光伏封装材料耐候性测试技术

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1、彭坚 Tel：020-82006529，13802533587 Email： 我们致力于使工业产品向更加符合人文习惯、更加健康安全、持续可利用资源方向发展，为相关技术解决方案提供设计与评价服 务。 Evaluate Improve Design 我们致力于使工业产品向更加符合人文习惯、更加健康安全、持续可利用资源方向发展，为相关技术解决方案提供设计与评价服务。 广州英杰伦检测服务有限公司 彭 坚 光光伏封装材料伏封装材料耐候性测试耐候性测试技术技术 提提 要要 问题的提出 国内外技术发展 耐候性测试技术探究 封装材料质量控制 问题的提出 耐久性评估技术 运行 维护 工程 验收 质量 控制 技术

2、 门槛 政策 制订 项目 评估 产业 提升 电站 设计 全球光伏行业和研究机构关注重点 发电预测和投资分析 降低成本并减少损耗 提高安全可靠性 在降低成本同时，如何保证光伏组件25年的寿命？ 国内外技术发展 国外技术进展分析 当前，国内外现有的国家标准、国际标准仅对组件的出厂性能进行了规 定，并未对光伏组件长期可靠性、耐久性进行评估。研究表明，应用组件 鉴定标准（IEC61215/61646）评价组件的早期失效，而损耗失效期的失效 机制才是限制组件寿命的关键因素。 通过IEC测试的组件在使用过程中出现失效 NREL, Sandia, NIST, ATLAS, TUV等国际机构均开展了光伏组件环

3、境耐久 性评估技术研究，围绕环境腐蚀试验、光老化试验等设计的系统测试计 划。 国内企业主流的做法是单一环境试验或者湿热环境试验，延长试验时间。 腐蚀 试验 UV 试验 性能 测试 暴晒 试验 光老化 试验 光伏组件耐久 性评估计划 经典研究技术路线 当地气 候 光伏 组件 微环 境 材料 衰减， 性能变 化 数学 模型 加速 方法 寿命预 估 NIST光伏研究团队利用“球”加速试验 UV Exposure: F1 = FUV (I, t) Temperature: F2 = FT (t) Humidity: F3 = Fhm (%, t) F (T, t, I, RH% ) = x 1 F1

4、+ x 2 F2+ x 3 F3 +x 12 F1 F2 + x 13 F1 F3 + x 23 F2 F3 +x 123 F1 F2 F3 + x sf Fsf 其他工作组 IEC TC 82 WG2 接线盒 密封胶 材料工作组 耐候性 背板 封装胶膜 工作组 10. 工作组1 工作组5 紫外、湿热 工作组8 工作组6 工作组3 工作组9 工作组7 工作组4 工作组2 PV 质量控制技术工作组 国际IEC标准研究路线 湿热湿热 高温高温 温度循环温度循环 紫外紫外/ /耐候耐候 热斑热斑 PIDPID IEC61215 61215 61215 61215 61215 61215 61215

5、通用气候 61215 61215 61215+ 61215+ ? 61215? 干热气候 61215 61215+ 61215+ 61215+ ? 61215? 湿热气候 61215+ 61215+ 61215+ 61215+ ? 61215? 盐雾、冰雹、 高压、氨气 特殊测 试方法 通过增加附加应力调整61215的通用环境测试部分 组件在干热气候环境条件下使用，需要增加高温气候下的耐久性测试； 组件在湿热气候环境条件下使用，增加了高湿环境条件耐久性测试 国际IEC标准研究路线 耐候性测试探究 光 温度 水 其他（气体、污染物、污垢/灰尘、生物因数、 自然作用等） 影响材料老化的气候因素 世

6、界典型气候 极干热 中等干热 干热 恒定湿热 湿热 暖温 寒温 寒冷 极地 IEC 60721-2-1中将世界气候划分为9大类 利用国际环境试验网络开展了我国典型环境和国际典型环境的严 酷度比对研究。（试验结果对标国际） 覆盖我国典型气候的试验网络（CNAS认可） 吐鲁番 海南 青岛 广州 海拉尔 拉萨 所有试验场均按照国际标准要求，在试验场内安装有自动气象站，所有试验场均按照国际标准要求，在试验场内安装有自动气象站， 长期跟踪监测环境参数。其中琼海和广州的试验场因为是长期跟踪监测环境参数。其中琼海和广州的试验场因为是19581958年即年即 建设，因此环境数据最全。可参考近建设，因此环境数据

