镀膜玻璃对光伏组件户外输出性能的影响

2015-01-013M中国有限公司刘红亮

太阳能 2015年3期

3M中国有限公司 ■ 刘红亮

0 引言

光伏玻璃镀膜技术由于可提升光伏组件的输出性能，在光伏组件厂得到日益广泛的应用[1]。目前在市场上的光伏玻璃减反镀膜液品类众多，业内也主要以提升光伏镀膜玻璃的透过率为主要关注点，而对于镀膜玻璃在户外长期使用过程中对光伏组件输出性能的影响，却缺乏相关研究。

3M减反溶液为水相溶液，相比溶剂型溶液，具有安全环保、涂布工艺简单、涂布外观均匀、单位重量涂布面积大的特点。本文通过对使用3M减反镀膜液镀膜玻璃及常规钢化玻璃封装的光伏组件进行长期户外功率跟踪测试，对测试数据进行分析，并对使用3M 减反镀膜液镀膜玻璃对于光伏组件在实际户外条件下长期输出性能的影响进行研究和探讨。

1 实验样品

为了确保实验结果的准确性，本次对比实验中两种光伏组件所使用的材料，除玻璃有镀膜与无镀膜的差异外，其他材料都严格一致，具体组件材料BOM参数见表1(使用3M减反溶液镀膜玻璃的组件定为A，使用常规钢化玻璃的组件定为B，下同)。

组件A、B的初始电性能测试数据见表2，EL测试(电致发光检测)结果见图1。

表1 组件A、B的BOM表

2 实验方法

表2 组件A、B电性能参数

图1 实验组件EL测试结果

测试组件以20°的倾角安装在3M上海实验室的屋顶，朝向为南偏东18°。对组件进行45天暴晒光衰后，连接至户外测试系统进行长期功率跟踪测试。

使用户外功率测试系统对两片测试组件进行实时监控，每天测试起止时间为8:00～17:00。测试系统可实时记录组件的电性能参数(功率、开路电压、断路电流、最大功率点电压、最大功率点电流、串联电阻、并联电阻、填充因子)及环境参数(辐照度、风速、风向、温度、湿度)。测试系统的测试界面如图2所示。

图2 测试系统测试界面

测试系统每2 min进行一次数据采集，通过实时功率测试结果对时间做积分，可得到每块组件的发电量数据。结合测试的环境参数及天气情况，对测试结果进行归纳分析。

3 实验结果

组件A和组件B的月度发电量对比如图3所示。结合STC条件下的功率测试结果，初始的功率增益约为1.3%；7个月的户外功率跟踪测试结果显示，组件A相较于组件B的功率增益均值约为4%。

图4为2014年3月组件A、B日发电量及增益曲线。结合3月(见表3)天气气象数据可知：在阴雨天过后，组件A相较组件B，功率增益值出现一个峰值，表明雨水对组件A的清洗效果要优于组件B。

图3 组件A与组件B月度发电量对比

图4 2014年3月组件A、B日发电量及增益曲线

表3 2014年3月上海天气情况

图5为2014年3月15日，辐照度较好的一天内，组件A相对于组件B的功率增益随辐照度的变化曲线。由图5可知，14:00后，在同等辐照条件下随入射角度的变化，组件A相对于组件B的功率增益有显著提升，表明镀膜玻璃组件在低角度入射的条件下，相较于常规玻璃组件有明显的增益效果。

图5 组件A相对于组件B功率增益随辐照度变化曲线

4 功率增益机理分析

综合以上测试结果，除去镀膜玻璃初始透过率增益带来的功率增益，镀膜玻璃的自清洁性能及镀膜玻璃在低角度入射条件下的增益，也是在实际户外条件下，使用3M镀膜减反射溶液的镀膜玻璃组件相较常规玻璃封装组件表现出较高功率增益的原因。以下对镀膜玻璃的自清洁性能及低角度入射条件下的增益进行探究。

