INDUSTRY DYNAMIC
行业动态
首页 > 行业动态 > 行业新闻 行业新闻
光伏电站建设“背后”:隐裂的材料风险
发表日期:2013-11-18

    欧洲某太阳能电站,一位电站业主走到电站边缘,惊讶地看着自己为建造太阳能电站采购回来的组件,背面从明晃晃的银白色,变成了大片大片的淡黄色,远远望去,像极了一朵朵盛开的向日葵。然而,此刻的向日葵却让人高兴不起来,反而让人感到了恐惧。好端端的组件怎么变了颜色?

    业主找来组件供应商,组件供应商解释:“这是正常现象,就像人晒太阳久了,即便擦了防晒霜,还是会变黑。”

 

    然而,再怎么解释也掩盖不住业主的担忧,组件供应商将黄变严重的一批组件进行了撤换。尽管如此,隐患埋在了电站运营商的心里,事后,他找来鉴定专家,对黄变严重的组件进行分析评估,发现了一个惊人问题:这些组件的黄变,跟一个关键的封装材料-背板,有密切关系。

 

    往往一块组件出现黄变,一方面意味着它的透光率开始降低,另一方面,也预示着开裂的前兆。”霍尼韦尔Honeywell光伏背板事业部经理李大松阐述道。

 

    背板黄变是一个业内普遍存在的现象,多发生在光照比较强的地方,比如西班牙,使用了不抗紫外的EVA及不抗紫外的背板,长时间会导致背板的加速老化,从而黄变,对组件使用寿命产生影响。”航天机电产品经理魏屹东曾到欧洲各国的电站进行考察,他表示,不止一家运行商,基本上每家公司都会遇到这个问题。

 

    面对这个问题,杜邦公司光伏解决方案全球市场总监ConradBurke直言不讳地发出警示:“背板对于组件保护与使用年限扮演关键角色,它是组件与环境之间的电气绝缘体。背板失效可能导致重大灾难、无预警电力衰减并危及安全。如此巨大冲击可能损害品牌声誉甚至人身安全,需要引起足够重视。”

    
  确保组件及电站安全


   与人一样,组件也需要对抗紫外、抗老化。它需要减少光老化衰减,保持25年使用寿命。如果要用“防晒霜”做比喻,

那么光伏背板就如同组件的防晒霜,背板性能的好坏决定组件抗紫外与曝晒的能力。

 

 

    众所周知,大部分光伏组件长期暴露在户外,紫外光、水汽、高低温、化学气体、风沙等各种外部环境都会使组件受到影响,这是对组件部件、材料以及制造质量的考验。作为组件最外面保护层的背板,需要对此肩负更多的责任,因此背板需要综合多种性能。

 

    杜邦ConradBurke向《PV-TechPRO》表示:“为了保护组件达25年,背板必须具有三个关键特性:耐候性、机械强度和黏着力,同时要兼顾这三个特性的最佳平衡。”


其中,耐候性主要包括抗紫外、耐水解、高低温(昼夜温差)、风沙磨损等,它帮助组件适用于全球不同的地域及气

候环境。比如在风沙大、气温高的沙漠地区,好的背板可以经受风沙及外部尖锐器械的物理磨损;在一些容易发生火灾的地

方,以氟膜为基础的背板可以帮助防火,减少安全隐患。”Honeywell李大松解释。

 

    肯博Krempel公司技术顾问吴立补充表示:“好的背板保护电池片不受环境影响从而高效发电,并始终起到绝缘保护作用。”

 

    背板对组件内部的电池、EVA等起到保护作用。一款质优的背板不仅可以起到保护作用,还有一个关键作用-绝缘。如果一款背板的阻隔性差,那么其水汽透过率会比较高,不能阻隔外来的恶劣因素,会导致外部的水汽进入到组件里,加速EVA的降解和导电材料的腐蚀,电池性能的衰减,组件功率下降,时间长了还将引发漏电。这不仅对组件发电量产生影响,同时也会形成触电危险。另外,根据一项最新研究显示,背板透水率过高可能会加速组件PID或闪电纹现象的形成。

