不同背板晶硅光伏組件在濕熱環(huán)境下的性能研究*

曾湘安，馮江濤，揭敢新，馮 皓，陳心欣，李 慧

(中國(guó)電器科學(xué)研究院有限公司∥工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510300)

不同背板晶硅光伏組件在濕熱環(huán)境下的性能研究*

曾湘安，馮江濤，揭敢新，馮 皓，陳心欣，李 慧

(中國(guó)電器科學(xué)研究院有限公司∥工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510300)

選取CPE、KPE、TPT、AAA四種不同背板制備的多晶硅光伏組件，將其直接固定電阻負(fù)載投試到海南瓊海濕熱氣候環(huán)境試驗(yàn)場(chǎng)，研究四種不同背板晶硅組件在真實(shí)環(huán)境應(yīng)用的性能變化規(guī)律。利用熱電偶對(duì)組件表面工作的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及利用實(shí)驗(yàn)室I-V測(cè)試儀對(duì)試驗(yàn)組件的I-V特性參數(shù)進(jìn)行周期性測(cè)試，記錄這些參數(shù)隨組件試驗(yàn)時(shí)間的變化情況。結(jié)果表明：試驗(yàn)組件的溫度越高，其最大功率、填充因子衰減越大.CPE、KPE、TPT和AAA四種不同背板的組件，整體溫度最高和最大功率(Pm)、填充因子(FF)的衰減最大，串聯(lián)電阻的增加最多均為CPE背板組件，其次是KPE背板組件，TPT背板組件次之，最小為AAA背板組件。

光伏背板; 光伏組件; 組件表面溫度; 多晶硅

光伏背板由于其具有較好的散熱功能和較高的紅外發(fā)射率，能降低組件的整體工作溫度而得以廣泛應(yīng)用[1-4]，背板作為光伏組件的重要組成部分，在戶外應(yīng)用環(huán)境下能保護(hù)電池片不受水分的侵蝕，同時(shí)也有阻隔氧氣防止電池片氧化等作用，具有可靠的絕緣性、阻水性、耐老化性[5-9]。

目前光伏市場(chǎng)中出現(xiàn)的背板一般均具為三層結(jié)構(gòu)( PVDF/PET/PVDF)，外層保護(hù)層 PVDF 具有良好的抗環(huán)境侵蝕能力，中間層為 PET 聚脂薄膜具有良好的絕緣性能，內(nèi)層 PVDF 和 EVA 具有良好的粘接性能[3-7]。光伏背板的種類比較多，不同廠家、不同結(jié)構(gòu)會(huì)有不同的命名方法， 例如：TPT、TPE、KPK、KPE、AAA、PET、PPE、FPF 、FPE 等等不同的背板名稱。其中:T為指杜邦公司的聚氟乙烯(PVF)薄膜，商品名為Tedlar；K指 Arkema公司生產(chǎn)的PVDF專利商標(biāo)名為K (Kynar)；P為指PET薄膜——聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯薄膜(背板的骨架)；E為指EVA(VA含量較低),或者聚烯烴PO；A為改性聚酰胺(簡(jiǎn)稱PA,Nylon)Isovolta 開發(fā)有AAA結(jié)構(gòu)背板；F為指氟碳涂料: PTFE(聚四氟乙烯)涂料; PVDF(聚偏氟乙烯)涂料; FEVE氟乙烯與乙烯基醚的共聚物。當(dāng)然很多涂料型背板廠家為了強(qiáng)調(diào)自己產(chǎn)品的質(zhì)量好，也自稱F為"T"[6-9]。