7、最全。可参考近2020年的气象数据进行数据统计年的气象数据进行数据统计 分析。分析。 所有环境参数监测方法和监测结果所有环境参数监测方法和监测结果可与国际对标。可与国际对标。 试验场长期跟踪监测大气环境参数试验场长期跟踪监测大气环境参数 序号序号 项目项目 检测周期检测周期 序号序号 项目项目 检测周期检测周期 1 温度 每天每天 12 HCl 每月每月 2 湿度 每天每天 13 NO2 每月每月 3 风向 每天每天 14 H2S 每月每月 4 风速 每天每天 15 硫酸盐化速率 每月每月 5 日照时数 每天每天 16 NH3 每月每月 6 太阳辐射 每天每天 17 海盐粒子 每月每月 7 太

8、阳光谱 每季每季 18 雨水PH值 每月每月 8 降雨量 每天每天 19 雨水SO42- 每月每月 9 降雨时数 每天每天 20 雨水Cl- 每月每月 10 大气压 每天每天 21 水溶性（自然降尘） 每月每月 11 SO2 每月每月 22 非水溶性（自然降尘） 每月每月 我国海南、广州、拉萨等地已经开展光伏组件及材料的环境失效研究工作 地区/测试角度 样品编号(数量) 时长 海南琼海/45 Y3(1) J3(1) 16个月 广州/45 Y2(1) J2(1) 16个月 拉萨/45 Y1(1) J1(1) 16个月 J1J2J3Y1Y2Y3-4-3-2-10123456789Degardati

9、on Rate of Pmax (%)PV modulePmax Degradation8.9% 2.1% Pmax变化变化 表面温度VS环境条件 EVA海南湿热老化 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 透光率 体电阻 加工性能（熔点） 拉伸强度（MD) 断裂伸长率(MD) VA 26% VA 29% VA 32% 琼海一年后 与保护其的背板背板相关 EVA作为封装材料的缺点：易吸水，吸水后水分不易放出，呈现雾状，并和水起反应，生成醋酸，进而影响透光率； 组件功率衰减与气候 功率Pmax与短路电流Isc密切相关 短路电流Isc下降：封装材料发黄玻璃脏污脱层和光致衰减

10、 木桶短板效应 硅晶片本身具有长达三十年以上的寿命，但封装胶膜的工作寿命却比电池片短得多。在室外严酷工作环境中，封装胶会老化 使组件受到侵蚀，导致光伏组件的光电转换效率下降甚至失效。背板的老化后的透气性、透湿性影响封装胶膜的微环境。 光伏组件EVA老化因素 系统热载荷 光热转换及热传导系 数 材料光透过率及反射 率 背板的抗老化性能、 氧气阻隔性、透湿性 密封胶的老化产物 光 热 水 污染物及其他 VA含量及分子量分布含量及分子量分布 交联剂体系及交联度交联剂体系及交联度 阻聚剂、抗氧剂、光稳阻聚剂、抗氧剂、光稳 定剂、硅烷偶联剂等定剂、硅烷偶联剂等 封装温度及工艺 EVA本身的结 构、性能和

11、封 装工艺 气候环境因素 光伏系统构成 的微环境 封装材料老化 引起透气性、 透湿性变化对 微环境的影 响。 环境条件分析 设计实验室加速试验方法 技 术 流 程 主要环境条件的量化表征 组件 实际 失效 形式 反复验证 计算加速试验累积环境因素量 寿命预测 等效老化 电站 实证基地 基准点 推算加速倍率 组件使用的气候环境宏观环境 组件工作产生的局部环境微环境 不同气候地区辐照量 在温和条件下，组件背面也需171 kWh/m2的紫外老化测试（考虑遮挡，以地面的紫外老化测试（考虑遮挡，以地面12%反射率计）反射率计） 目前行业一般仅进行 15100 kWh/m2的紫外老化测试，低于实际辐射量。