 

    对于由组件阵列组合发电的太阳能电站而言,这些都是隐患。电站运营商采购并使用这样的组件,初期投入成本得到控制降低,但后期运营维护成本将不断推高,同时发电量未必能获得保障,而采用质量好且经过长期实际验证的背板可以减少组件失效风险和长期保持组件高功率,有些甚至有助于提升组件转换效率,如Honeywell开发的PowerShieldTMCoolBlack就以此为目标。

    

    认知背板:材料是关键

   

    背板的质量由其中关键材料决定,有意思的是,背板同样以所使用的材料结构而进行分类。

 

    杜邦公司将背板分为三大基本类型:双层氟材料、单层氟材料以及非含氟材料,并告知每种类型中又有多种结构。市场上将杜邦的分类通俗地分为两类:含氟类与不含氟类。

 

    然而,Honeywell李大松表示:“由于近两年成本压缩的厉害,现在背板公司在向组件企业解释是否含氟的问题上,界限开始变得模糊,因为哪怕只有少量氟塑料,也可以解释为含氟。现在一些涂层背板也称其含氟,但是含氟量具体占比不得而知。”

 

    在综合各家所言后,本刊将背板分为三大类:第一类是传统的以氟膜为基础的复合型背板(如TPT、TPE、KPK、KPE、单面THV),第二类PET为基础的非氟背板,第三类为氟涂层背板(coating)以及其他新型材料。

 

    其中第一种是经受过行业考验,生产及使用最早也是较稳定传统的背板产品,具有代表性的材料/背板供应商有杜邦、台虹科技、3M、阿科玛、Honeywell以及日本东洋,国内主要代表企业为赛伍。值得注意的是,杜邦、阿科玛并不生产背板,而是生产其中的关键材料,杜邦拥有其品牌氟膜产品Tedlar?PVF薄膜,阿科玛提供Kynar?PVDF膜。Honeywell与3M则涉足氟膜整条产业链,如表一。

    

 

为什么是氟膜?

 

    “因为品质好的氟膜可以经受住外部的紫外线老化,紫外对其影响不大,耐候性很好。背板产品能不能耐25年,其关键材料的分子结构就决定了他是否具备这个能力。氟膜经高温熔融,由高分子形成一整张膜,致密性很好,机械强度较高,不易被破坏。与PET粘接后,即使在使用中有部分脱胶,表面的薄膜仍然完整,仍能保护内部的PET层。”浙江大学高分子材料专业出身的李大松表示,即便从微观层面分析氟膜的结构及性能,他同样有信心。

 

    对于近两年使用量逐步上升的第二类PET非氟背板,李大松指出:“事实上,PET早期对产品的质保是10-15年,而且是针对屋顶,对外部环境的要求缓和一些,应用环境不太苛刻。后来PET材料生产厂商通过对PET进行一些改进如在其中加入一些抗紫外剂等,在一定程度上延缓紫外伤害,但它本身并不能改变聚酯材料的本质。如今日本对组件的补贴年限延长至20年,这让很多日本组件厂商也开始改变对背板的选择。”

 

    此前有报道称PET非氟背板在紫外老化后发黄,存在脱层开裂风险。然而第二类背板代表企业日本东丽Toray、康维明Coveme提出了异议,他们表示PET背板成本较低,易加工处理,层间粘合度高,外观问题少。

 

    在一个问题上,复合型背板与PET非氟背板供应商观点出现一致,他们将问题抛给了氟涂层背板:“现在的FEVE涂层背板,经化学交联形成,相对尖锐的机械形态甚至硬币就容易致其脱落,耐磨性能也很差,不适合风沙较大的西部电站应用。不是所有材料能够承担这个角色。FEVE涂料在PET表面形成涂层机械强度低,热胀冷缩会让塑料材料裂开,在潮湿温差又大的地方,背板很容易脱落开裂。一旦开裂,涂料就会从PET表面脱落或水汽渗入而失去保护作用,而且涂料在涂布过程中非常容易形成针孔而使水汽阻隔能力下降。”

