NREL帮助使太阳能电池板持久耐用

本文最初由Bill Scanlon发表在NREL网站上。

NREL科学家Michael Kempe在NREL户外测试设施的实验室中工作，测量了太阳能模块顶部玻璃和底部玻璃的“蠕变”，测试了密封剂并证明了足够大的压力会导致严重的故障。信用：丹尼斯·施罗德

在屋顶上的30年间，太阳能电池板受到紫外线的照射，被雨水浸透，被风吹拂，被冰雹击中。

承受这种殴打的程度是设定太阳能电池组件保修的关键因素，并且是说服公众可以像仰望东方的太阳一样依靠太阳能。

美国能源部（DOE）国家可再生能源实验室（NREL）在提高以创纪录数量安装在屋顶上的光伏（PV）面板的可靠性方面发挥着至关重要的作用。

NREL帮助制定可靠性标准，并在测试制造商的新焊料，边缘密封和胶水时充当中立的第三方。NREL在其位于科罗拉多州Golden的校园中，对太阳能电池板进行加热，湿度和机械应力测试，以模拟丹佛，凤凰城，菲律宾和其他地区的状况。

3月，业内领先的科学家和工程师参加了NREL的PV组件可靠性研讨会。研讨会鼓励就可能困扰太阳能发电公司的可靠性问题进行坦率的讨论。

密封面板顶部和底部的边缘胶水需要什么标准？天气如何影响开裂？如何防止一个玻璃面板从另一个玻璃面板上滑落？

NREL科学家Michael Kempe持有PV样品，他将其暴露于饱和盐溶液中以控制湿度。对样本进行了可能的故障测试。信用：丹尼斯·施罗德

NREL强调边缘密封以预测故障

太阳能模块必须密封以防潮，这就是边缘密封非常重要的原因。

NREL科学家Michael Kempe使用Atlas Weather-Ometers将边缘密封条暴露在不同的配置和环境中。

在看似旋转的透明测地线圆顶上（尽管直径只有两英尺），NREL科学家附上了火柴盒大小的样本，这些样本模拟了PV模块的构造，以确定UV辐射，高温，高湿和机械的哪种组合强调那些样本可能会失败。

重要的是，制造商不仅要检查单个应力。通过证明两个或三个因素的组合会导致故障，NREL正在帮助制造商为最坏的情况做准备。

肯佩说：“我们帮助制造商知道对样品施加什么样的压力，以确定样品A是否优于样品B。”“每个微小的细节，这些东西的每个方面都必须加以检查。”

肯佩说，一个典型的12毫米宽的边缘密封件，如果保持良好的附着力，应该在世界任何地方（从盐湖城到曼谷）都保持湿气。无论是带式边缘密封还是热熔挤出，每个模块的成本在1-2美元之间。

对于湿度测试，NREL使用真空炉使用饱和盐溶液将样品暴露在受控的相对湿度下：氯化锂用于低湿度；氯化镁，湿度25％至31％;硝酸钠可提高湿度。

测试导致面板蠕变的好消息

NREL科学家Michael Kempe持有PV样品，他正在Atlas CI 4000氙气测雨仪中测试边缘密封。该机器用于对PV样品施加机械应力，光应力，热应力和湿度应力。信用：丹尼斯·施罗德

NREL已经能够与业界分享好消息。

对于“蠕变”，NREL的复杂测试表明，问题没有想象中那么大。

在太阳能模块中，两块玻璃与塑料密封剂粘合在一起，该塑料密封剂在一个温度下可能是固体，但在另一个温度下会流动（或“蠕变”）。如果它在太阳能电池组件的预期使用寿命内流动，则太阳能电池板组件可能会移位，并可能导致短路，电气连接中断甚至起火。

风险很高：一厘米的蠕变会使带电的电线暴露在元件上，并可能引起电弧或其他严重的安全问题。

NREL的测试发现，目前使用或建议将来使用的大多数密封剂都能很好地防止蠕变。但是表明失败是有可能的，这使制造商不会沾沾自喜。

去年夏天，Kempe和他的同事使用了来自六个制造商的八种不同的密封剂来组装几个模拟的和实际的太阳能模块。然后，科学家以客观的方式并排评估它们，从而发现各种密封剂的优点和缺点，而不用指责单个公司。业界对NREL的信任使测试成为可能。肯佩说：“他们能够参加而不必担心被选中。”

