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投资光伏电站 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:中国电力网


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

“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电站后评估检测后得出令人惊讶的结果。

根据鉴衡认证中心调查,425座太阳能电站中,30%建成的3年以上电站都不同程度出现了问题;由于组件的质量问题,有些建成三年的电站设备衰减率甚至高达68%。如果组件一年衰减超过5%,照此速度,五年后这个电站就报废了。

随着“婴儿期”(运行一年)失效率组件的出现,建设1年的电站成本、收益都出现了较大波动。这样的电站如何保证投资回报率?如何获得银行贷款?如何让投资者、业主放心?

以国内现有的招标交易及竞争环境,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。
 

未经实绩验证的材料损害组件根本

       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。

背板是光伏组件背面的一层复合结构材料,将电池片和组件封装材料与大气环境隔离,为组件提供绝缘保护,它需要长期耐受各种环境应力作用,对组件在户外的可靠性、功率衰减和使用寿命都至关重要。

随着国内电站装机的不断攀升,市场上出现了采⽤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确的关键材料组合才能体现,越来越多的组件质量问题,与背板选材有关,比较常见的失效模式有开裂、黄变、风沙磨损、热斑熔化等,这些问题都对组件造成破坏性损害,使电站存在严重的安全隐患。

PET背板在日本使用广泛,其外层保护材料PET聚酯是非氟材料,非氟材料耐候性较差,直接曝露在户外其高分子链段容易被紫外线破坏,出现开裂现象。图一(a)是日本户外应用12年的143W单晶组件,组件剩余功率为77W,下降了46%,PET背板外观黄变严重,且明显脆化开裂。此类情况并非偶然,PET背板90年代开始被日本厂商用于10年质保的屋顶组件,有些在户外几年内就发生光热老化发黄开裂导致组件功率迅速衰减。市场上一种新型耐水解PET背板在长期综合老化后断裂伸长率下降变脆。

     

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。我国西部地区光照资源充足、土地价格低廉,是大多数大型光伏电站理想建设地。但这些地区干旱少雨、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

上述各类新型材料的背板均通过了相关认证,但都没有得到实际长期户外验证,材料本身的性能缺失使其不能应对各种环境应力。现行IEC标准多为单项应力测试,对紫外测试要求也过低,不能很好的模拟背板材料在户外所受综合应力的老化失效。有些背板厂商通过逆向研发,改进材料通过现有实验室加速老化测试,甚至可以满足两倍、三倍IEC测试要求。但是在实际户外应用中还是出现了开裂、脱层、黄变等失效现象,使电站投资者蒙受巨大损失。

对材料的选择很关键,据了解,目前如果组件供应商在未接到电站投资商对组件的材料要求情况下,从初始成本考虑会优先选择廉价的背板封装组件。而对电站投资商而言,选择经过实绩验证的背板材料才能确保电站最大价值,因此,了解组件材料清单是投资电站的必要功课。
 

从功率衰减看投资回报率

       投资电站,回报率是投资者首要考虑的因素,一座光伏电站需能保证长期稳定运行、保持固定发电量,这是收回投资成本的基础。发电量需要优质组件来提供,因此组件年功率衰减和使用年限对电站项目内部收益率和投资收益净现值的影响明显。

以中国西部一类地区20MW光伏电站为例(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。

  


       采用长期实绩验证的材料可保护组件功率稳定输出

       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。
 

小投入高回报,保障行业可持续性发展

近几年中国西部电站大发展,因电站赶工加上成本考量许多组件的质量有待时间检验。采用PVDF薄膜、FEVE涂料、PET聚酯/耐水解饿PET等外层保护材料的背板,不到四年时间问题逐渐暴露出来,导致组件质量问题频发,太阳能电站投资受到质疑。

从投资成本计算,初始投资采用较低成本的背板材料,导致不断的质量问题,实质上增加了长期成本,降低了电站投资回报率,增添了电站运营风险。

以西部一类地区为例来进行比较,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。
 

 
关键词: 光伏电站
 
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