 

    对于上述观点,新近进军光伏产业的日本富士胶片给出了不同看法,他们带来一款新的背板产品。富士公司执行董事后藤佳久介绍,富士新型无胶涂覆强化背板结合了富士胶片公司用于胶卷的两个原创核心技术,一是强化PET基膜制造技术,二是无胶型涂布精密成型技术。他表示:“新型背板首次通过美国UL公司认证的具有长期极限使用最高温度(RTI值为130℃)的250微米厚的强化PET(耐水解PET)用于背板中间层,不用胶黏剂。”相比传统复合型TPE背板,他们认为其优势集中体现在经过加速老化试验后,依然维持原有发电效率、原有水蒸气透过率、原有击穿电压等高耐候性与安全性。

 

    江苏赛拉弗公司使用了富士公司的新型背板,CTO金鹏表示,过去一年时间里公司试验了多种背板,最后选择富士后生产的组件出货到欧洲地区,截至目前约有几十MW。

 

    说起氟涂层背板,它的开发与兴起跟整个市场局势息息相关,在前几年光伏市场很好的时候,由于国内对光伏背板的需求旺盛,使得氟膜的供应一度紧张,特别是杜邦的Tedlar?PVF膜,形成供不应求的局面。为了抓住这一波发展高潮,国内企业开发了一种新型背板,不用氟膜,而是用涂料直接涂覆到PET薄膜上。这样材质的背板降低了门槛及价格,在材料短缺又有价格优势的前提下,市场被打开。目前苏州中来、联合新材是氟涂型背板的主要供应商代表。

怎样的标准与测试更具意义?

 

    业内关于上述哪一类背板产品性能最优虽有一定界定,但这个界定目前正逐渐变得含糊,每一类背板都有生产商,都有其拥护者,都试图说服客户相信并使用他们的产品,由于没有标准及公认统一测试,为所有背板产品提供了发展的温床。

 

    根据户外环境的实际情况,对背板大致形成了六个方面的测试需求:紫外、温度、湿气、环境腐蚀、电气绝缘以及物理保护。据了解,目前国际标准停留在几年前的阶段,跟不上当前对背板的要求,背板的测试多与组件测试放在一起进行,现在针对背板的标准是IEC61730,而测试中只做局部放电测试。

 

    为了体现品牌背板的性能优势,市场上出现了各种单项测试、强化测试等。“业内也有认证机构的测试,但测试方法不统一,过分宣传单一性能指标;新背板公司不断推出产品,但具有长期室外使用经历的背板只有1-2种。目前Krempel公司在领导IEC背板规范制定。”肯博吴立告诉《PV-TechPRO》,对于背板标准的制定不是一家在期待,但这个过程因为涉及到各方利益而显得漫长且难产。

 

    有些新进入公司通过几倍IEC的测试认证来强调自身产品的优势,关键是,这些认证是否有意义?有些称为加速老化试验,以PCT60-90hr(121℃/100%/2atm)条件为例,121℃并非户外老化机理,堪称破坏性测试。测试的目的不是为了在极端单项条件下破坏产品,而是在接近户外与模拟实际使用环境的情况条件下进行测设,才符合寿命老化测试要求,这是现在认证测试中所缺的重要一环。”杜邦(中国)研发技术中心服务经理付波博士指出,“现在的背板认证测试对湿热老化要求过度而紫外老化标准过低,而背板的湿热时间不需要这么长,1000小时已经足够,美国NREL实验室对此进行过模型研究。”

 

