技术产品与工程耐1500 V高压光伏背板的可靠性研究杭州福斯特应用光伏材料股份有限公司 ■ 林维红* 杨楚峰 周光大 林建华摘 要：对用于1500 V高压光伏系统的光伏背板材料的结构进行分析，并分别在油和空气两种介质中测试达到较高局部放电电压的背板结构，研究表明在油中更易达到1500 V。关键词：1500 V；光伏背板；双层绝缘；功率；可靠性0 引言近年来，基于电站系统端对度电成本的需求，光伏组件在原材料优化和生产技术创新方面均得到了快速提升。从光伏背板的组成结构方面来看，除TPT结构，出现了如TPE、KPK/KPE/KPF、CPC、PPE/PPF、PA等不同结构的产品。这不仅满足了光伏组件在不同地区的差异化使用需求，在材料性能优化方面也做出了突出的改进[1-4]。由于在缆线、汇流箱与保险装置的用量方面以及线损大幅减少的优势，1500 V高压系统凭借其5%以上的成本优势，将成为未来大型电站的主流设计[5-8] 。国内已有企业率先开展了1500 V高压系统所需的背板材料的研究工作，如杭州福斯特、苏州赛伍、江西明冠等均推出相应新产品。本文研究内容主要包含：1)不同结构的耐1500 V(空气中、油中)光伏背板老化测试，并对测试结果进行对比。2)分析光伏背板的微观结构，结合可靠性评估，研究微观结构控制对长期可靠性的影响。1 耐1500 V高压光伏背板的结构种类目前，耐1500 V光伏背板根据其局部放电电压的测试条件，可分为油中和空气中测试两类。其中，由于绝缘油在介电性能方面的影响，在油中测试的局部放电电压较空气中高，故在油中测试更容易达到1500 V。如图1a和图1b所示，其组成结构分别为KPC、CPC型，均为油中测试可达到1500 V的光伏背板材料。相比于传统的1000 V背板，其绝缘层厚度从250 μm增加到280 μm，增加了12%，故而其材料均匀性、力学性能、水汽阻隔性等并没有很大的差别。图1c和图1d，均为空气中测试可达到1500 V的光伏背板结构。图1c为改进的KPC型背板，其绝缘层PET厚度增加到500 μm，对PET的生产工艺具有很高的要求。图1d的 BEF结构背板包含为双重绝缘层，两层绝缘层厚度分别为250 µm和200 μm，绝缘层总厚度为450 μm。收稿日期：2016-10-20 通信作者：林维红(1981—)，女，博士、高级工程师，主要从事光伏背板、烯烃材料等高分子相关材料的功能化研究、设计及生产工艺改进。wh.lin@firstpvm.com61SOLAR ENERGY 09/2017Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.技术产品与工程PVDFF-涂层PET 280 μmPET 280 μmF-涂层PVDFF-涂层c. BEF型样品测试后的SEM表面形貌图 PO 200 μma. KPC型 b. CPC型图2 光伏背板CTI测试后的图片及BEF型样品SEM图PET 500 μm背板以较好的致密性，在绝缘距离方面也表现PET 250 μm出优异的性能，可在长期绝缘性方面提供更好地保障。2.2 高压光伏背板的结构对其长期可靠性的影响图3是光伏背板的可靠性测试对比数据。BEF型高压背板双面含氟，因而具有优秀的耐候性。经长期紫外老化(QUVA 300 kWh/m2)后，表面黄变指数小于2.0，也无分层、起泡、粉化现象出现。经长期湿热老化(双85，3000 h)后，黄变指数小于3，无分层、起泡、开裂现象出现。 其力学性能和绝缘性能也表现稳定，经长时间老化后，衰减控制在20%以内。1086黄变指数420-20 50 100 150 200 250 300累计辐照量/kWh•m-2a. 200160断裂伸长率/%120804020QUVA，光照/冷凝/喷淋空气面QUVA，光照/冷凝/喷淋空气面F-涂层F-涂层 c. 改进的KPC型 b. BEF型 图1 不同类型的耐1500 V光伏背板的结构2 研究结果与讨论2.1 高压光伏背板的结构对其绝缘性影响对于1500 V高压背板材料，其耐电痕化和有效绝缘距离也具有重要的意义。光伏背板耐电痕化越好，即相对电痕指数越高，越有利于光伏组件内部电池片及回流条等导电材料的合理排布。