不同的光伏背板其性能有一定的差異，而背板的材質(zhì)與質(zhì)量對(duì)組件的使用性能和使用壽命有非常大的影響[9-10]，雖然有文獻(xiàn)報(bào)道說背板的材質(zhì)和性能基本決定了組件的使用壽命且對(duì)組件的電學(xué)性能也有很大的影響，但尚未有論文對(duì)不同材質(zhì)背板組件的戶外應(yīng)用性能進(jìn)行系統(tǒng)的研究分析。本文將目前市場(chǎng)上主流的CPE、KPE、TPT、AAA四種不同背板的多晶硅光伏組件投試在海南瓊海濕熱氣候環(huán)境試驗(yàn)場(chǎng)，對(duì)這四種不同背板組件的戶外應(yīng)用性能進(jìn)行系統(tǒng)的研究。試驗(yàn)中組件均直接固定電阻負(fù)載，45°固定傾斜角南向安裝[11-13]，采用熱電偶對(duì)這些組件的表面工作溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，利用實(shí)驗(yàn)室I-V測(cè)試系統(tǒng)對(duì)這些組件的I-V特性參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，記錄這些參數(shù)隨組件試驗(yàn)時(shí)間的變化情況,分析得到CPE、KPE、TPT、AAA四種不同背板晶硅光伏組件在濕熱氣候環(huán)境應(yīng)用的性能變化規(guī)律。該試驗(yàn)對(duì)光伏組件選用合適的背板有一定的指導(dǎo)作用，也為開發(fā)更好的適應(yīng)濕熱環(huán)境的背板材料提供參考依據(jù)，可見該試驗(yàn)和結(jié)論對(duì)實(shí)際生產(chǎn)和理論研究，都有一定的指導(dǎo)作用。

1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)中，將CPE、KPE、TPT、AAA四種不同背板材料以及其他材料包括同樣的電池片、相同的EVA等一起通過目前常規(guī)的組件加工工藝制備成四種多晶硅光伏組件, 這四種光伏組件只有背板不同，其余均相同，組件為60片電池，額定功率240 W，組件尺寸：1 650 mm×990 mm×40 mm。 將這些多晶硅光伏組件投試在海南瓊海濕熱氣候環(huán)境試驗(yàn)場(chǎng)，組件采用直接固定電阻負(fù)載安裝，電阻阻值為4 Ω陶瓷芯電阻，組件安裝角均為南向45°。

在實(shí)驗(yàn)中，采用功率500 W T型熱電偶(Omega，T型)對(duì)這些組件表面各處溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并用KT800中長(zhǎng)圖彩屏無紙記錄儀對(duì)熱電偶采集數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。每隔一段時(shí)間，將組件回樣到實(shí)驗(yàn)室用AAA瞬態(tài)光伏組件模擬器I-V測(cè)試系統(tǒng)(halm，型號(hào)：cetisPV-XF2-M)進(jìn)行STC狀態(tài)下的I-V測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

便于分析，將測(cè)試結(jié)果分為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的組件表面工作溫度和實(shí)驗(yàn)室回樣測(cè)試的STC狀態(tài)下的I-V特性參數(shù)兩個(gè)方面進(jìn)行分析和討論。

為了觀察這些組件的實(shí)時(shí)工作情況，實(shí)驗(yàn)中采用熱電偶對(duì)這些組件的表面工作溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，試驗(yàn)組件的表面工作溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布如圖1所示，其中1、2、3、4溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于試驗(yàn)組件前表面，分別是接線盒對(duì)應(yīng)正面處、右上角處、中心處、左下角處；5、6、7、8溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于組件背板處，分別對(duì)應(yīng)接線盒旁邊、右上角、中心、左下角。

圖1 試驗(yàn)組件溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution of temperature monitoring spots on the test PV Modules

將記錄的試驗(yàn)組件表面工作溫度進(jìn)行處理分析，得到試驗(yàn)期間各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的年均值、年極大值、年極小值分布圖如圖2所示，其中(a)為組件試驗(yàn)期間各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的年均值分布曲線,(b)為組件各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的年極大值分布曲線，(c)為組件各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)年極小值分布曲線。

圖2 組件試驗(yàn)期間的8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)年均溫度、年極大溫度、年極小溫度分布圖Fig.2 The yearly average, maximum and minimum temperatures of eight surface temperature monitoring spots on the test PV modules

