光伏組件耐極端氣候環(huán)境性能的研究綜述

黃 慧，馮相賽，錢峰偉，楊瑰婷，韓婷婷

(1.上海太陽能工程技術(shù)研究中心有限公司，上海 200241；2.上海空間電源研究所，上海 200240)

0 引言

當(dāng)今時(shí)代，人類活動(dòng)遍布全球，若要在極端、復(fù)雜的氣候環(huán)境下開展活動(dòng)，能源供給是必須克服的困難之一。而隨著傳統(tǒng)能源的日益枯竭，新能源已成為新的發(fā)展趨勢，其中，利用風(fēng)能、太陽能發(fā)電獲取能源亦成為首選。對于大部分地區(qū)光伏發(fā)電項(xiàng)目的建設(shè)來說，不需要多加考慮極端氣候?qū)夥M件的影響。但隨著全球新能源的迅速發(fā)展，以及普通環(huán)境區(qū)域光伏發(fā)電項(xiàng)目的日益飽和，再加上極端環(huán)境自身豐富的新能源資源與其對新能源發(fā)展的需求，必然使光伏發(fā)電應(yīng)用場合具有廣泛性。例如，隨著南極科考活動(dòng)的日漸深入，各國科考團(tuán)開始關(guān)注南極新能源應(yīng)用問題，并積極探索高效利用新能源的方法。南極蘊(yùn)含著大量新能源，新能源技術(shù)的迅猛發(fā)展使南極新能源開發(fā)成為現(xiàn)實(shí)，一些科考站已充分利用南極的風(fēng)能與太陽能，在南極建立了以太陽能或風(fēng)能為主的新能源發(fā)電站。

但南極有著極具代表性的惡劣氣候：沿海地區(qū)的風(fēng)速可達(dá)45 m/s，陸地上高達(dá)95%的面積覆蓋著厚度約為2 km 的積雪，年均溫度為-25 ℃，最低氣溫可達(dá)到-89.6 ℃[1]，遠(yuǎn)低于一般地區(qū)-40 ℃的極低溫度[2]。數(shù)據(jù)顯示，1994 年中山站的年總太陽輻照量為3788 MJ/m2，年紫外輻射量為214 MJ/m2[3]。如此極低溫、強(qiáng)風(fēng)力、高輻射的極端環(huán)境，對光伏電站的建設(shè)能力，以及其光伏發(fā)電系統(tǒng)中核心部件光伏組件的性能都提出了極高的要求。

工作環(huán)境的復(fù)雜性要求光伏組件具有極高的適應(yīng)惡劣環(huán)境的能力，針對組件的耐極端氣候環(huán)境性能的研究不僅能提高特定地區(qū)光伏組件的發(fā)電性能和使用壽命，還能為光伏發(fā)電的應(yīng)用場合提供更多的可能性。本文綜述了極端氣候環(huán)境下引起光伏組件各組成部分失效的因素及改善措施，以期為極端惡劣氣候地區(qū)的光伏應(yīng)用研究提供參考。由于目前環(huán)境的高溫在光伏組件可承受的工作溫度范圍內(nèi)，所以本文僅針對極端低溫、強(qiáng)輻射的極端氣候環(huán)境進(jìn)行分析。

1 我國氣候及太陽能資源現(xiàn)狀

新能源的利用對極地科考尤為重要，特別是2019 年7 月11 日“雪龍2 號”極地考察船正式交付使用，進(jìn)一步提升了我國的極地科考能力，表明極地地區(qū)對新能源的需求將進(jìn)一步加大。因此，研究光伏組件在極端氣候環(huán)境的適應(yīng)性是非常有必要的。

我國地域遼闊，不同區(qū)域的氣候及太陽能資源存在較大差異。圖1 為2018 年1 月29 日08:00～1 月31 日08:00 的我國最低氣溫分布圖，圖2 為我國太陽能資源分布圖。

圖1 2018 年1 月29 日08:00～1 月31 日08:00我國最低氣溫分布圖Fig.1 National minimum temperature distribution map from 08:00 Jan. 29 to 08:00 Jan.31 in 2018 in China