研究人员将绝缘材料放在测试模块上，并将其部署在亚利桑那州，这样它们将达到现场可能达到的最高温度（104°C）。

在户外实验中，唯一蠕变严重的材料是故意配制不当的材料，因此它在中等温度下仍会熔化。

肯佩说：“业内人士考虑用于封装的所有其他塑料材料基本上都可以在户外使用。”“只有在非常极端的情况下，您才可能遇到问题。标准界意识到这个绊脚石并没有像所怀疑的那么大。”

压力，温度测试有助于防止电池过热

这里显示的是Atlas CI 4000氙气测雨仪内部的特写镜头，用于测试太阳能电池板的小样本。NREL科学家将温度，湿度和机械应力施加到样品上，以向工业界展示它们如何失败。信用：丹尼斯·施罗德

这里显示的是Atlas CI 4000氙气测雨仪内部的特写镜头，用于测试太阳能电池板的小样本。NREL科学家将温度，湿度和机械应力施加到样品上，以向工业界展示它们如何失败。

NREL还致力于解决光伏电池集中在模块中过热的问题。聚光光伏使用透镜将更多的阳光聚焦在太阳能电池上。NREL科学家Nick Bosco说，由于天气的温度变化，粘附在面板玻璃和边缘上的焊料或环氧树脂会随着时间而疲劳。当附件变坏时，热量将无法散发，并且电池会过热。

NREL使用高频天气数据来模拟休斯顿，洛杉矶，阿尔伯克基…等公司需要进行气候测试的地方的电池温度变化。数据是公开可用的。

最具破坏性的地区是高温和部分多云的天空。云层经过时频繁的温度变化会引起额外的压力。博斯科说：“在科罗拉多州戈尔登[NREL主校区]，我们遇到炎热的早晨，然后每个下午云层滚滚，这比凤凰城的破坏性更大，凤凰城的云层并不多。”“我们还处于起步阶段，但是很容易看到某些位置之间相差20％到40％。”

为了测试温度循环对模块的影响，NREL使用各种焊料和环氧树脂来固定面板的一部分，然后以不同的间隔将它们暴露在不同的温度下。研究人员在室内测试热循环并将模块暴露在外部条件下，比较结果。

博斯科说：“我们对随着模块循环使用而在焊料中裂纹的扩展很感兴趣。”“我们的仪器可以将裂缝成像在计算机上，对其进行分析并测量其大小。我们将定期进行此操作，然后将模块放回室内，进行更多的循环，然后根据循环次数来测量裂纹的增长率。”

Bosco正在研究模型和实验，以确定附件将累积的损坏量。目的是使室内测试室能够准确反映室外条件。

博斯科说：“每个城市的附件累积的损坏量都不同，我们希望以此为模型。”“我们希望能够根据位置做出真实的预测。”室内的这么多周期等于外面的这么多年。“因此，一家公司可能期望在这么多年后出现类似的裂纹增长。”

工业上的挑战是设计出非常耐用和可靠但又不太昂贵的太阳能模块。NREL科学家及其同行发现，他们可以应对这一挑战。

博斯科说：“他们正在寻找一种通往成本更低的电池组件设计和架构的途径。”NREL能够指出解决方案为何起作用，而不仅仅是它起作用了。它可以报告设计或材料的更改对可靠性造成这种或那种后果。NREL与业界分享了这些知识，以帮助技术向前发展。

NREL科学家及其行业合作伙伴已经了解到，加速测试将在不同位置代表不同的事物-设计的材料和体系结构会极大地影响可靠性。“您当然可以有一个昂贵的坏设计，”博斯科说。而且，当然，安装不正确的优质产品可能会失败。

加速测试以使新的，可能是更好的产品能够更快上市的诱人之处在于，测试专家知道，要验证产品具有20或30年的使用寿命，就很难与真实的耐用性进行比较。

因此，NREL和整个行业都牢记家禽类比。肯佩说：“当您尝试孵化一个鸡蛋时，要在40°C左右的温度下放置25天，然后您会得到一只鸡。”“如果尝试通过提高温度来加快时间，则会煮鸡蛋。”

NREL的测试结果将为更改可靠性标准提供技术基础。

如今，这些标准还不足以预测太阳能电池板的总体寿命。NREL，PV行业以及PV可靠性研讨会的参与者正在努力工作，直到测试和标准可以确定模块的使用寿命可靠性。

博斯科说：“由此产生的是分级测试序列。”“如果您通过了A级认证，则意味着该模块在这些特定位置的使用寿命很长。更严格的B级认证将在更具破坏性的位置提供类似的终身保修。”

详细了解NREL的PV性能和可靠性测试。

—比尔·斯坎伦