鍍膜玻璃對光伏組件戶外輸出性能的影響

3M中國有限公司 ■ 劉紅亮

0 引言

光伏玻璃鍍膜技術(shù)由于可提升光伏組件的輸出性能，在光伏組件廠得到日益廣泛的應(yīng)用[1]。目前在市場上的光伏玻璃減反鍍膜液品類眾多，業(yè)內(nèi)也主要以提升光伏鍍膜玻璃的透過率為主要關(guān)注點，而對于鍍膜玻璃在戶外長期使用過程中對光伏組件輸出性能的影響，卻缺乏相關(guān)研究。

3M減反溶液為水相溶液，相比溶劑型溶液，具有安全環(huán)保、涂布工藝簡單、涂布外觀均勻、單位重量涂布面積大的特點。本文通過對使用3M減反鍍膜液鍍膜玻璃及常規(guī)鋼化玻璃封裝的光伏組件進行長期戶外功率跟蹤測試，對測試數(shù)據(jù)進行分析，并對使用3M 減反鍍膜液鍍膜玻璃對于光伏組件在實際戶外條件下長期輸出性能的影響進行研究和探討。

1 實驗樣品

為了確保實驗結(jié)果的準確性，本次對比實驗中兩種光伏組件所使用的材料，除玻璃有鍍膜與無鍍膜的差異外，其他材料都嚴格一致，具體組件材料BOM參數(shù)見表1(使用3M減反溶液鍍膜玻璃的組件定為A，使用常規(guī)鋼化玻璃的組件定為B，下同)。

組件A、B的初始電性能測試數(shù)據(jù)見表2，EL測試(電致發(fā)光檢測)結(jié)果見圖1。

表1 組件A、B的BOM表

2 實驗方法

表2 組件A、B電性能參數(shù)

圖1 實驗組件EL測試結(jié)果

測試組件以20°的傾角安裝在3M上海實驗室的屋頂，朝向為南偏東18°。對組件進行45天暴曬光衰后，連接至戶外測試系統(tǒng)進行長期功率跟蹤測試。

使用戶外功率測試系統(tǒng)對兩片測試組件進行實時監(jiān)控，每天測試起止時間為8:00～17:00。測試系統(tǒng)可實時記錄組件的電性能參數(shù)(功率、開路電壓、斷路電流、最大功率點電壓、最大功率點電流、串聯(lián)電阻、并聯(lián)電阻、填充因子)及環(huán)境參數(shù)(輻照度、風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度)。測試系統(tǒng)的測試界面如圖2所示。

圖2 測試系統(tǒng)測試界面

測試系統(tǒng)每2 min進行一次數(shù)據(jù)采集，通過實時功率測試結(jié)果對時間做積分，可得到每塊組件的發(fā)電量數(shù)據(jù)。結(jié)合測試的環(huán)境參數(shù)及天氣情況，對測試結(jié)果進行歸納分析。

3 實驗結(jié)果

組件A和組件B的月度發(fā)電量對比如圖3所示。結(jié)合STC條件下的功率測試結(jié)果，初始的功率增益約為1.3%；7個月的戶外功率跟蹤測試結(jié)果顯示，組件A相較于組件B的功率增益均值約為4%。

圖4為2014年3月組件A、B日發(fā)電量及增益曲線。結(jié)合3月(見表3)天氣氣象數(shù)據(jù)可知：在陰雨天過后，組件A相較組件B，功率增益值出現(xiàn)一個峰值，表明雨水對組件A的清洗效果要優(yōu)于組件B。

圖3 組件A與組件B月度發(fā)電量對比

圖4 2014年3月組件A、B日發(fā)電量及增益曲線

表3 2014年3月上海天氣情況

圖5為2014年3月15日，輻照度較好的一天內(nèi)，組件A相對于組件B的功率增益隨輻照度的變化曲線。由圖5可知，14:00后，在同等輻照條件下隨入射角度的變化，組件A相對于組件B的功率增益有顯著提升，表明鍍膜玻璃組件在低角度入射的條件下，相較于常規(guī)玻璃組件有明顯的增益效果。

圖5 組件A相對于組件B功率增益隨輻照度變化曲線

4 功率增益機理分析

綜合以上測試結(jié)果，除去鍍膜玻璃初始透過率增益帶來的功率增益，鍍膜玻璃的自清潔性能及鍍膜玻璃在低角度入射條件下的增益，也是在實際戶外條件下，使用3M鍍膜減反射溶液的鍍膜玻璃組件相較常規(guī)玻璃封裝組件表現(xiàn)出較高功率增益的原因。以下對鍍膜玻璃的自清潔性能及低角度入射條件下的增益進行探究。

4.1 自清潔性能

納米SiO2涂層的自清潔功能，主要是由其超親水性能實現(xiàn)的。超親水涂層的制備方法，按照超親水的機理可分為兩大類：一是粗糙度致超親水，即通過對玻璃表面化學(xué)和幾何結(jié)構(gòu)進行改造，使玻璃表面具有一定的粗糙度，從而獲得超親水性能；二是光致超親水[2]。本文中描述的納米SiO2涂層為粗糙度致超親水。

