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金属粉尘对组件可靠性的影响
  • 2020-05-07 09:26:05
  • 浏览:7164
  • 来自:摩尔光伏

  大多数人觉得金属粉尘的环境对光伏组件的影响微乎其微,因为金属粉尘不会和聚合物背板发生反应,也不会透过背板进入组件内部,玻璃主要成分是二氧化硅,相对比较稳定,因此大家往往会忽略金属粉尘对光伏组件的影响。

  然而在实际运行中,很多安装在金属加工厂屋顶的分布式电站在运行一段时间后,业主会发现电站的收益远低于预期,测试组件功率后会发现组件功率大幅度下降,因此业主方投诉组件厂商其光伏组件质量存在问题。而组件厂商在检查其组件的EL后发现这些组件EL完好,组件用的各类材料也是符合出厂质量管控标准。那么是什么原因导致安装在金属加工厂屋顶的组件功率大幅度下降?本文通过实际案例和模拟实验来解释这一现象。

  1.实际案例

  该钢铁加工厂屋顶电站现场的组件外观表面呈浅黄色。

  从表1的电性能衰减来看,钢铁加工厂屋顶的组件功率衰减明显要高于其他厂房屋顶,功率衰减主要来自:

  ——Isc的下降。Isc的下降可能来自玻璃透光率的变化,或是金属部件的腐蚀引起的电流损坏。

  ——Voc没有明显的下降,意味着该电站并不存在PID现象。

  表1 屋顶电站组件的电性能衰减

 

  分别取钢铁加工厂屋顶组件1片和远离钢铁加工厂屋顶组件1片进行分析。两个屋顶组件擦拭后如图3所示。钢铁加工厂屋顶的组件表面浅黄色无法擦拭,EL图显示电池没有明显腐蚀现象,因此可以排除是由于金属部件的腐蚀导致的Isc下降。而远离钢铁加工厂屋顶的组件表面灰尘擦拭后,外观无明显的不良,EL除由于多次拆装导致的隐裂外,无明显不良。

  表2是两个不同屋顶组件的玻璃扫描电镜(SEM)图。结果显示,在钢铁加工厂屋顶的组件,其玻璃的表面形貌发生明显的变化,镀膜玻璃的表面严重破坏。横截面的SEM显示,膜层中的孔隙已经完全破坏,腐蚀严重。而远离钢铁加工厂屋顶的组件,其玻璃的表面形貌轻微发生变化,横截面的SEM显示镀膜的膜层孔隙减少,这是玻璃中的Na、Ca离子在户外湿度情况下向表面迁移导致的镀膜层孔隙被堵,这是镀膜玻璃正常的变化。

  

  元素分析(EDS)显示钢铁加工厂屋顶的组件表面有Fe元素,而远离钢铁加工厂屋顶的组件表面除了Cl和S元素可能是户外环境中沉积到玻璃表面的,其余成分与玻璃的初始成分一致,并未检测到Fe元素(图4所示)。

  

  由此可见,钢铁加工厂屋顶组件功率大幅度的衰减与Fe元素有极大的关系,而钢铁加工时空气中会存在大量的铁粉,因此我们推断是空气中的铁粉沉积在组件表面,导致镀膜层破坏,进而影响功率。为了证实这一推断,我们做了一系列模拟实验。

  2.模拟实验

  2.1实验方案

  选取6片同BOM,同期生产的组件,进行表3的模拟测试。

  