    付波表示,“未来背板测试标准有如下一些发展趋势:1)长期光热老化测试,如一般沙漠条件下背板25年会接受275kWh/m2紫外曝晒,而一般温和环境也达171kWh/m2,这类测试能更好的检测出一些不耐紫外光热老化的材料,暴露其黄变开裂的潜在风险;2)综合老化测试,对背板材料同时进行紫外与温湿度多应力老化,更接近户外实际老化过程,使材料老化不光停留在材料表面;3)序列老化测试,如组件背面的紫外曝晒再冷热循环,可以更好模拟背板在户外老化后耐受昼夜和季节温差变化所产生应力的影响;4)应用环境加项测试,如落砂磨损(西部电站),耐化学品腐蚀(沿海环境,牲畜大棚,工业城市等)。”

 

    在苏州赛伍应用技术有限公司总经理吴小平看来,目前的背板测试不仅为背板企业提供了温床也为组件厂找到了借口:“由于缺乏对材料可靠性原理的认知和创新能力,只要背板能通过测试标准,那么组件厂就有了不需要被追究的理由而大胆使用危险的背板,但目前的测试方法是不完备的。有机物工业材料的可靠性分析和判断,历来难以用一种固化了的测试方法作决定性的判断,应该是‘测试结构+从分子结构和交联体系的理论分析+实绩’这三位一体的综合方式作出全面的分析和判断。”吴小平表示目前赛伍参与了背板国标的制定,预计国标将于2013年年底可以出来。

 

    另外,现在的IEC认证测试缺少紫外老化和耐候性测试,比如IEC认证测试的紫外剂量只相当于户外70天内的曝晒,同时也未要求对组件背面做紫外测试。为了尽快解决这一问题,目前肯博、杜邦等材料供应商正在就背板商讨更新IEC标准,但IEC标准的更新制定需要一个时间过程,在这个过程中需要企业自觉。

 

技术路线决定成本

 

    因为无统一标准以及混乱测试,光伏背板成为众多被外资垄断的高端材料中,率先被国产军团撕开一个缺口的环节,这个撕开的口为氟涂层背板。因为国产化,最近几年市场竞争走向了“百家争鸣”的局面,既有国际一流材料供应商,同时中国国内也涌现出了大大小小几十家背板公司。

 

    所有公司生产的背板,其选用的材料及结构都有差异,使得市场上充斥着各种背板产品。这样的结果直接导致背板市场逐渐变得混乱,最突出表现为价格的混乱,据了解国内的背板厂家价格混战非常剧烈,价格从10RMB/m2到50RMB/m2不等。其次,质量参差不齐,背板虽然被打开了缺口,但真正意义上背板的关键材料核心技术门槛高,并不是所有企业都能掌握,且大部分为国际材料供应商垄断。

 

 

为什么有些价格低有些价格高?

 

    技术路线决定成本,每一种类型的背板都有价格差别,比如第一类以氟膜为基础的背板价格最高,比PET背板价格高出10-15%,且每一同类型背板中价格也不一样,而氟涂层背板价格又相对较低,有些新型材料还处于试验阶段也被使用。三种类型的背板将价格区分为三个等级,而每个等级之间也有价格差异,这样一来,成本的差距被拉大。在成本压力下最近一年氟膜背板价格也出现大幅下降,许多制造厂家采用的方法是降低膜厚,有些减膜出现在不合理范畴内,对背板质量产生很大影响。

 

    即便我们不赚钱也做不到氟涂层背板的价格。”来自第一类背板企业均表示正承受市场价格压力。面对市场环境处于成本当道又低迷的窘况,杜邦表示对保护组件关键材料的质量仍不容忽视,且全球的光伏产业参与者都应该对此有所警觉,因为质量将是决定光伏产业是否有可持续发展的关键因素。除了受到价格冲击,近年来多家公司开始尝试使用其它氟材料薄膜来替代PVF膜,如聚偏氟乙烯(PVDF)、乙烯与三氟氯乙烯共聚物(ECTFE)以及国产氟膜等,这些增大了背板公司的选择空间。

 