图2a为在600 V的电压下测试下失效的样品，该样品结构类型为KPC，其中C层厚度为5 µm。在测试过程中，因其在高温绝缘性和热稳定方面的缺陷，不仅发生持续燃烧现象，还会出现严重的碳化现象，从而生成导电通路并产生过电流。图2b为在600 V的电压下测试通过的样品，该样品结构类型为BEF，其中PO层厚度为200 µm。经过测试后的样品，其外观并未出现明显的损伤。从图2c也可明显看到，BEF背板其表面并无明显异常，可见其内部结构仍旧保持着高度的致密性。两种结构的样品，在绝缘距离的测试中也表现出明显的不同。BEFMDTD0 50 100 150 200 250 300累计辐照量/kWh•m-2b.a. CTI测试下失效的样品 b. CTI测试通过的样品62SOLAR ENERGY 09/2017Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.技术产品与工程1086420湿-热测试到237.2W，继续老化，直到2500 h后其最大功率为233.6 W，仅衰减了2.8%。不同结构的背板在通1500 V电压测试组件PID性能的试验中发现，系统电压从1000 V提高到1500 V后对PID现象会有明显影响。在双85条件下测试96 h，最大功率损失在1.5%～7.5%之间。BEF型背板的功率损失相对较小，保持在2.0%以内，与其在水汽阻隔性和双层绝缘结构有很大关系。可见，高压系统电站更适合建造在空旷的荒漠或草原地区，选用高绝缘稳定性的背板材料并辅以其他抗PID性能的封装材料组合成一套优质原料体系，是高压系统电站需要考虑的重要方面。休积电阻率×1016/Ω•cm0500100015002000高温高湿老化累计时间/hc.25003000图3 高压背板的可靠性测试对比数据图4是湿热老化过程中电池面的SEM图。聚烯由于其内部是交联型结构，故具有较好的稳定性。在湿热老化过程中，聚烯烃层的表面一直均匀光滑，无明显收缩形变。组件经层压后，BEF型高压背板的变形距离仅为0.8 mm，远远低于500 μm PET层压后变形距离(7～15 mm)。 a. 0 h b. DH 500 h200 μma. 0 h200 μmb. DH 3000 hc. DH 1500 h d. DH 2500 h图5 BEF型背板湿热老化下EL功率跟踪测试图图4 双85湿热老化不同时间后电池面的SEM图3 结论本文对比了在不同介质中(空气中、油中)测试达到1500 V局部放电电压的背板进行了可靠性评估，并根据不同结构的耐高压背板的结构变化，以及其在高压系统中的失效模式进行了分析，对于高压系统双层绝缘结构在长期绝缘性方面具有更好的保障。632.3 高压光伏背板的结构对组件功率稳定性影响图5为BEF型背板制作的光伏组件在双85湿热老化下功率跟踪测试EL图。可见，随着老化时间的延长，组件中电池片的依旧保持很好的电致响应，未出现失效情况。经过1500 h的老化，组件的最大功率从初始的240.3 W衰减 (转第79页) SOLAR ENERGY 09/2017Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.行业风景线色建筑人才，每届竞赛都为社会输送优秀青年人才。同时，竞赛把一个个理念、一个个方案变成了可实施的项目，由可实施的项目变成了一批真正落地的绿色建筑，这是一个非常有意义的绿色行动。相信通过竞赛的平台，深入的研究与实践，会有更多的设计师脱颖而出，成为未来设计行业的主力。竞赛冠名单位台达集团创办人暨荣誉董事长郑崇华表示，台达秉承着“环保、节能、爱地球”的经营使命，很荣幸能连续12年支持台达杯国际太阳能建筑设计竞赛，并通过这个国际化的平台发掘出优秀的绿色建筑人才，将绿色建筑的种子、环保的理念根植于校园之中，台达杯强调落实设计，将历届获奖作品的设计蓝图实际盖出来，成为可居住、可检验的实体，由台达出资在苏州同里湖畔建设的2011年台达杯竞赛一等奖作品——“吴江低碳示范住宅”在今年更是获得了国内绿色建筑二星认证。目前共有4件竞赛得奖作品启用或建造中，包括，2011年落成的四川杨家镇台达阳光小学、2015年落成的龙门乡台达阳光初级中学，以及兴建中的青海低能耗住房、吴江低碳住宅。