Una revisión sobre el rendimiento de los módulos fotovoltaicos frente a entornos climáticos extremos

Análisis estructural de módulos fotovoltaicos

El requisito básico de vida útil de los módulos fotovoltaicos es que "después de 25 años de trabajo al aire libre, aún puede mantener el 80% de la potencia de salida máxima del valor inicial, y también se requiere que pueda resistir efectivamente el impacto de fuerzas externas Los módulos fotovoltaicos se componen principalmente de células solares, backplanes, vidrio fotovoltaico, materiales de embalaje, cajas de conexiones, marcos, etc.

La vida útil y el rendimiento de generación de energía de los módulos fotovoltaicos se ven afectados en gran medida por factores ambientales, como el oxígeno, la temperatura, la luz, la humedad relativa y los impactos externos. Estas son las principales razones de la falla de los módulos. Entre ellos, backsheets, vidrios fotovoltaicos, materiales de embalaje, etc. se encuentran los tableros cortos para asegurar la vida útil de los módulos fotovoltaicos. Sin embargo, la placa posterior y los materiales de empaque dependen en gran medida del medio ambiente y se ven fácilmente afectados por la temperatura y los fenómenos de envejecimiento fotooxidativo, lo que resulta en una degradación del rendimiento. Por lo tanto, el vidrio fotovoltaico, los materiales de empaque y los backplanes se analizan y estudian por separado a continuación.

1 vidrio fotovoltaico

La función principal del vidrio fotovoltaico es proteger las celdas solares del daño causado por varios factores agresivos y hacer uso de la alta transmisión de luz del vidrio mismo para que la absorción de la energía de la luz de las celdas solares no se vea afectada tanto como sea posible. El vidrio fotovoltaico es vidrio templado, que es un material inorgánico. Se ve menos afectado por el medio ambiente, pero se ve muy afectado por el impacto de una fuerza externa y se rompe fácilmente debido a la presión del viento, el granizo y otros impactos. Si se utilizan módulos fotovoltaicos en la región antártica, el impacto de fuertes vientos y ventiscas durante todo el año puede hacer que el vidrio fotovoltaico se rompa fácilmente, lo que provocaría una falla en su desempeño protector y afectaría la seguridad y la vida útil de los módulos fotovoltaicos. La densidad del vidrio es proporcional a su probabilidad de rotura por impacto, y la resistencia al impacto se puede mejorar aumentando la densidad del propio vidrio. Por lo tanto, aumentar adecuadamente la proporción de sílice en la formulación de la materia prima de vidrio y reducir el contenido de óxido de sodio y óxido de calcio puede mejorar de manera efectiva la resistencia al impacto del vidrio templado, reduciendo así de manera efectiva el impacto de vientos fuertes, ventiscas y otras fuerzas externas en condiciones extremas. entornos. Riesgo de rotura de cristales. ventiscas y otras fuerzas externas en ambientes extremos. Riesgo de rotura de cristales. ventiscas y otras fuerzas externas en ambientes extremos. Riesgo de rotura de cristales.

Los estudios han demostrado que por cada 1 % de aumento en la eficiencia de conversión de las celdas solares, el costo de generación de energía se reducirá en un 7 %, y la transmisión de luz del vidrio fotovoltaico afectará la eficiencia de conversión de las celdas solares, que también es un factor importante. afectando la eficiencia de conversión de los módulos fotovoltaicos. El vidrio fotovoltaico es un tipo de vidrio de cal sodada. Si se expone a una humedad extrema durante mucho tiempo, se hidrolizará para generar hidróxido de sodio y gel de ácido silícico; mientras que el hidróxido de sodio corroerá y dañará la capa de recubrimiento, y el gel de ácido silícico se pegará. Unido al vidrio, los cuales conducen a una disminución significativa en la transmitancia del vidrio fotovoltaico. Al mismo tiempo, La fuerte radiación ultravioleta en el entorno de clima extremo promoverá la oxidación y descomposición de la materia orgánica en la superficie de la película de vidrio fotovoltaico, lo que hará que la película se arrugue, agriete y se caiga, y cause manchas de arcoíris en la superficie del vidrio, lo que reducirá la transmitancia del vidrio fotovoltaico. . Además, es más probable que las moléculas de agua que ingresan al sustrato de vidrio a través de la capa de película se congelen a temperaturas extremadamente bajas, lo que dañará la capa de película; el impacto de las semillas de nieve y el granizo en entornos climáticos extremos también dañará la capa de película de vidrio y, finalmente, conducirá a una disminución en la transmisión de luz. Los efectos de falla de estos factores ambientales en el vidrio fotovoltaico afectarán seriamente la eficiencia de conversión y la vida útil de los módulos fotovoltaicos.

