光伏组件轻量化发展与研究进展

光伏行业朝着大硅片、大组件尺寸发展已是明显趋势，新型轻质柔性组件具有较低的单位质量，相比于单玻组件，双玻组件更适合应用于载荷有限的彩钢瓦等屋面场景，然而现有轻质柔性组件的可靠性和寿命等相关性能指标仍有待研究和提高。本文根据发表在《材料导报》中的《光伏组件轻量化发展与研究进展》综述性论文从一下三个维度进行讲述。1.轻质组件封装技术发展现状2.单玻组件、双玻组件、新型轻质柔性组件的特性和可靠性3.作者实验中，关于组件寿命和耐候性能的提高的实验以及其结论轻质组件封装技术发展现状在近10年来，光伏发电成为了全球最受欢迎的可再生能源之一。伴随着环境、政策、经济、技术的影响，光伏产业呈指数级增长，晶体硅太阳能光伏技术成为了市场主导，并继续进行着技术迭代和更新。为了提高光伏发电的经济性，降低电站度电成本和降低对支架系统的荷载，光伏组件经历了从厚边框的单玻组件到双玻组件，再到使用高分子材料代替玻璃封装的轻质组件，实现轻量化和可弯曲的特性，使得光伏组件突破了传统组件无法应用于轻质屋顶的限制，进一步扩大了应用领域。但随着封装材料的改变，组件的轻量化的发展趋势，组件本身的可靠性、寿命以及发电量都有待进一步验证和改善。单玻组件、双玻组件、新型轻质柔性组件的特性和可靠性工单玻光伏组件单玻光伏组件主要由光伏电池、光伏玻璃、胶膜、背板、铝边框等封装材料组成。在组件结构中，背板起到了电绝缘、机械支撑、耐候、增加光反射等多种作用，背板材料包括白色、黑色及透明背板，耐候涂层技术多样(如PVF、PVDF等)。透明背板组件相比于白背板或黑背板组件发电量具有明显优势，进入组件背面的太阳光主要来自于地面的散射光，其次是直接进入背面的漫反射光。并且在透明背板组件的基础上通过在电池片间隙位涂覆含氟的透明EVA透明EVA透明EVA透明EVA透明背板网格反射层电池片作者团队通过实验测试对比了透明背板组件一级双面玻璃组件透明背板组件在湿热测试(DH1000h、DH2000h)中功率衰减为2.3%~4%,低于双玻组件，但满足IEC61215标准(衰减<5%)。透明背板在双面增益测试中表现优异，发电量显著高于传统背板，但长期使用后反射率会下降。2双玻组件双玻组件采用前后两层玻璃封装，取代传统背板。具有极低的水汽透过率，耐候性和力学性能优异，寿命长、可靠性高的优势，适合集中式和分布式电站。玻璃接线盒双玻组件因为自重大，搬运安装困难，对屋顶载荷和支架强度有着较高的要求，所以有着较高的材料和人工成本。近年来，双玻组件也在朝着轻质化的方向发展，目前主要以厚度不大于2mm的光伏玻璃搭配涂釉网格来进行封装，甚至有研究者使用无框双玻组件来减轻质量和降低PID衰减的发生。作者通过实验验证了双玻组件的PID对比单玻组件，具有更低的水汽透过率，减少了对内部构件的腐蚀，有较好的机械性能。但由于使用EVA胶膜在长期使用的过程中，降解产生的醋酸无法及时释放，身在高温差的条件下，对比单玻组件有更大的内应力，发生开裂的机率更大。因此，双玻组件因PID衰减的问题也通过抗PID的POE胶膜和电池端的优化有了较好的解决。在湿热测试(DH3000h)中衰减仅为3%,热循环测试(TC600)中衰减为2.63%~3.21%,表现与单玻组件相当。无框双玻组件在PID测试中功率保持率超过90%,但背面衰减较高，可能与玻璃中Na+析出有关。3新型轻质柔性组件即用聚合物等透明前板替代玻璃作为封装材料，以满足在承载有限的屋顶安装光伏组件，并且无玻璃的封装结构，使组件具有了一定因此机械稳定性和耐候性是轻质柔性组件设计的重要考量因素，即如何在降低质量的同时，保证组件的可靠性和避免电池片的隐裂。1.PMF用来替换单玻组件中的前板玻璃。Li等通过多层共挤的方式制备了具有一定带宽和紫外波段选择性反射的PC/PmmA多层聚合物薄膜(PMF)用来替换单玻组件中的前板玻璃。太阳光紫外光太阳光多层聚合物薄膜太阳电池透过光透过光制备了转换效率为20.27%的轻质组件，组件单位质量为1.57kg/m2,与同样面积的单玻组件相比减重85%,并验证了其满足长期户外使用的耐紫外性能。2.复合夹层背板和聚合物前板构成Martins等开发了一种轻量化组件，由复合夹层背板和聚合物前板构成，组件单位质量为6kg/m2。具有机械稳定性优异，电气性能可靠，轻量化优势显著的优势。在热循环和湿热环境下，复合夹层结构的弯曲刚度损失仅为1%和3%。经过DH1000h湿热老化测试后，组件的功率衰减仅为3%。单位质量仅6kg/m²,远低于传统单玻(约11kg/m²)和双玻组件(16~19kg/m²),适用于承重受限的屋顶场景。实验结论：多层含氟前板组件在紫外老化测试中功率衰减为1.98%,外观良好；ETFE+复合玻璃纤维组件衰减为4.89%,且明显发黄。湿热测试(DH1000h)中，多层含氟前板组件衰减为2.36%,ETFE+复合玻璃纤维组件为4.03%,前者表现更优。图5不同封装结构轻质柔性组件紫外老化测试外观对比：(a)ETFE+复合玻纤组件紫外老化测试前后外观照片；(b)多层含氟透明前板组件紫外老化测试前后外观照片图6(a)紫外老化测试后组件功率衰减；(b)湿热老化测试后组件功率衰减图6b所示，多层含氟背板组件功率衰减为2.36%,ETFE+复合玻纤组件功率衰减为4.03%。因为湿热条件下，复合玻纤降解后产生黄变，所以ETFE+复合玻纤组件的功率衰减较大。采用两种封装方案各制作了60片电池轻质组件，对比平均电性能参数，ETFE+复合玻纤封装的组件，相比多层含氟透明前板封装的组件功率低约4.2W,是由ETFE+复合玻纤的结构整体透光率相比于含氟前板较低导致。组件类型400W组件(面积2m²)450W组件(面积2.3m²)500W组件(面积2.4m²)单玻组件/kg2.5mm双玻组件/kg2.0mm双玻组件/kg轻质柔性组件/kg6总结轻量化趋势：通过减少玻璃厚度、采用聚合物材料