发布会后，与会嘉宾和院校师生参观了2015年台达杯竞赛获奖作品实地建设项目——农牧民定居青海低能耗住房项目，项目位于青(接第63页)参考文献[1] Unoki M, Kinmura I, Yamauchi M. Solvent-soluble fluoropolymers for coatings - Chemical structure and weatherability[J]. Surface Urface Coatings International Part B-Coatings Transactions, 2002, 85(3): 209－213.[2] 沈辉,曾祖勤. 太阳能光伏发电技术[M]. 北京: 化学工业出版社, 2005.[3] Reinartz S, Mason A F, Lobk ovsky E B, et al..Titanium catalysts with ancillary phenoxyketimine ligands for living ethylene polymerization[J]. Organometallics, 2003, 22(13): 2542－2544.[4] Nomura K, Oya K, Imanishi Y. Copolymerization of ethylene with alpha-olefin catalyzed by [1,8-C10H6 ((NSiBuMe2)-Bu-t)79海省湟源县兔尔干村，2015年竞赛的一、二、三等奖和优秀奖获奖作品均在这里实地建设，这一项目被青海省列为“科技促进新农村建设计划”项目。该项目充分运用被动太阳能建筑技术和绿色建筑技术，采用屋顶太阳能光伏发电和分布式微网，使用光伏发电电力的碳纤维地热采暖及热炕，并融入当地的建筑元素，实现增量成本少、使用舒适度高的低能耗宜居经济型农村住宅建设目标。这也是首次实现了台达杯国际太阳能建筑设计竞赛获奖作品成组示范建设，发挥了科技创新支撑新农村建设和竞赛作品的示范推广作用。 2017台达杯国际太阳能建筑设计竞赛由国际太阳能学会、中国可再生能源学会、全国高等学校建筑学学科专业指导委员会主办，国家住宅与居住环境工程技术研究中心、中国可再生能源学会太阳能建筑专业委员会承办，中国建筑设计院有限公司协办，台达集团独家冠名赞助。中国建筑学会理事长修龙，青海省科技厅党组书记、厅长解源，青海省住房和城乡建设厅总工熊士泊，青海省科学技术厅党组成员、援青办公室主任孙传范，台达集团创办人暨荣誉董事长郑崇华，中达电通股份有限公司董事总经理游文人，国家住宅与居住环境工程技术研究中心副主任张磊等嘉宾也应邀参加了本次颁奖会。(2)]TiCl2 and [ArN(CH2) (3)NAr]TiCl2 (Ar=2, 6-(Pr2C6H3)-Pr-i)- MMAO catalyst systems[J]. Polymer, 2000, 41(8): 2755－2767.[5] 李文婷. 荒漠并网光伏电站光伏阵列优化设计[J]. 青海科技, 2010, (1)：25－27.[6] 王磊, 张臻. 双面玻璃晶体硅太阳电池组件封装工艺[J]. 电源技术, 2007, 31(12): 995－997.[7] 沈文忠.太阳能光伏技术与应用[M].上海:上海交通大学出版社, 2013.[8] Ortiz-Conde A, Garcia F J, Muci J. New method to extract themodel parameters of solar cells from the explicit analytic solutionsof their illuminated I-V characteristics. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2006, 90(3): 352－361.SOLAR ENERGY 09/2017Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.