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投资光伏電站 请先了解材料清单

放大字体  缩小字体 发布时间:2014-10-14  来源:中國電力網


        频发的质量问题、高衰减率组件正在中国西部光伏電站蔓延,可能会将过去三年积累的光伏電站成绩打入尘埃。

“部分多晶硅电池组件2-3年功率衰减3.8%-7.0%,非晶硅3年功率衰减达20%。” 中科院电工所在对青海省太阳能光伏電站后评估检测后得出令人惊讶的结果。

根據鑒衡認證中心調查,425座太陽能電站中,30%建成的3年以上電站都不同程度出現了問題;由于組件的質量問題,有些建成三年的電站設備衰減率甚至高達68%。如果組件一年衰減超過5%,照此速度,五年後這個電站就報廢了。

隨著“嬰兒期”(運行一年)失效率組件的出現,建設1年的電站成本、收益都出現了較大波動。這樣的電站如何保證投資回報率?如何獲得銀行貸款?如何讓投資者、業主放心?

以国内现有的招標交易及竞争环境,单独的太阳能电站组件供应商没有力量挽回这一局面,有些事情,需要电站业主、投资商自己把关。
 

未經實績驗證的材料損害組件根本

       组件是太阳能电站最重要的组成设备,电站的质量、发电量、收益率、价值都与它息息相关。它主要由太阳电池、封装材料、背板、玻璃、边框、接线盒等组成,这些材料都对组件性能、质量产生影响,电池片是核心,外面的封装材料都是为了保护它,其中一个关键的保护材料是处于最外层的背板,一旦背板失效,里面的封装材料、电池片就如失去蔽护的花朵,随环境凋零。

背板是光伏組件背面的一層複合結構材料,將電池片和組件封裝材料與大氣環境隔離,爲組件提供絕緣保護,它需要長期耐受各種環境應力作用,對組件在戶外的可靠性、功率衰減和使用壽命都至關重要。

随着国内电站装机的不断攀升,市场上出现了采?不同材料和结构类型的背板,目前比较常见的背板外层保护材料有杜邦™ 特能® (Tedlar®) PVF薄膜、PVDF薄膜、FEVE涂料、PET聚酯/耐水解PET、PA聚酰胺。

背板的重要性能需要正確的關鍵材料組合才能體現,越來越多的組件質量問題,與背板選材有關,比較常見的失效模式有開裂、黃變、風沙磨損、熱斑熔化等,這些問題都對組件造成破壞性損害,使電站存在嚴重的安全隱患。

PET背板在日本使用廣泛,其外層保護材料PET聚酯是非氟材料,非氟材料耐候性較差,直接曝露在戶外其高分子鏈段容易被紫外線破壞,出現開裂現象。圖一(a)是日本戶外應用12年的143W單晶組件,組件剩余功率爲77W,下降了46%,PET背板外觀黃變嚴重,且明顯脆化開裂。此類情況並非偶然,PET背板90年代開始被日本廠商用于10年質保的屋頂組件,有些在戶外幾年內就發生光熱老化發黃開裂導致組件功率迅速衰減。市場上一種新型耐水解PET背板在長期綜合老化後斷裂伸長率下降變脆。

     

图一. (a)12年日本安装组件PET背板开裂;(b)4年西班牙安装组件PET背板开裂;(c)14年日本屋顶安装组件PET背板发黄脆化
 

FEVE涂料背板开裂的情况也比较严重,在美国新泽西州一座3年的电站(图二),组件中使用了FEVE涂料和基于杜邦™ 特能® (Tedlar®) PVF薄膜的两种背板,其中采用FEVE涂料背板的一块组件,背板外面的FEVE涂层从PET基材上剥落,剥落方向沿焊带方向,可能是由于焊带热胀冷缩应力导致FEVE涂层开裂。从该电站组件取这两种背板样品,进行划格试验测试背板外层与PET基材粘结力(图三),户外使用3年的FEVE涂料背板其外层涂层可从PET基材上剥离,说明FEVE涂层与PET基材粘接力较弱导致户外脱层开裂,杜邦™ 特能®(Tedlar®)PVF薄膜则完好粘结在PET基材上。

 

图二. 美国新泽西州安装3年电站组件FEVE涂料背板涂层开裂剥落

 

图三. 美国新泽西州安装3年电站组件(a) 组件使用的FEVE涂层背板涂层剥落;(b)对这些户外组件使用的FEVE涂层背板和杜邦™ 特能®(Tedlar®) PVF背板的划格试验结果 
       

FEVE涂层脆弱受热应力容易开裂,且FEVE分子链为聚氨酯结构,仅有少量含氟链段。除此外,FEVE涂层耐磨性差,受环境的影响大,组件、电站所承受的风险也较高。我国西部地區光照资源充足、土地价格低廉,是大多数大型光伏電站理想建设地。但这些地區干旱少雨、地表沙化严重、风沙活动强烈,随着户外使用时间的延长,风沙磨损会不断减薄背板外表层材料的厚度,所以背板外表层耐磨性能和厚度非常重要。

同样出现问题的还有PVDF薄膜背板,PVDF背板容易发生热斑熔化、受热脆化和应力开裂。在美国亚利桑那州、以色列和西班牙等地面和屋顶电站(图四),某PVDF单面氟膜背板内层在五年内普遍发生黄变现象 (10%-75%电站组件)。单层氟膜背板容易出现内层发黄现象,专家建议在苛刻环境下使用双面氟膜杜邦™ 特能® (Tedlar®)TPT背板以避免内层紫外老化导致的失效风险。同时PVDF薄膜背板还出现了因热斑问题导致熔化起泡开裂现象,原因是PVDF薄膜熔点大约只有160 oC -170 oC,对比杜邦™ 特能®(Tedlar®)PVF薄膜熔点大约为190 oC-200 oC。
  