Según los datos, el elemento hierro puede colorear el vidrio y reducir la transmisión de luz del vidrio, mientras que el óxido de cerio (CeO2), un metal de tierras raras, tiene las funciones de agente clarificador, agente decolorante y absorción anti-ultravioleta. Por lo tanto, en el proceso de fabricación de vidrio fotovoltaico, ajustar el contenido de hierro en el vidrio y agregar una cantidad adecuada de CeO2 no solo puede mejorar la transmisión del vidrio fotovoltaico, reducir su reflexión y absorción de la luz solar, sino también reducir la transmisión de ultravioleta. rayos y proteger los paneles solares. Al no ser dañado por los fuertes rayos ultravioleta, puede mejorar efectivamente la resistencia a la radiación UV de los módulos fotovoltaicos y, al mismo tiempo, también puede mejorar la vida útil y la eficiencia de conversión de los módulos fotovoltaicos.

2 Materiales de embalaje

La función del material de encapsulación es unir las células solares, las cintas de cobre y estaño, las placas posteriores y el vidrio fotovoltaico, y es un componente clave de los módulos fotovoltaicos. Los principales materiales de envasado son gel de sílice de dos componentes, resina de polivinil butiral (PVB), película de polímero de etileno-acetato de vinilo (EVA), etc. En la actualidad, la película de EVA más utilizada en la industria fotovoltaica es la película de EVA que contiene 33% acetato de vinilo, que se ha utilizado en la industria durante más de 20 años.

Como material polimérico, el EVA es propenso a la reacción de desetileno bajo una fuerte irradiación ultravioleta y produce ácido acético y olefina. No solo la tasa de descomposición de EVA es proporcional a la intensidad de los rayos UV, sino que también el aumento en la cantidad de ácido acético acelerará la tasa de envejecimiento de EVA. La cinta de soldadura, la placa base y los electrodos de los módulos fotovoltaicos también se corroen con ácido acético. La reacción del deetileno provoca el cambio de color de la película EVA, que cambia gradualmente los módulos fotovoltaicos de incoloros y transparentes a amarillos o incluso a marrón oscuro, afectando así la transmisión de luz de los módulos. eficiencia y potencia de salida, lo que resulta en una disminución significativa en la eficiencia de conversión y la vida útil de los paneles solares.

La temperatura de transición vítrea Tg y la temperatura de fragilidad Tb son las temperaturas correspondientes cuando las propiedades mecánicas de los polímeros sufren cambios morfológicos a baja temperatura. Entre ellos, la temperatura de transición vítrea está directamente relacionada con el rendimiento a baja temperatura de la película EVA. Por debajo de la temperatura de transición vítrea, la película de EVA se encuentra en estado vítreo, mostrando un cierto grado de fragilidad. Algunos datos experimentales muestran que la temperatura de transición vítrea de la película EVA es de 0-10 °C. Cuando la temperatura es inferior a 0 °C, la película de EVA pierde gradualmente su elasticidad y entra en un estado rígido. La temperatura de fragilidad de la película EVA es de -30 a -50 °C. Cuando la temperatura cae por debajo de la temperatura de fragilidad, la película de EVA muestra fragilidad y una pequeña fuerza externa y una pequeña deformación la dañarán.