圖2 我國太陽能資源分布圖Fig.2 National solar energy resources distribution map in China

從圖中可以看出，漠河位于我國最北端，是我國氣溫最低的縣，其年均氣溫為-4.4 ℃，每年極端最低氣溫都在-38 ℃以下，并創(chuàng)下了我國氣象史上的極端最低氣溫-52.3 ℃；該地區(qū)的年均太陽輻照量為4200～5400 MJ/m2[4]，日照時(shí)長為2377～2625 h[5]。我國高原地區(qū)冬季的極端最低氣溫很低，如青海南部、藏北平原的極端最低氣溫都平均在-17.5 ℃以下，沱沱河、清水河的極端最低氣溫更是低于-22.5 ℃[6]，并且高原地區(qū)的紫外輻射量約為漠河地區(qū)的1.3 倍。就冬季最冷時(shí)間段來說，其環(huán)境的惡劣程度與極地氣候環(huán)境相近。因此，如何解決光伏組件的耐低溫性能是在這些高寒缺電地區(qū)建設(shè)光伏電站及應(yīng)用光伏發(fā)電亟需解決的關(guān)鍵問題。

2 光伏組件的結(jié)構(gòu)分析

光伏組件的基本使用壽命要求是“在戶外工作25 年后，其還能保持初始值80%的最大輸出功率，并且還要求其可有效抵抗外力的沖擊”[7]。光伏組件主要由太陽電池、背板、光伏玻璃、封裝材料、接線盒、邊框等組成，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 光伏組件的結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of PV module

光伏組件的使用壽命和發(fā)電性能在很大程度上受環(huán)境因素，如氧氣、溫度、光照、相對濕度，以及外力沖擊等的影響。這些均是導(dǎo)致組件失效的主要原因，其中，背板、光伏玻璃、封裝材料等是保障光伏組件使用壽命的短板。而背板、封裝材料等對環(huán)境的依賴性較大，易受溫度和光氧老化現(xiàn)象的影響造成性能下降。因此，下文對光伏玻璃、封裝材料、背板分別進(jìn)行分析研究。

2.1 光伏玻璃

光伏玻璃的主要作用是保護(hù)太陽電池免遭各種惡劣因素的破壞，利用玻璃自身的高透光性盡可能使太陽電池吸收光能不受影響。

光伏玻璃為鋼化玻璃，屬于無機(jī)材料，受環(huán)境影響較小，但受外力撞擊的影響較大，容易因風(fēng)壓、冰雹等的撞擊而破裂。若光伏組件應(yīng)用在南極地區(qū)，常年的強(qiáng)風(fēng)與暴雪的沖擊很容易造成光伏玻璃破裂，從而導(dǎo)致其保護(hù)性能失效，影響光伏組件的安全性和使用壽命。玻璃密度與其抗沖擊破碎的概率成正比，可通過增加玻璃自身密度來提高其抗沖擊性能。因此，適當(dāng)增加玻璃原料配方中二氧化硅的占比，減少氧化鈉和氧化鈣的含量，可有效提升鋼化玻璃的抗沖擊性，從而可有效降低極端環(huán)境下強(qiáng)風(fēng)、暴雪等外力沖擊造成的光伏玻璃破碎的風(fēng)險(xiǎn)[8]。

有研究表明，太陽電池的轉(zhuǎn)換效率每增加1%，發(fā)電成本就會(huì)降低7%，而光伏玻璃的透光率會(huì)影響太陽電池的轉(zhuǎn)換效率，從而其也是影響光伏組件轉(zhuǎn)換效率的重要因素[9]。光伏玻璃是一種鈉鈣玻璃，若長時(shí)間處于極端潮濕環(huán)境下其會(huì)產(chǎn)生水解，生成氫氧化鈉和硅酸凝膠；而氫氧化鈉會(huì)腐蝕、損壞鍍膜層，硅酸凝膠則會(huì)粘附在玻璃上，二者均會(huì)導(dǎo)致光伏玻璃的透光率大幅下降[10]。同時(shí)，極端氣候環(huán)境中強(qiáng)烈的紫外輻射會(huì)促使光伏玻璃膜層表面有機(jī)物的氧化和分解，使膜層起皺、開裂、脫落，并使玻璃表面產(chǎn)生彩虹斑，使光伏玻璃的透光率出現(xiàn)衰減。另外，透過膜層進(jìn)入玻璃基底的水分子，在極端低溫時(shí)更容易結(jié)冰，這會(huì)對膜層造成損壞；極端氣候環(huán)境中的雪籽、冰雹的沖擊也會(huì)導(dǎo)致玻璃膜層損傷，最終導(dǎo)致透光率下降[11]。這些環(huán)境因素對光伏玻璃造成的失效影響，會(huì)嚴(yán)重影響光伏組件的轉(zhuǎn)換效率和使用壽命。