由圖2(a)能看出無論哪個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，CPE背板組件的年均溫度均最高，其次是KPE背板組件， TPT背板組件的年均溫度次之，最低為AAA背板組件的年均溫度。 由圖2(a)可以看出對(duì)于8個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)年均溫度，CPE背板組件均比KPE背板組件高約1 ℃， KPE背板組件約高TPT背板組件0.5 ℃，而TPT背板組件又高出AAA背板組件約1 ℃。 此外，由圖2(a)也可看出對(duì)于所研究的四種背板組件，其最高年均溫度均出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)1處即接線盒對(duì)應(yīng)的前表面玻璃處，最低年均溫度基本都出現(xiàn)在背面下角處，且由圖可知前表面的溫度比背面的溫度稍高。

由圖2(b)可知，試驗(yàn)組件的年極大溫度均出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)1處，即接線盒對(duì)應(yīng)的前表面玻璃處。CPE、KPE、TPT和AAA這四種背板組件的實(shí)測(cè)年極大溫度分別為74.7、74.2、74.3和74.1 ℃。此外，不論是前表面還是背表面，接線盒處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的年極大溫度均為最高。而且，前表面監(jiān)測(cè)點(diǎn)的年極大溫度均比 相應(yīng)位置處的背面監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高。

由圖2(c)可知每個(gè)試驗(yàn)組件的年極小溫度各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均相差不大，但由圖明顯可知CPE背板組件的各點(diǎn)的年極小溫度比KPE背板組件的高,而KPE背板組件的年極小溫度又高于TPT背板組件，最低為AAA背板組件。

將試驗(yàn)組件八個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到組件試驗(yàn)期間整體的月均值溫度、月極大溫度、月極小溫度分布曲線如圖3所示，其中(a)表示試驗(yàn)組件的整體月均溫度，(b)為試驗(yàn)組件的整體月極大溫度，(c)是試驗(yàn)組件的整體月極小溫度。

由圖3(a)可知試驗(yàn)組件的整體月均溫度峰值出現(xiàn)在6月和8月，而每月整體月均溫度排序： CPE背板組件>KPE背板組件>TPT背板組件>AAA背板組件，且CPE背板組件的整體月均溫度較KPE背板組件的高約1 ℃，KPE背板組件的整體月均溫度比TPT背板組件月均溫度又高約0.5 ℃，而TPT背板組件的整體月均溫度又較AAA背板組件的高約1 ℃。

圖3 組件試驗(yàn)期間整體的各月月均溫度、月極大溫度、月極小溫度分布圖Fig.3 The monthly temperature of the test PV modules

由圖3(b)、(c)可以看出四種不同背板組件整體極大溫度峰值均出現(xiàn)在6月和9月，而每月的整體月極大溫度均相差不大，其每月整體極大溫度排序與月均溫度一樣：CPE背板組件>KPE背板組件>TPT背板組件>AAA背板組件。從圖3(c)可知四種試驗(yàn)組件的每月整體月極小溫度的排序與其月均值溫度相同,但其峰值出現(xiàn)在6月。

在組件試驗(yàn)一段時(shí)間后將其回樣到實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行STC狀態(tài)下的I-V測(cè)試，得到4種不同背板組件的各種電性能參數(shù)值隨試驗(yàn)時(shí)間的變化關(guān)系(圖4),

圖4 試驗(yàn)組件的各種電性能參數(shù)隨試驗(yàn)時(shí)間的變化分布圖Fig.4 The relationship between electrical characteristic parameters of all test PV modules and test time

其中(a)為所有試驗(yàn)組件的短路電流隨試驗(yàn)時(shí)間的變化柱狀圖，(b)表示所有試驗(yàn)組件的開路電壓隨試驗(yàn)時(shí)間的變化柱狀圖(c)是所有試驗(yàn)組件的最大功率隨試驗(yàn)時(shí)間的變化柱狀圖，(d)為組件填充因子與試驗(yàn)時(shí)間的變化柱狀圖；(e)是組件串聯(lián)電阻與試驗(yàn)時(shí)間的變化柱狀圖。