 

图四. PVDF背板热斑失效。(a)美国亚利桑那安装2年组件背板因热斑熔化和开裂;(b)以色列电站组件背板热斑熔化起泡;(c)西班牙屋顶组件安装2年内背板热斑老化开裂;(d)为(c)的局部放大图

上述各類新型材料的背板均通過了相關認證,但都沒有得到實際長期戶外驗證,材料本身的性能缺失使其不能應對各種環境應力。現行IEC標准多爲單項應力測試,對紫外測試要求也過低,不能很好的模擬背板材料在戶外所受綜合應力的老化失效。有些背板廠商通過逆向研發,改進材料通過現有實驗室加速老化測試,甚至可以滿足兩倍、三倍IEC測試要求。但是在實際戶外應用中還是出現了開裂、脫層、黃變等失效現象,使電站投資者蒙受巨大損失。

對材料的選擇很關鍵,據了解,目前如果組件供應商在未接到電站投資商對組件的材料要求情況下,從初始成本考慮會優先選擇廉價的背板封裝組件。而對電站投資商而言,選擇經過實績驗證的背板材料才能確保電站最大價值,因此,了解組件材料清單是投資電站的必要功課。
 

從功率衰減看投資回報率

       投資電站,回報率是投資者首要考慮的因素,一座光伏電站需能保證長期穩定運行、保持固定發電量,這是收回投資成本的基礎。發電量需要優質組件來提供,因此組件年功率衰減和使用年限對電站項目內部收益率和投資收益淨現值的影響明顯。

以中国西部一类地區20MW光伏電站为例(图五),假设组件年功率衰减为0.8%,组件使用年限从 25 年下降为10年,那么光伏项目内部收益率会从11.39%下降为4.89%,投资收益净现值减少3.28元/瓦。再假设组件使用寿命为25年,组件年功率衰减由 0.8%上升为 5.0%,项目内部收益率将从 11.39%下降为 2.02%,投资收益净现值将减少4.02元/瓦。

  


       采用長期實績驗證的材料可保護組件功率穩定輸出

       近几年组件功率高衰减成为普遍问题,这与采用未经户外长期验证的新材料有关,组件和电池材料质量对光伏系统投资回报有很大影响,背板作为关键材料首当其冲。

前面提到背板的各种失效模式,如开裂、黄变、老化等都是造成组件功率衰减的诱因,背板一旦老化开裂, 保护层下的EVA封装材料衰减和腐蚀加速,组件绝缘性能下降,湿漏电增加,这些都会加速组件功率衰减。

       欧盟的联合研究中心(JRC)从上世纪八十年代开始对晶硅组件进行20余年的户外组件实证研究,发现采用玻璃作为背板的组件(双玻组件)功率衰减明显且波动大,最高超过60%,不利于电站长期稳定运营。而采用基于杜邦™ 特能®(Tedlar®)PVF薄膜背板(不含铝膜)的组件在户外使用约20年后,功率衰减均低于20%,平均年功率衰减仅为0.3%。

       目前市场上唯一经过长期户外实绩验证的是基于杜邦™ 特能® (Tedlar®) PVF 薄膜背板,国内外早年建设的电站基本都采用该背板。日本、德国、意大利等国研究所通过组件长期户外老化研究也证明使用杜邦™ 特能® PVF 薄膜背板的组件可保护组件20年以上功率衰减的稳定期。国内一些研究单位对国内光伏系统长期功率衰减也进行了相关研究,中山大学沈辉等对海南岛采用杜邦™ 特能® (Tedlar®) PVF薄膜背板的177片Solarex多晶硅组件功率衰减研究表明,即使在湿热气候条件下使用了23年,这些组件的平均功率衰减仅为6.1%,且主要原因是由于封装材料EVA发黄透光率下降导致的短路电流下降。
 

小投入高回報,保障行業可持續性發展

近幾年中國西部電站大發展,因電站趕工加上成本考量許多組件的質量有待時間檢驗。采用PVDF薄膜、FEVE塗料、PET聚酯/耐水解餓PET等外層保護材料的背板,不到四年時間問題逐漸暴露出來,導致組件質量問題頻發,太陽能電站投資受到質疑。

從投資成本計算,初始投資采用較低成本的背板材料,導致不斷的質量問題,實質上增加了長期成本,降低了電站投資回報率,增添了電站運營風險。

以西部一类地區为例来进行比较,一款组件采用经过长期户外实绩验证的材料,使用25年,度电成本为0.76元,可带来0.14元/千瓦时净收益。另一款采用低质且未经长期户外实绩验证的材料,使用年限可能只有10年,度电成本为1.07元,将导致0.17元/千瓦时的净亏损。

价格方面,基于杜邦™ 特能®(Tedlar®)PVF 薄膜的TPT背板与单面氟膜背板(如单面PVDF背板)价格仅差0.10-0.12元/瓦,只需多发25-29天电就可收回成本差异。而基于杜邦™ 特能®(Tedlar®)PVF 薄膜的TPx背板(如TPE背板)与单面PVDF背板仅差0.01-0.02元/瓦,只需多发1-4天可收回成本差异。优质背板材料带来的投资回报与隐含风险存在质量问题的廉价背板,孰轻孰重,相信充满智慧的投资商算得清。
 

 
關鍵詞: 光伏電站
 
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