4.1 自清洁性能

纳米SiO2涂层的自清洁功能，主要是由其超亲水性能实现的。超亲水涂层的制备方法，按照超亲水的机理可分为两大类：一是粗糙度致超亲水，即通过对玻璃表面化学和几何结构进行改造，使玻璃表面具有一定的粗糙度，从而获得超亲水性能；二是光致超亲水[2]。本文中描述的纳米SiO2涂层为粗糙度致超亲水。

图6为使用3M减反镀膜液的纳米SiO2涂层的表面扫描电镜图(SEM图)。从图6可知，膜层表面有纳米级的粗糙度，正是这一原因使得涂层具有很好的超亲水性。

由于膜层纳米级的粗糙度及超亲水性，一方面，尺度较大灰尘在膜层表面的接触面积很小，很容易被自然力带走；另一方面，在有雨水的天气下，由于超亲水的原因，雨水对于镀膜玻璃的清洗效果要显著优于常规玻璃，如图7所示。综上两点，镀膜玻璃相较常规玻璃表现出优异的自清洁性能，进而表现出显著的功率增益。

图6 3M减反纳米SiO2涂层表面形貌图

图7 超亲水涂层自清洁原理

4.2 低角度入射增益机理分析

根据光的反射原理，自然光在界面处的反射遵从以下原理[3]：

式中，n1、n2为两介质的折射率。

由式(2)可得，对于非镀膜玻璃在白天、空气n1=1.0、玻璃n2=1.5、θ1=30°时，R1=4.1%；θ1=60°时，R2=8.9%。

对于镀膜玻璃在白天、空气n1=1.0、镀膜 n2=1.3、θ1=30°时，R1=1.8%；θ1=60°时，R2=5.3%。

玻璃与涂层界面相较空气涂层界面绝对值太小，可忽略不计。

将上述结果相减，得出白天镀膜相对未镀膜减反为：4.1%-1.8%=2.3%，傍晚减反为：8.9%-5.3%=3.6%。因此在斜光入射的条件下，减反射效果更明显。正是由斜光低角度入射条件下的光学增益带来镀膜组件的功率增益。

5 镀膜玻璃老化测试

为了保证光伏组件长久的户外使用，根据镀膜玻璃的主要失效机理对镀膜玻璃的机械性能及老化性能进行了相应研究。

5.1 镀膜玻璃机械性能测试结果

考虑到硬质涂层的主要失效机理为磨损失效，采用铅笔硬度测试方法来测试镀膜玻璃的硬度，采用干摩擦实验法来表征材料的耐磨性能。具体测试方法为使用750 g的负载，在镀膜玻璃往复摩擦600次，通过对比摩擦表面测试前后的透过率来表征材料的耐磨性能。测试结果见表4。

表4 镀膜玻璃的机械性能测试结果

由表4可知，3M减反射镀膜涂层的铅笔硬度达到3H，并且600个循环的干摩擦测试后，透过率的衰减只有0.6%。3M减反射镀膜涂层良好的耐磨性能，保证镀膜玻璃在长期使用过程中保持稳定的透过率，进而保证稳定的功率输出。

5.2 镀膜玻璃老化性能测试结果

根据IEC 61215对光伏组件耐候性的要求，采用了双85 1000 h、高温蒸煮(PCT)2 h测试检测镀膜玻璃的耐高温高湿性能；采用湿冻测试(HF)20个循环检测镀膜玻璃的耐高低温冲击性能；采用盐雾试验96 h检测镀膜玻璃的耐腐蚀性能。

镀膜玻璃的样品一半涂布3M减反射镀膜液，另一半不进行涂布。使用PE公司的Lambda 1050透过率测试仪测试老化前后的透过率，测量范围380～1100 nm，计算透过率的衰减来检测镀膜玻璃的耐老化性能。为尽量避免由于测试设备在老化前后的误差对测试结果的影响，使用镀膜与未镀膜面的透过率差值来表征透过率的变化。老化前后的测试结果见表5及图8。

由图8可知，镀膜玻璃老化后的透过率衰减都保持在0.5%内。3M减反射镀膜涂层良好的耐老化性能，也为使用镀膜玻璃的组件能长久稳定地输出功率提供保障。