En este momento, la película de EVA solo tiene resistencia mecánica al impacto. Una vez que recibe el impacto de fuerzas externas, como fuertes vientos, granizo o transporte, es fácil de romper y las células solares encapsuladas en su interior se agrietarán o incluso se romperán. Al mismo tiempo, el entorno de baja temperatura también reducirá seriamente el rendimiento de unión de la película EVA, provocando la delaminación de los módulos fotovoltaicos. La estructura polar de la película de EVA para energía fotovoltaica es débil y tiende a degradarse y envejecer bajo una fuerte radiación ultravioleta. La estabilidad de la película EVA se ve afectada por su composición, así como por aditivos como agentes antienvejecimiento, estabilizadores, agentes de acoplamiento y agentes de reticulación. El agente antienvejecimiento puede reducir la degradación y la decoloración de la película EVA por los rayos ultravioleta,

3 plano posterior

La lámina posterior fotovoltaica se encuentra en la parte posterior del módulo fotovoltaico y cumple principalmente la función de proteger y sostener la celda solar. Como material polimérico utilizado para el encapsulado de gran área exterior de los módulos fotovoltaicos, las láminas traseras fotovoltaicas son el material más crítico que afecta la vida útil de los módulos fotovoltaicos. En la actualidad, una lámina posterior de uso común en la industria fotovoltaica es una lámina posterior TPT, que tiene una estructura de 3 capas, a saber, PVF (película de fluoruro de polivinilo)-PET (película de poliéster)-estructura PVF. La capa externa de PVF tiene buena resistencia a la erosión ambiental, la capa intermedia de PET tiene buenas propiedades aislantes y la capa interna de PVF tiene buena adherencia a la película EVA después del tratamiento superficial. Según los datos, la temperatura de fragilidad del PVF y del PET es de -70 °C. Dado que el material PVF que contiene flúor es delgado, su rendimiento a baja temperatura generalmente puede adaptarse a entornos climáticos extremos, mientras que el PET es más grueso en la estructura de la placa posterior y su elasticidad es baja a temperaturas extremadamente bajas. se reducirá considerablemente, lo que resultará en una disminución de su capacidad para soportar impactos externos, lo que provocará grietas o desgaste, y el rendimiento de la protección también se verá afectado. Al mismo tiempo, la lámina posterior de TPT es un material polimérico. Bajo una fuerte radiación ultravioleta, las grietas en la capa protectora exterior harán que la capa intermedia entre en contacto directo con el ambiente exterior, lo que resultará en la hidrólisis y el envejecimiento fotooxidativo del PET, lo que eventualmente conducirá a una disminución en su desempeño protector. mientras que el PET es más grueso en la estructura de la placa posterior y su elasticidad es baja a temperaturas extremadamente bajas. se reducirá considerablemente, lo que resultará en una disminución de su capacidad para soportar impactos externos, lo que provocará grietas o desgaste, y el rendimiento de la protección también se verá afectado. Al mismo tiempo, la lámina posterior de TPT es un material polimérico. Bajo una fuerte radiación ultravioleta, las grietas en la capa protectora exterior harán que la capa intermedia entre en contacto directo con el ambiente exterior, lo que resultará en la hidrólisis y el envejecimiento fotooxidativo del PET, lo que eventualmente conducirá a una disminución en su desempeño protector. mientras que el PET es más grueso en la estructura de la placa posterior y su elasticidad es baja a temperaturas extremadamente bajas. se reducirá considerablemente, lo que resultará en una disminución de su capacidad para soportar impactos externos, lo que provocará grietas o desgaste, y el rendimiento de la protección también se verá afectado. Al mismo tiempo, la lámina posterior de TPT es un material polimérico. Bajo una fuerte radiación ultravioleta, las grietas en la capa protectora exterior harán que la capa intermedia entre en contacto directo con el ambiente exterior, lo que resultará en la hidrólisis y el envejecimiento fotooxidativo del PET, lo que eventualmente conducirá a una disminución en su desempeño protector. y el rendimiento de la protección también se verá afectado. Al mismo tiempo, la lámina posterior de TPT es un material polimérico. Bajo una fuerte radiación ultravioleta, las grietas en la capa protectora exterior harán que la capa intermedia entre en contacto directo con el ambiente exterior, lo que resultará en la hidrólisis y el envejecimiento fotooxidativo del PET, lo que eventualmente conducirá a una disminución en su desempeño protector. y el rendimiento de la protección también se verá afectado. Al mismo tiempo, la lámina posterior de TPT es un material polimérico. Bajo una fuerte radiación ultravioleta, las grietas en la capa protectora exterior harán que la capa intermedia entre en contacto directo con el ambiente exterior, lo que resultará en la hidrólisis y el envejecimiento fotooxidativo del PET, lo que eventualmente conducirá a una disminución en su desempeño protector.

