極端低溫天氣如何影響光伏組件性能?

2016-01-25 08:47:26 來源:

1月23日08時至25日20時,寒潮已開始影響我國,多地氣溫明顯下降,并伴有4~6級北風,天寒地凍。我國最北邊的漠河、根河氣溫已經跌到-35℃左右,呼倫貝爾已降至-47.5℃,堪稱名副其實的“冰窖”,哈爾濱室外溫度已經降到零下30多攝氏度。寧夏、青海、甘肅、新疆地區溫度普遍在-30℃甚至更低,華北平原最低氣溫為-13~-20℃、黃淮將降至-9~-18℃、長江中下游地區將降至-8~-14℃、華南中北部將降至0~-4℃。北京1月23日早晨將降至-16℃到-17℃,是近30年來1月份的最低氣溫(-17℃)。如此低溫下,光伏人或許已經提前放假,但戶外的光伏組件,該如何度過?
1.低溫對光伏組件的影響
行業普遍關心的是高溫會影響光伏組件的發電輸出,但低溫對光伏組件有何影響,業內人員可能知道得不多。光伏組件的材料中,像玻璃、鋁邊框、電池片等無機材料,一般來講對溫度的依賴性較小,最怕的或許是低溫冰雹對玻璃的撞擊;組件材料中的封裝材料、背板、接線盒等有機材料,往往是最怕極高或極低的溫度的。有機材料對低溫的依賴性,需要從其基本特性-脆化溫度和玻璃化轉變溫度說起。
2.什么是脆化溫度?
塑料的耐寒性用脆化溫度表示,所有塑料都會隨著溫度降低變得愈來愈硬而脆,這是由于聚合物分子鏈的活動性變得愈來愈小之故,脆化溫度是指塑料在沖擊載荷作用下變為脆性破壞的溫度,一般是把在規定沖擊條件下有50%試樣產生脆性破壞的溫度確定為脆化溫度,用符號Tb表示。脆化溫度是塑料材料能夠正常使用的溫度下限,低于脆化溫度,塑料失去了柔韌性,性脆易折,無法正常使用。一般來說,VA含量在28%左右的EVA脆化溫度為-70℃。
3.什么是玻璃化轉變溫度?
對于聚合物來說是非晶聚合物的玻璃態與高彈態之間的轉變。其分子運動本質是鏈段運動發生“凍結”與“自由”的轉變。發生玻璃化轉變的溫度稱為玻璃化溫度,以Tg表示,是高聚物的特征溫度。它是非晶態熱塑性塑料使用溫度的上限,是橡膠使用溫度的下限。
玻璃化轉變對聚合物性能尤其是力學性能變化很大,非晶聚合物的模量可產生3~4個數量級的變化。一般來說,VA含量在28%左右的EVA,低于-24℃開始出現玻璃化轉變,通常認為EVA的玻璃化轉變溫度為-34℃。
4.玻璃化轉變溫度和脆化溫度對EVA性能的影響
在0℃以上,EVA還保持著相當好的彈性。低于0℃,EVA的剛性明顯上升;低于-20C后,開始產生玻璃化轉變,此時可以認為EVA已經基本喪失了彈性,進入完全剛性狀態;當環境溫度在低于-70℃后,EVA材料已經完全脆化,已經喪失了作為封裝材料用的保護性能。
當EVA材料發生玻璃化轉變后,也就是說EVA材料喪失了彈性后,此時的EVA作為封裝材料僅剩下抗機械沖擊性能。此時如果材料或者組件部發生彎曲、變形,那么它對材料還有一定的保護性能;但一旦有變形發生,EVA材料就很容易發生斷裂。此時被封裝在EVA內部的電池片材料盡管仍有一定的撓性,但由于被EVA失去了彈性,電池片被“凍結”在EVA中,隨著EVA發生的斷裂也會隨之產生隱裂,乃至斷裂。
在極度低溫的環境下,往往還伴隨著大風和暴雪。此時的光伏組件正經歷著難以想像的動態機械載荷;若加以數厘米乃至數十厘米的積雪,那么還要承受更嚴重的靜態機械載荷,光伏組件因此而產生的彎曲和動態形變,將對EVA材料產生致命的影響,進而引起電池片的致命裂紋。
5.其它封裝材料的玻璃化轉變溫度及脆化溫度