資料顯示，鐵元素可使玻璃著色，降低玻璃的透光率[12]，而稀土金屬氧化鈰(CeO2)卻具備澄清劑、脫色劑和抗紫外線吸收的功能。因此在光伏玻璃的制造過程中，調(diào)整玻璃中鐵的含量，添加適量的CeO2，既能提高光伏玻璃的透光率，減少其對陽光的反射和吸收，又能降低紫外線的透過率，保護(hù)電池不受強(qiáng)紫外線的破壞，在有效提高光伏組件的耐紫外輻射能力的同時(shí)，還能夠提高光伏組件的使用壽命和轉(zhuǎn)換效率[13]。

2.2 封裝材料

封裝材料的作用是將太陽電池、銅錫焊帶、背板及光伏玻璃等粘結(jié)在一起，是光伏組件的關(guān)鍵組成部分[12]。封裝材料主要有雙組分硅膠、聚乙烯醇縮丁醛樹脂(PVB)、乙烯-醋酸乙烯酯聚合物(EVA)膠膜等[14]。目前光伏行業(yè)應(yīng)用最廣泛的是已在行業(yè)使用超過20 年的含 33%醋酸乙烯酯的EVA 膠膜[15]。

EVA 作為高分子材料，在強(qiáng)紫外線照射下極易發(fā)生脫乙烯反應(yīng)，并產(chǎn)生乙酸與烯烴。不僅EVA 的分解速度與紫外線強(qiáng)度成正比，而且乙酸量的增加還會(huì)加快EVA 的老化速度[12]。光伏組件的焊帶、背板和電極也會(huì)受到乙酸的腐蝕，脫乙烯反應(yīng)引起EVA 膠膜發(fā)生色變，使光伏組件由無色透明逐漸變化成黃色甚至深褐色，從而影響了組件的透光率和輸出功率，導(dǎo)致組件的轉(zhuǎn)換效率和使用壽命明顯下降[12,15]。

玻璃化溫度Tg和脆性溫度Tb是當(dāng)聚合物在低溫下力學(xué)性能發(fā)生形態(tài)突變時(shí)所對應(yīng)的溫度[16]。其中，玻璃化溫度直接關(guān)系到EVA 膠膜的低溫性能，在玻璃化溫度以下，EVA 膠膜呈玻璃態(tài)，表現(xiàn)出一定的脆性[17]。有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，EVA 膠膜的玻璃化溫度為0～10 ℃[18]，在0 ℃以下時(shí)，EVA 膠膜開始逐漸喪失彈性，進(jìn)入剛性狀態(tài)。EVA 膠膜的脆性溫度為-30～-50 ℃，當(dāng)溫度降到脆性溫度以下時(shí)，EVA膠膜表現(xiàn)出脆性，少許的外力、較小的形變就會(huì)使其受到破壞[19]。此時(shí)的EVA 膠膜僅存在抗機(jī)械沖擊性能，一旦受到強(qiáng)勁風(fēng)壓、冰雹或運(yùn)輸?shù)韧饬Φ臎_擊，很容易發(fā)生斷裂，而封裝在其內(nèi)部的太陽電池會(huì)隨之產(chǎn)生隱裂甚至斷裂。同時(shí)，低溫環(huán)境還會(huì)使EVA膠膜的粘結(jié)性能嚴(yán)重下降，使光伏組件發(fā)生脫層。

光伏用EVA 膠膜的極性結(jié)構(gòu)較弱，在強(qiáng)紫外線輻射下易產(chǎn)生降解與老化現(xiàn)象，在極端氣候環(huán)境下易產(chǎn)生低溫冷脆、隱裂、脫層現(xiàn)象[12]。而EVA 膠膜的穩(wěn)定性能受其組成，以及耐老化劑、穩(wěn)定劑、偶聯(lián)劑、交聯(lián)劑等添加劑的影響。耐老化劑可降低紫外線對EVA 膠膜的降解與變色，穩(wěn)定劑可增加EVA 膠膜的化學(xué)穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性，偶聯(lián)劑可增加EVA 膠膜的粘結(jié)強(qiáng)度，交聯(lián)劑能有效提高EVA 膠膜的體積電阻率和機(jī)械強(qiáng)度等[12]。因此，可通過在EVA 膠膜生產(chǎn)過程中添加適當(dāng)比例的添加劑來提高其耐低溫性能。

