蝕變色為依據(jù)展開，主要分析了造成鋁邊框表面腐蝕變色的原因，以及腐蝕后對組件可靠性的影響。

1 現(xiàn)象

室外存儲有已裝箱的光伏組件，打開包裝箱后發(fā)現(xiàn)，組件表面的箱蓋已被雨水浸透，與箱蓋接觸的鋁型材表面被腐蝕，并發(fā)生變色，如圖1所示。鑒于此種情況，隨機(jī)抽取了不同時間段的組件，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：干燥的包裝箱內(nèi)，鋁邊框未出現(xiàn)腐蝕的現(xiàn)象；抽檢的22箱濕的包裝箱內(nèi)鋁邊框全部出現(xiàn)腐蝕和變色。因此，判定此現(xiàn)象可能與包裝箱內(nèi)進(jìn)水有關(guān)。

圖1 鋁邊框腐蝕圖片

2 原因分析

2.1 鋁邊框氧化膜的作用

鋁邊框的特點主要由其表面的氧化物薄膜來體現(xiàn)，基材通過陽極氧化后可以在表面附上一層氧化物薄膜，主要成分是Al2O3，可使邊框具有良好的耐腐蝕性，增強(qiáng)耐磨性及提高硬度等；且Al2O3薄膜本身也是高電阻的絕緣膜，可使鋁邊框保持良好的絕緣性。

2.2 異常現(xiàn)象的原因分析

Al2O3是兩性氧化物，既能與酸反應(yīng)，也可與堿反應(yīng)。考慮到酸堿腐蝕的原因，進(jìn)行了以下試驗與測試。

2.2.1 酸堿腐蝕的重現(xiàn)試驗

將鋁邊框裁取小樣，分別裝入盛有HCL和NaOH的密封袋中，并放置于50 ℃的烘箱中，3天后觀察到的鋁邊框表面如圖2所示。

圖2 鋁邊框分別與HCL和NaOH反應(yīng)后的圖片

由圖2可以看出，裝有NaOH溶液的袋子中鋁邊框出現(xiàn)了腐蝕，HCl溶液的袋子中鋁邊框未出現(xiàn)腐蝕。

繼續(xù)將鋁邊框放入裝有HCL溶液的袋子中，再放于烘箱中，7天后觀察發(fā)現(xiàn)，鋁邊框表面仍未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。

通過以上試驗可知，鋁邊框在高溫下更容易被堿腐蝕。

2.2.2 箱體中水的分析

對潮濕的箱體中的水進(jìn)行收集，并向該水中滴入一滴酚酞指示劑，然后可發(fā)現(xiàn)水的顏色出現(xiàn)紅色，現(xiàn)象如圖3所示。

圖3 滴入酚酞后箱體中水的圖片

水的顏色變紅說明箱體中的水呈堿性。因此，初步判斷是堿性溶液造成的鋁邊框表面腐蝕。

2.3 堿的來源分析

2.3.1 濕包裝箱試驗

由于雨水可以導(dǎo)致酸腐蝕，加之其與濕的包裝箱接觸的地方發(fā)生了腐蝕，所以推測堿主要來源于濕的包裝箱。為此，裁取3根鋁邊框，將包裝箱用純水浸濕后分別包裹2根鋁邊框，1#放置于HAST老化試驗箱中，2#放置于50 ℃烘箱中，3#使用干的包裝箱包裹鋁邊框，并放置于50 ℃烘箱中，測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 包裝箱包裹鋁邊框的測試結(jié)果

由圖4可以看出，濕包裝箱包裹的鋁邊框在前兩種試驗條件下皆出現(xiàn)了被腐蝕的現(xiàn)象。其中，1#濕包裝箱包裹的鋁邊框在121 ℃、100%濕度的情況下，24 h后就出現(xiàn)了腐蝕；2#鋁邊框在第3天觀察時還未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，第5天觀察時才出現(xiàn)了腐蝕；而干的包裝箱在高溫下未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。這說明，溫度越高，濕度越大，腐蝕現(xiàn)象越嚴(yán)重。

2.3.2 包裝箱的PH測試

為了再次確認(rèn)包裝箱中是否含有堿性物質(zhì)，將包裝箱打碎成紙漿，浸泡一夜后測試其PH值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其PH值在8～9之間，呈堿性，如圖5所示。

圖5 包裝箱紙漿PH值測試

2.3.3包裝箱中堿的來源

明確了包裝箱中含有堿性物質(zhì)，通過查閱相關(guān)資料了解到，堿性物質(zhì)主要來源于包裝箱制作過程中使用的玉米淀粉膠。該膠在制作過程中會加入NaOH，NaOH可使玉米淀粉膠具有更好的流動性，防止霉變[2]。由于該種膠是一種環(huán)保膠，被廣泛應(yīng)用于瓦楞紙粘接等紙箱制作行業(yè)，目前還沒有可以替代的產(chǎn)品。