     “我不赞同以减法的方式降低成本,现在整个行业都在竞赛减法,‘白色家电化’趋势是一个恶性循环。”赛伍吴   小平示,应以技术革新实现降本,并提到赛伍开发的Flursoskin?技术(氟皮膜?),对KPE进行产品升级,通过用氟   解决E膜的劣势来实现产品质量提升及成本降低,回归双面含氟复合型背板KPF。吴小平向《PV-TechPRO》介绍,E膜  2010年首创技术并获得专利,其KPE背板第一家使用于天合光能,此后其他背板公司开始跟进。但在使用中发现   题,E是软化点只有90℃左右、120℃左右熔点的热塑性聚乙烯类薄膜,存在隐患,首先是其热塑性,在组件层压时   产生收缩力,使电池片应力积蓄;其次耐紫外性差、易老化,老化后粉化导致耐局放失效,同时E膜还是隔热材料,背板除   基本功能外,需要散热,这些都使E膜无法长期承担保护及使用的角色,需要改进。他表示,KPF是未来背板的一个趋势,开创OneKPF时代,回归简单化的高可靠性。

  

    国产背板中除了赛伍、海优威等,近期国内还有一家江苏金瑞晨新材料公司开始了背板的生产,其FPE背膜日前通过CPVT(国家光伏质检中心)测试试验。据了解金瑞晨背板定位为以氟材料为基础的复合型背板,采用日本吴羽化学(KUREHA)的PVDF材料作为含氟耐候层,吴羽化学PVDF材料有近30年应用历史。

 

    LuxResearch市场调研公司表示,目前晶硅组件的材料需求是最大的市场机遇,预计其在2018年可增至238亿美元。诸如背板、非EVA封装、金属涂料和组件玻璃的防反射涂层等材料则具有创新机遇并且是产品使用质量的基石。正是这种市场机遇吸引越来越多材料供应商,如富士胶片等也进入了太阳能产业,新进入者将进一步搅动这个细分供应链产业市场,需要引起下游组件厂商及电站运营商的注意。

 

令人惊讶的背板使用情况

 

    背板的多元化发展直接影响到了他的下游,面对众多背板材料供应,组件企业的选择也不尽相同,其中不乏一些让人惊讶的发现。

 

    第一家让人感到意外的公司是韩国一家大型光伏上市公司,他们的组件选择了大部分使用第三类氟涂层背板,是中国苏州中来(Jolywood)公司的最大客户。

 

    第二家倍感意外的公司是来自中国江西一家知名光伏上市公司,他们是Isovoltaic的最大客户之一,据多家背板材料商透露,该公司使用Isovoltaic背板有接近三年时间。当然,其也有其他背板供应商,背板类型选用比较广泛。

 

    Isovoltaic于6月表示,由于2013年第一季度的订单明显高于预期,使得公司提高了欧洲和亚洲的工厂的利用率并实施多班运转。公司将在中国扩大生产,运营新工厂ISOVOLTAIC(苏州)复合材料有限公司,工厂将于今年秋投入使用,

Isovoltaic是承认需求提高的首批材料供应商之一。

 

    第三家有点出乎意料却又在情理之中的公司是尚德电力,尽管如今面对众多外债、面临破产重组的命运,但无锡尚德在生产中一如既往地保持其对原材料的使用传统,优先第一类复合型背板,让不少背板供应商称赞,只是其现在的付款能力让尚德以及供应商出现两难。

 

    这可能与尚德电力是由施正荣博士一手建立并发展有关,毕竟技术出身,摒弃现在的种种不是,尚德对质量的把控及对技术的追求是它在全球行业内树立起来的口碑,这一点是勿容置疑的。”一位背板公司的高层如是说,他表示,尽管目前他们公司的复合型背板没有进入尚德,但是尚德让他们看到希望,因为其对一些关键方面的质量把控,不是所有企业能做到。