圖6為使用3M減反鍍膜液的納米SiO2涂層的表面掃描電鏡圖(SEM圖)。從圖6可知，膜層表面有納米級的粗糙度，正是這一原因使得涂層具有很好的超親水性。

由于膜層納米級的粗糙度及超親水性，一方面，尺度較大灰塵在膜層表面的接觸面積很小，很容易被自然力帶走；另一方面，在有雨水的天氣下，由于超親水的原因，雨水對于鍍膜玻璃的清洗效果要顯著優(yōu)于常規(guī)玻璃，如圖7所示。綜上兩點，鍍膜玻璃相較常規(guī)玻璃表現(xiàn)出優(yōu)異的自清潔性能，進而表現(xiàn)出顯著的功率增益。

圖6 3M減反納米SiO2涂層表面形貌 圖

圖7 超親水涂層自清潔原理

4.2 低角度入射增益機理分析

根據(jù)光的反射原理，自然光在界面處的反射遵從以下原理[3]：

式中，n1、n2為兩介質(zhì)的折射率。

由式(2)可得，對于非鍍膜玻璃在白天、空氣n1=1.0、玻璃n2=1.5、θ1=30°時，R1=4.1%；θ1=60°時，R2=8.9%。

對于鍍膜玻璃在白天、空氣n1=1.0、鍍膜 n2=1.3、θ1=30°時，R1=1.8%；θ1=60°時，R2=5.3%。

玻璃與涂層界面相較空氣涂層界面絕對值太小，可忽略不計。

將上述結(jié)果相減，得出白天鍍膜相對未鍍膜減反為：4.1%-1.8%=2.3%，傍晚減反為：8.9%-5.3%=3.6%。因此在斜光入射的條件下，減反射效果更明顯。正是由斜光低角度入射條件下的光學(xué)增益帶來鍍膜組件的功率增益。

5 鍍膜玻璃老化測試

為了保證光伏組件長久的戶外使用，根據(jù)鍍膜玻璃的主要失效機理對鍍膜玻璃的機械性能及老化性能進行了相應(yīng)研究。

5.1 鍍膜玻璃機械性能測試結(jié)果

考慮到硬質(zhì)涂層的主要失效機理為磨損失效，采用鉛筆硬度測試方法來測試鍍膜玻璃的硬度，采用干摩擦實驗法來表征材料的耐磨性能。具體測試方法為使用750 g的負載，在鍍膜玻璃往復(fù)摩擦600次，通過對比摩擦表面測試前后的透過率來表征材料的耐磨性能。測試結(jié)果見表4。

表4 鍍膜玻璃的機械性能測試結(jié)果

由表4可知，3M減反射鍍膜涂層的鉛筆硬度達到3H，并且600個循環(huán)的干摩擦測試后，透過率的衰減只有0.6%。3M減反射鍍膜涂層良好的耐磨性能，保證鍍膜玻璃在長期使用過程中保持穩(wěn)定的透過率，進而保證穩(wěn)定的功率輸出。

5.2 鍍膜玻璃老化性能測試結(jié)果

根據(jù)IEC 61215對光伏組件耐候性的要求，采用了雙85 1000 h、高溫蒸煮(PCT)2 h測試檢測鍍膜玻璃的耐高溫高濕性能；采用濕凍測試(HF)20個循環(huán)檢測鍍膜玻璃的耐高低溫沖擊性能；采用鹽霧試驗96 h檢測鍍膜玻璃的耐腐蝕性能。

鍍膜玻璃的樣品一半涂布3M減反射鍍膜液，另一半不進行涂布。使用PE公司的Lambda 1050透過率測試儀測試老化前后的透過率，測量范圍380～1100 nm，計算透過率的衰減來檢測鍍膜玻璃的耐老化性能。為盡量避免由于測試設(shè)備在老化前后的誤差對測試結(jié)果的影響，使用鍍膜與未鍍膜面的透過率差值來表征透過率的變化。老化前后的測試結(jié)果見表5及圖8。

由圖8可知，鍍膜玻璃老化后的透過率衰減都保持在0.5%內(nèi)。3M減反射鍍膜涂層良好的耐老化性能，也為使用鍍膜玻璃的組件能長久穩(wěn)定地輸出功率提供保障。

表5 鍍膜玻璃老化測試結(jié)果

圖8 鍍膜玻璃老化性能測試結(jié)果

6 結(jié)論

通過7個月的戶外功率跟蹤對比測試，使用3M增透減反溶液涂層鍍膜玻璃的組件相較未使用的組件，其功率增益遠高于在STC條件下測試的初始功率增益。

除初始的光學(xué)增益帶來的功率增益外，涂層的自清潔性能及涂層在低角度入射條件下帶來的增益，也是功率增益的重要構(gòu)成部分。

3M減反射涂層優(yōu)良的機械性能及耐老化性能為組件長久穩(wěn)定地輸出功率提供保障。

[1 ] 張增明, 呂瑞瑞, 彭麗霞, 等. 減反射鍍膜光伏玻璃的可靠性及失效研究[J]. 太陽能, 2013, (13): 25－28.

[2] 王樂, 杜云貴, 李建光, 等. 玻璃表面納米薄膜的超親水機理研究[J]. 廈門大學(xué)學(xué)報, 2013, 52(6): 813－815.

[3] 蔡履中. 光學(xué)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2006.