Por lo tanto, además de varias propiedades equilibradas, como la resistencia a la intemperie, el aislamiento, la barrera contra el vapor de agua, la resistencia a la corrosión y la resistencia a la abrasión por arena, la lámina posterior de TPT utilizada en entornos climáticos extremos también necesita fortalecer la resistencia mecánica a baja temperatura, la dureza y las propiedades antienvejecimiento. , para que los módulos fotovoltaicos puedan soportar eficazmente entornos climáticos extremos durante más tiempo y garantizar que la vida útil y el rendimiento de generación de energía de los módulos no se vean afectados.

4 Desempeño general de los módulos fotovoltaicos

Para resumir, al revisar el desempeño del vidrio fotovoltaico, los materiales de encapsulación y las láminas posteriores de los módulos fotovoltaicos, se exploran varios factores que pueden conducir a la falla de los módulos fotovoltaicos en ambientes de clima extremo. Los resultados muestran que:

1) Al ajustar la proporción de dióxido de silicio, óxido de sodio y calcio templado en la fórmula del vidrio fotovoltaico, se puede mejorar la resistencia al impacto del vidrio fotovoltaico, reduciendo así la probabilidad de daño a los módulos fotovoltaicos causado por fuerza externa. ; al mismo tiempo, al controlar el contenido de hierro y CeO2 en el vidrio, puede mejorar el rendimiento de transmisión de luz del vidrio fotovoltaico y, en última instancia, mejorar la eficiencia de conversión de los módulos fotovoltaicos.

2) Al adoptar la tecnología de modificación para la película EVA del material de empaque, se puede reducir la ocurrencia de fenómenos de falla como el envejecimiento ultravioleta de EVA y la fragilidad en frío a baja temperatura.

3) El fortalecimiento de la resistencia mecánica a baja temperatura y la tenacidad de la lámina posterior de TPT puede mejorar el rendimiento de protección de la lámina posterior para módulos fotovoltaicos. Mediante la investigación y el análisis de las razones de la falla de cada componente del módulo fotovoltaico y la propuesta de medidas de mejora técnica, la resistencia a la intemperie de cada componente se puede mejorar en gran medida, mejorando así aún más el rendimiento general del módulo fotovoltaico frente a entornos climáticos extremos, de manera efectiva. reduciendo el consumo de energía fotovoltaica. La probabilidad de envejecimiento, daño y falla de los componentes después de experimentar temperaturas extremadamente bajas, fuertes vientos, tormentas de nieve, fuerte radiación ultravioleta y otros entornos hostiles, y que hacen posible mantener una alta eficiencia de conversión.

Conclusión

A través de un análisis exhaustivo del rendimiento de cada componente de los módulos fotovoltaicos, este documento presenta las propiedades materiales del vidrio fotovoltaico, los materiales de embalaje y las láminas posteriores, y cómo mejorar la resistencia a la intemperie extrema de los módulos fotovoltaicos de cada componente, especialmente en las regiones alpinas. La mayor aplicación y promoción de los sistemas de generación de energía fotovoltaica en las regiones polares proporciona cierta orientación y referencia.