2.3 背板

光伏背板位于光伏組件的背面，主要起到保護(hù)和支撐太陽電池的作用[20]。作為用于光伏組件最外層大面積封裝的高分子材料，光伏背板是影響光伏組件使用壽命的最關(guān)鍵材料。

目前光伏行業(yè)較常用的背板為TPT 背板，該背板為3 層結(jié)構(gòu)，即PVF(聚氟乙烯薄膜)-PET(聚脂薄膜)-PVF 結(jié)構(gòu)。外層PVF 具有良好的抗環(huán)境侵蝕能力，中間層PET 具有良好的絕緣性能，內(nèi)層PVF 經(jīng)表面處理后與EVA 膠膜具有良好的粘接性能[21]。資料顯示，PVF 與PET的脆性溫度都在-70 ℃，由于含氟材料PVF 較薄，因此其低溫性能一般可滿足極端氣候環(huán)境，而PET 在背板結(jié)構(gòu)中較厚，在極端低溫下其彈性會(huì)大幅降低，導(dǎo)致其承受外力沖擊的能力下降，從而會(huì)產(chǎn)生隱裂或磨損，保護(hù)性能也會(huì)受到影響。同時(shí)，TPT 背板作為高分子材料，在強(qiáng)紫外輻射下，其外層保護(hù)層產(chǎn)生裂紋會(huì)使其中間層直接與戶外環(huán)境接觸，造成PET 產(chǎn)生水解及光氧老化現(xiàn)象，最終導(dǎo)致其保護(hù)性能下降[22]。

因此，在極端氣候環(huán)境下使用的TPT 背板，除了需具備耐候性、絕緣性、水汽阻隔、耐腐蝕和耐風(fēng)沙磨損等各種平衡的性能之外[23]，還需加強(qiáng)低溫機(jī)械強(qiáng)度、韌性及抗老化性能，如此才可使光伏組件更長期有效的耐受極端氣候環(huán)境，保證組件的使用壽命和發(fā)電性能不受影響。

2.4 光伏組件的整體性能

綜上所述，通過對光伏組件的光伏玻璃、封裝材料及背板的性能綜述，對極端氣候環(huán)境下會(huì)導(dǎo)致光伏組件失效的各種因素進(jìn)行探究，結(jié)果表明：

1)通過調(diào)整光伏玻璃配方中二氧化硅、氧化鈉和鋼化鈣的比例，可提高光伏玻璃的耐沖擊性能，從而減少外力對光伏組件造成損傷的概率；同時(shí)，控制玻璃中鐵和CeO2的含量，可增強(qiáng)光伏玻璃的透光性能，最終提高光伏組件的轉(zhuǎn)換效率。

2)通過對封裝材料EVA膠膜采用改性技術(shù)，可降低EVA 紫外老化、低溫冷脆等失效現(xiàn)象的發(fā)生。

3)加強(qiáng)TPT 背板的低溫機(jī)械強(qiáng)度與韌性，可提高背板對光伏組件的保護(hù)性能。

通過對光伏組件各組成部分失效的原因進(jìn)行研究分析，并提出技術(shù)改進(jìn)措施，可大幅提升各組成部分的耐候性，從而使光伏組件整體的耐極端氣候環(huán)境的性能得到進(jìn)一步提升，有效降低了光伏組件在經(jīng)歷極低溫、大風(fēng)、暴雪、強(qiáng)紫外輻射等惡劣環(huán)境后老化、損壞、失效的概率，并使其可以保持高效的轉(zhuǎn)換效率。

3 結(jié)語

本文通過對光伏組件各組成部分的性能進(jìn)行綜合分析，分別介紹了光伏玻璃、封裝材料、背板的材料特性，以及從各組成部分入手如何提高光伏組件的耐極端氣候性能，為高寒地區(qū)特別是極地區(qū)域光伏發(fā)電系統(tǒng)的進(jìn)一步應(yīng)用推廣提供了一定的指導(dǎo)和借鑒。