  2.2实验结果

  2.2.1实验后外观变化

  组件玻璃表面喷洒铁水的1#和2#样品以及表面均匀喷洒铁粉的3#样品,在192小时测试后玻璃表面存在不可擦拭的黄色印记。

  组件玻璃表面均匀喷洒水的4#样品,在192小时测试后玻璃表面存在一些水印,其它无异常。

  组件玻璃表面未做处理的5#样品,192小时测试后无任何外观变化。

  在室外存放的6#控制件,192小时后也无任何外观变化。

  2.2.2电性能参数

  实验前后的电性能参数变化如表4所示。可以看出,相对于玻璃表面喷洒水的4#样品和没有做过处理的5#样品,玻璃表面接触了铁粉的样品,其功率衰减偏大。组件玻璃表面喷洒铁水的1#和2#样品,在85℃,85%R.H.,+/-1000V,192小时测试后功率衰减分别为6.4%和18.9%。与户外实际案例一致,功率衰减主要是由于Isc的下降导致的。Voc基本没有下降,意味着功率衰减并非是PID导致的。组件玻璃表面均匀喷洒铁粉的3#样品,在85℃,85%R.H.环境下192小时后,功率衰减也达到了3.8%,同样衰减主要是由于Isc衰减导致的。

 

  2.2.3 SEM分析

  实验后玻璃表面的SEM结果如表5所示。与6#控制件相比,1#,2#样品的铁锈印处的玻璃表面形貌发生了明显的变化,表面凹凸不平,呈腐蚀状。3#样品的铁锈印处的玻璃表面形貌与控制件相比也发生了轻微的变化,表面呈轻微腐蚀状。4#样品的水印处的玻璃表面形貌与控制件相比轻微发生变化,因为玻璃表面的镀膜层在湿度环境下会发生缓慢腐蚀,这是镀膜玻璃的正常变化。

  从横截面的SEM图形来看,与6#控制件相比,1#,2#样品的铁锈印处的玻璃横截面显示玻璃表面膜层已经完全破坏,无法测出玻璃膜层厚度。3#样品铁锈印处的横截面可以看出镀膜层的孔隙数量出现下降,但膜层厚度为100.5nm,与6#控制件基本一致。4#样品水印处的横截面也可以看出孔隙在轻微变少,膜层厚度与6#控制件基本一致。4#样品的变化是因为镀膜玻璃在湿度环境下,玻璃里面的Na、Ca离子向玻璃表面迁移导致的,属于镀膜玻璃的正常变化。

  SEM结果显示,铁粉在有湿度不加电压的情况下,对玻璃表面膜层存在轻微的腐蚀,当铁粉在有湿度并有电压的情况可以加速腐蚀玻璃表面膜层,这也意味着当空气中的铁粉沉积在玻璃表面,在户外下雨或湿度的情况下铁粉会加剧腐蚀玻璃表面。

  

  2.2.4 EDS

  EDS显示玻璃表面接触铁粉的组件(1#,2#,3#),在组件表面铁锈印处均发现Fe元素。而4#,5#样品未接触铁粉,故元素分析结果与6#控制件一致。

  

  图6 实验后玻璃表面EDS分析

  模拟实验的结果与户外实际的案例基本一致,进一步证实了铁粉会导致玻璃表面膜层的破坏,会导致功率大幅度的下降。

  铁粉对镀膜玻璃影响可能的机理如下:

  ——铁粉在空气中氧化生产三氧化二铁;

  ——正常情况下,三氧化二铁比较稳定,不会和玻璃(二氧化硅)发生反应,因此可以看到3#样品玻璃表面的腐蚀是轻微的,Isc电流的下降可能是由于这种轻微的腐蚀导致的玻璃折光指数的下降;

  ——但是在有电压的情况下,由于三氧化二铁是带正电荷的强电子物质,在-1000V情况下,电子向玻璃内迁移,引起膜层结构的变化,进而影响了折光指数,导致Isc的下降。而在+1000V下,在三氧化二铁存在的情况下加速了玻璃中的Na+向玻璃表面迁移,在有湿度的情况下向玻璃表面迁移的Na+会加速腐蚀膜层,进而影响了折光指数,导致Isc的下降。

  3.结论

  安装在钢铁加工厂屋顶的组件,空气中的铁粉会吸附在玻璃表面,在湿度环境及电压情况下,铁会加速玻璃表面膜层的腐蚀,进而导致组件功率大幅度下降。

  因此,对于安装在金属加工厂房屋顶的分布式电站,建议加大清洗频率以避免铁粉沉积在玻璃表面造成不可逆的破坏,进而影响发电收益。

【责任编辑:sunnyz】
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关键字阅读: 光伏组件 光伏发电
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