据笔者了解,目前主流组件厂如英利、中电、阿特斯、晶澳、尚德、昱辉阳光、天威、航天机电、向日葵、国电晶德等基本上大部分选用复合型背板,前两年复合型背板大约占到市场份额的68%,其次为PET型背板,大约占20%,第三为氟涂层背板占比7%,其他占比5%。

 

    数据显示,自2012年开始受到市场及价格因素的影响,使用PET型背板的市场占有率明显上升,其他一些大厂如天合光能、海润光伏、中利腾辉等开始选择使用一部分PET型非氟背板,氟涂型背板同样如此,而复合型背板市占率则下降(如图二)。根据组件厂商的反馈,使用什么类型的背板与他们的组件出货市场有一定关系。同时,不同类型的背板在一些认证测试中所表现出来的性能并不一样,而有时,正好某个性能达标是他们所想要的。

 

    市场份额占比出现变化还有一个决定性因素——价格,近两年国内组件厂家迫于急速降本压力,出现了一种采购怪圈,即在缺乏深入研究与了解的情况下,相互打听竞争对手所用材料和相互比价成了采购材料的依据。前面提到,三种背板分别有三个阶梯价格,比较下来,复合型背板明显高于其他类背板,如此,为什么一些质量无法保证、具有风险的背板能够被采纳,答案显而易见。

 

    

 

25年的风险

 

    通过长期户外曝晒的25年终极考验,真正发挥其最大作用,并不是所有背板都能成功,文章开头电站出现的情况并不是偶然发生,也不是仅此一例。鉴于目前背板及其他关键部件、材料的使用情况,可以预见再过几年,户外运行的组件将出现大规模的问题爆发。

 

    其中,中国西北光伏电站群是一块大试验田,近两年各种类型各种质量的组件都被运输到这里,成群结队地被铺陈在荒无人烟的地区。相对背板而言青海地区是最大隐患区之一,那里紫外强、气候干燥、风沙大、昼夜温差大,这些条件直指背板的命门,背板经历几年后随时可能出现开裂,开裂后的组件没有了防护层的保护,功率衰减、局部漏电、火灾等隐患发生频率将大大增加,一些温度高的沙漠地区,则可能上演“火焰山”。

 

    目前已经有电站运营商相当重视这个问题,包括近两年进入光伏领域的中国五大电力公司开始关注电站质量,他们对用于中国西部的光伏组件供应商明确表示,其电站指定使用Tedlar?PVFTPT背板。尽管每平方米的单位价格稍高,但权衡输出电力及电力衰减程度,经受户外25年考验的背板,长期来看投资回报仍高于其他。

 

    光伏电站是一项巨额投资且需长期收益回收的长线资本项目,如同火力、水利、核电发电站一样,它们的零部件和材料设计都需有很大的余量,每一个环节都严谨且细致,需要承担更大的责任,是不同于普通制造业的制造。光伏制造商不应该在建设之初因为攀比投标价而偷工减料,毫无原则地将建造电站的关键部件粗制滥造,由这些产品建成的电站能走多远,将直接影响整个光伏产业的发展。这种情况在中国比较常见,但在发达国家几乎没有,这是一个原则问题,目前西方担心中国组件及背板企业以失去底线为代价获得或维持市场份额。

 

    正如PID现象一般,前几年没人关注PID的影响,从去年开始由电站终端传导至组件、电池及EVA材料供应商,成为各方关注的重点。当问题进一步暴露遭受到损失再弥补为时已晚,对于一座需要保证运行25年的发电站而言,防患未然更重要。对此,PV-Tech将持续跟进并关注背板材料在组件中的运用以及终端电站使用情况,另外,下期光伏背板专题我们将更细致对比各关键材料的优劣及使用情况。

(PV-Tech)

 

 

 

 

 

 

 

 

企业风采   地理位置   联系我们 版权所有: 江苏金瑞晨新材料有限公司   公司地址:苏州吴中经济开发区澄湖东路8号   技术支持:新天地网络     备案号:苏ICP备12071028号-1