用于光伏組件封裝的材料除了常用的EVA外,還有大家熟知的聚烯烴和有機硅。根據陶氏化學提供的資料,陶氏Enlight封裝膠膜的玻璃化轉變溫度為-40℃,與EVA相似。有機硅材料的玻璃化轉變溫度為-68℃,脆化溫度低于-100℃,遠低于一般的塑料材料。在地球上可能出現的環境溫度下,有機硅都能保持良好的彈性。像我國近日如此低溫的天氣中,如果用有機硅材料作為光伏組件的封裝材料,是完全能夠抵御因低溫造成的電池片隱裂、材料本身斷裂的。
6.低溫對其它組件材料的影響
在組件的材料清單中,還有背板、接線盒、連接器、、邊框密封材料、光伏電纜都含有有機材料。
對于背板,結構中的主要材料是PET和含氟材料。PET的玻璃化轉變溫度為150℃,脆化溫度約-70℃;含氟材料PVDF的玻璃化轉變溫度約39℃,無論是PVF還是PVDF,脆化溫度都在-70℃以下。由于含氟材料較薄,低溫性能低于當前的極端低溫應該問題不大。對于PET成分,在背板結構中厚度最大,是主要的承受應力材料,由于其玻璃化溫度很高,脆化溫度在-70℃,當前的極端低溫下,PET材料的彈性已經大大降低,承受變形的能力也大大降低。不過,由于背板只是在外層作為一種機械保護材料,不用過于擔心對電池片的影響,只需考慮其低溫下的機械強度是否還能經受風沙的沖擊,會不會產生材料的隱裂、磨損。
接線盒材料包括盒體、螺母等,材料通常有PPE、PPO、PA66、改性ABS、聚苯硫醚PPS、聚砜PSF、聚醚醚酮PEEK等。不同材料的脆化溫度不一樣,但一般都在-40℃以下,經歷過HF、TC等測試。且接線盒體積較小、變形小,影響應該不大。
邊框密封材料,一般都是采用硅膠做邊框密封,其-69℃的玻璃化轉變溫度足以展現優異的彈性。只要常溫下的動態、靜態機械載荷試驗可以通過,應該也沒有問題。對于最近出現的一種替代有機硅膠的丁基膠帶材料,由于其含有橡膠成分,玻璃化轉變溫度也較低,可以咨詢供應商,了解更進一步的信息。
對于光伏電纜,只要是適用于北方地區的電纜,都可以使用。
7.極低氣溫下組件的機械載荷性能
極低氣溫對不同玻璃化轉變溫度和脆化溫度的封裝材料有不同的影響。低溫引起材料的彈性降低,會進一步導致抗機械載荷性能的下降,從而導致電池片耐機械載荷性能的下降。某企業曾經做過不同溫度下的動態機械載荷,不同封裝材料表現出的性能有明顯的差異。
當環境溫度常溫或較高溫度時,EVA和有機硅封裝材料一樣有良好的彈性,靜態及動態機械載荷性能差不多。但在-20℃以下時,EVA封裝的組件在機械載荷測試中產生的電池片隱裂遠高于有機硅封裝的組件。這也進一步說明了極低溫度下EVA的彈性確實有明顯的下降甚至消失,對電池片的保護作用大大降低,在產生形變的過程中其剛性、脆性反而對促使了電池片隱裂的產生。
結語
極端惡劣氣候對于大部分地區或許是不用多考慮的。但在我國的北方、西北地區,出現-20℃以下的氣溫及大雪、大風并不會是偶然的。對于全球來說,俄羅斯、美國北部、加拿大、歐洲北部等,極端低溫和風雪更是常事。在這些特殊環境下,如果考慮機械載荷的影響,封裝材料的選擇將變得非常重要。如果再考慮風沙地區低溫對背板的影響,或許對于傳統背板組件和雙玻組件的選擇也要慎重考慮。綜合上述因素,用液體硅膠封裝的雙玻組件可能在這些極端惡劣地區會有很好的應用;退一步來說,我們的組件性能測試還要考慮低溫機械載荷這一項。
此次極端低溫天氣之后,相關電站業主和研究機構也可以針對特定地區的光伏電站展開更全面的調查,了解傳統組件在不同區域對極端低溫天氣的適用性,進而出臺相關的性能評價技術要求和認證規范,對特定地區給出差異化的產品測試認證方案,以滿足該地區光伏電站建設的選型要求。 
來源: 光伏測試網    采編:劉晶

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