從圖4(a)、(c)、(d)可知所有試驗(yàn)組件的短路電流、最大功率、填充因子隨著試驗(yàn)時(shí)間的增長(zhǎng)均有不同程度的衰減，且衰減隨著組件試驗(yàn)時(shí)間的增長(zhǎng)而增大；由圖4(a)也可看出CPE、KPE、TPT、AAA四種不同背板組件在濕熱環(huán)境下暴露相同時(shí)間后的短路電流衰減相差不大；而從圖4(c)、(d)可知暴露相同時(shí)間后其最大功率、填充因子衰減量由大到小的順序依次是CPE、KPE、TPT和AAA背板組件。

此外，從圖4(b)能看出無論試驗(yàn)多長(zhǎng)時(shí)間，試驗(yàn)組件的開路電壓均變化不明顯。圖4(e)說明試驗(yàn)相同時(shí)間后，試驗(yàn)組件的串聯(lián)電阻均有所增加，其增加排序與最大功率和填充因子的衰減順序一致，即串聯(lián)電阻的增加量由大到小的順序依次是CPE、KPE、TPT和AAA背板組件，這也與實(shí)際相符，光伏組件的串聯(lián)電阻增大會(huì)導(dǎo)致組件的輸出功率變小。

結(jié)合圖3和圖4不難發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)組件的溫度越高，最大功率、填充因子衰減越大，這表明光伏組件工作溫度是導(dǎo)致其功率衰減的一個(gè)重要因素。

3 結(jié) 論

本文研究分析了CPE、KPE、TPT、AAA四種不同背板光伏組件在濕熱氣候環(huán)境下應(yīng)用的性能變化規(guī)律。最后得到結(jié)論：試驗(yàn)組件的整體均值溫度最高為CPE背板組件，其次是KPE背板組件，TPT背板組件的均值溫度次之，均值溫度最低是AAA背板組件；所有試驗(yàn)組件隨著試驗(yàn)時(shí)間增長(zhǎng)其短路電流、最大功率、填充因子均有不同程度的衰減，其開路電壓均無明顯變化，而其串聯(lián)電阻均有不同程度的增加。 試驗(yàn)相同時(shí)間后四種不同背板組件的短路電流衰減均相差不大，而其最大功率和填充因子衰減量和串聯(lián)電阻的增加最由大到小的排序是CPE、KPE、TPT和AAA背板組件；結(jié)合組件的工作溫度和I-V特性參數(shù)的變化可以發(fā)現(xiàn)：試驗(yàn)組件的溫度越高，試驗(yàn)組件的最大功率、填充因子衰減越大。

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Performance of crystalline silicon PV modules with different backsheet applied in the humid and hot climate

ZENGXiang’an,FENGJiangtao,JIEGanxin,FENGHao,CHENXinxin,LIHui

(Director of International Cooperation Department of Industrial Products Environmental Adaptability State Key Laboratory ∥China National Electric Apparatus Research Institute(CEI), Guangzhou 510300, China)

The polysilicon PV modules with CPE, KPE, TPT and AAA backsheets loaded with fixed resistance were studied for the performance of the long term exposure in the hot and humid climate test site(Qionghai, Hainan).The surface temperature of modules were recorded by the thermocouple sensors for real-time monitoring and the I-V properties of modules were tested by I-V tester after a certain time. The results showed that the maximum power and fill factor degraded remarkably with increasing temperature of PV moudules. Compared with other modules, the module with CPE backsheet had the highest surface temperature, then the most severe degradation of maximum power and fill factor and the bigger increase of series resistance.

PV backsheet ; PV modules ; module surface temperature; polysilicon

10.13471/j.cnki.acta.snus.2016.04.011

2015-12-21

國(guó)家科技部國(guó)際合作專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2014DFA61960)；廣州市科學(xué)研究專項(xiàng)資助項(xiàng)目(201504010026)

曾湘安(1988年生)，女;研究方向：光伏組件環(huán)境可靠耐久性;E-mail:zeng_xiangan@126.com

TM914.4+

A

0529-6579(2016)04-0063-05