12、的紫外老化测试，低于实际辐射量。 Annual UV (kWh/m2) 试验站名称 迈阿密 琼海 凤凰城 吐鲁番 环境类型 湿热 湿热 干热 干热 地理位置 西经8027 北纬2552 东经11028 北纬1914 西经112 08 北纬33 54 东经89 12 北纬42 56 海拔高度/m 3 10 610 61.5 平均气温/ 23 27.4 22 17.4 平均降雨量/mm 1685 2134 255 16.4 平均相对湿度/% 78 87 37 27.9 a平均辐照总量/（MJ/m ） 6588 5191 8004 6680b 注a：监测角度均为当地纬度角。注b：为2013年8月-2

13、014年7月辐照总量。 不同气候地区辐照量 不同气候地区辐照 不同下垫面对于太阳辐射的反射率 下垫面性质下垫面性质 反射率反射率/ （%） 下垫面性质下垫面性质 反射率反射率/（%） 深色土壤深色土壤 1015 干洁的雪干洁的雪 8495 浅色土壤浅色土壤 2232 污浊的雪污浊的雪 4660 沙地干（湿）沙地干（湿） 10（20） 耕地耕地 14 砂土砂土 2935 水稻和小麦水稻和小麦 1025 黏土黏土 20 棉田棉田 2025 森林（针叶林、阔叶林、灌木林）森林（针叶林、阔叶林、灌木林） 1518 蔬菜蔬菜 1525 苔原苔原 1520 天然水天然水 610 绿草地绿草地 26 海水海

14、水 1020 干草地干草地 30 冰面冰面 1535 对于屋顶光伏，屋顶反辐射涂料的反射率在75%80%。对于坡屋面，采用具有反 辐射功能的矿物颗粒制备的沥青瓦等方式，其反射率在25%40%。 材料 组件 光伏产品 光伏系统 改进与提高 材料的筛选和选择 验证设计和工艺 产品认证 制造安装（10-25年寿 命） 过程 输出 耐候性测试 耐候性测试方法探究 3 个光伏组件 紫外光试验 不同气候地区暴晒 （根据气候分区要 求） 组件1 自然暴晒试验 组件2 复合环境加速试验 组件3 特殊要求加速试验 盐雾试验 冷凝湿度 光-热-湿度循环试验 光-热-湿冻循环试验 户外暴晒试验 光伏组件环境试验 封

15、装材料 （eva、背板、密封 胶） 紫外光试验 组件1 裸片材料 复合环境加速试验 组件2 层压材料 湿热试验 冷凝湿冻试验（仅背板） 光-热-湿度循环试验 （背板、密封胶） 封装材料环境试验 紫外老化测试紫外老化测试 组件实际安装25年内累计的紫外照射量远高于认证测试采用的剂量。加强组件背板紫外老化测试，对光伏电站达到25年使用年限至关重要。 耐磨测试耐磨测试 在中国干热地区，由于强烈的风沙，应在标准中考虑背板耐磨性能。 耐湿热盐雾腐蚀测试耐湿热盐雾腐蚀测试 在湿热地区，要考虑背板材料的耐湿热、盐雾腐蚀性能和粘接力的稳定性。 耐热和防火测试耐热和防火测试 屋顶的组件易出现热斑问题，应考虑背板材料的长期耐热和耐燃火性能。 1. 光伏产品环境条件光伏产品环境条件 气候环境条件分等分级气候环境条件分等分级 国家能源局 2. 光伏组件环境试验要求光伏组件环境试验要求 通则通则 国家能源局 3. 光伏发电系统非金属材料防火安全导则光伏发电系统非金属材料防火安全导则 国家能源局 4. 光伏组件湿热环境技术要求光伏组件湿热环境技术要求 广东省 中国地域辽阔，气候和环境差异明显，安装在不同地区的光伏系统受气候和环境影响各不相同。 发展及推动方向： 光伏组件的差异化设光伏组件的差异化设计和区域化的技术要求。计和区域化的技术要求。 质量分等分级标准。质量分等分级标准。