因此，要避免組件鋁邊框被腐蝕，還要從儲存環(huán)境入手，保證箱體干燥。

2.4 小結(jié)

綜合以上分析可知，造成此次組件鋁邊框腐蝕的主要原因是包裝箱體含有NaOH，箱體浸水后NaOH溶于水中與Al2O3發(fā)生反應(yīng)，造成鋁邊框腐蝕。

3 鋁邊框腐蝕后的可靠性分析

3.1 腐蝕樣品的外觀與元素分析

使用電子顯微鏡對腐蝕后的鋁邊框及正常的鋁邊框進(jìn)行查看，同時對2個樣品的元素進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示。

表1 鋁邊框化學(xué)成分分析表

由表1可以看出，對比正常樣品，被腐蝕后的樣品的化學(xué)成分未發(fā)生變化[3]；結(jié)合顯微鏡圖片可知，鋁型材只是氧化膜被腐蝕[4-5]。

3.2 封孔質(zhì)量檢驗

鋁邊框陽極氧化后進(jìn)行封孔是為了提高氧化膜的抗污染和耐腐蝕性，變色的地方使用橡皮擦拭不掉，證明部分雜質(zhì)已經(jīng)滲透到氧化膜下面。使用染色法對腐蝕后的鋁邊框進(jìn)行封孔質(zhì)量檢查，與正常樣品對比后發(fā)現(xiàn)，其封孔質(zhì)量下降，但也在國家標(biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)，封孔質(zhì)量檢查結(jié)果合格。

封孔質(zhì)量檢查合格，說明鋁邊框腐蝕后其氧化膜仍具有抗污染及抗腐蝕的能力。

3.3 鋁邊框膜厚的測試

為了驗證腐蝕后鋁邊框樣品的性能，截取正常樣品1根，腐蝕樣品2根，將其中1根腐蝕樣品放置于HAST老化試驗中48 h，使用渦流測厚儀對膜厚進(jìn)行測試，結(jié)果如圖6所示。

圖6 鋁邊框膜厚測試的箱線圖

由圖6可知，腐蝕樣品及經(jīng)過老化測試48 h后的腐蝕樣品，二者的膜厚測試皆符合指標(biāo)要求的大于等于15 μm，測試合格。

3.4 鋁邊框韋氏硬度的測試

氧化膜除能抗腐蝕、防污染外，還可提高鋁邊框的硬度，所以對鋁邊框的硬度進(jìn)行測試分析，如圖7所示。

由圖7可以看出，腐蝕樣品及經(jīng)過老化測試48 h后的腐蝕樣品，二者的韋氏硬度測試皆符合指標(biāo)要求的大于等于8 HW，測試合格。

圖7 鋁邊框韋氏硬度測試箱線圖

3.5 組件機(jī)械荷載測試

3.5.1 測試內(nèi)容

考慮到鋁邊框在光伏組件中主要起到保護(hù)組件邊緣、提高組件整體機(jī)械強(qiáng)度的作用，根據(jù)IEC 61215-2005[7]的要求，對組件進(jìn)行了機(jī)械荷載測試。測試內(nèi)容及順序如圖8所示。

圖8 機(jī)械荷載測試示意圖

3.5.2 測試結(jié)果分析

完成以上測試后，測試絕緣電阻為8623 MΩ。根據(jù)IEC 61215-2005規(guī)定，對于面積大于0.1 m2的組件，測試絕緣電阻乘以組件面積應(yīng)不小于40 MΩ?m2。進(jìn)行該試驗的組件面積為1.93644 m2，所以其測試絕緣電阻不小于20.66 MΩ，即為合格；組件初始功率為335.23 W，測試完成后功率為325.9W，功率衰減率為2.78%；檢驗組件外觀無重大缺陷。綜上所述，判定機(jī)械荷載測試合格。

3.6 小結(jié)

從以上可靠性分析可以看出，組件鋁邊框外觀被腐蝕變色，基材未被破壞，其膜厚及硬度在老化測試后仍能滿足指標(biāo)要求。同時，組件在經(jīng)過機(jī)械荷載測試后，指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論

1)造成此次質(zhì)量異常的主要原因是箱體被淋濕后NaOH溶于水中，與氧化膜發(fā)生了反應(yīng)。

2)從可靠性方面分析，鋁邊框僅是外觀被破壞，其膜厚及硬度在老化測試前后均能滿足指標(biāo)要求，組件可靠性測試合格，表明鋁邊框仍具備抗腐蝕、抗污染及絕緣的能力。

3)組件在存儲中，包裝箱應(yīng)做好防潮防雨工作，一旦箱體被淋濕，在長時間的密封狀態(tài)下，氧化膜均有被腐蝕的風(fēng)險；如果溫度升高，時間延長，最終會導(dǎo)致氧化膜被腐蝕，進(jìn)而破壞基材，影響組件的可靠性。