极端低温天气对组件性能的影响

       1月23日08时至25日20时，寒潮已开始影响我国，多地气温明显下降，并伴有4～6级北风，天寒地冻。我国最北边的漠河、根河气温已经跌到-35℃左右，呼伦贝尔已降至-47.5℃，堪称名副其实的“冰窖”，哈尔滨室外温度已经降到零下30多摄氏度。宁夏、青海、甘肃、新疆地区温度普遍在-30℃甚至更低，华北平原最低气温为-13～-20℃、黄淮将降至-9～-18℃、长江中下游地区将降至-8～- 14℃、华南中北部将降至0～-4℃。北京1月23日早晨将降至-16℃到-17℃，是近30年来1月份的最低气温（-17℃）。如此低温下，光伏人或许已经提前放假，但户外的光伏组件，该如何度过？

图1:2016年1月22-24日全国低温排行榜

图2：2016年1月22-24全国低温分布区域：深蓝<-50C，蓝<-40C，浅蓝<-30C

1. 低温对光伏组件的影响

       行业普遍关心的是高温会影响光伏组件的发电输出，但低温对光伏组件有何影响，业内人员可能知道得不多。光伏组件的材料中，像玻璃、铝边框、电池片等无机材料，一般来讲对温度的依赖性较小，最怕的或许是低温冰雹对玻璃的撞击；组件材料中的封装材料、背板、接线盒等有机材料，往往是最怕极高或极低的温度的。有机材料对低温的依赖性，需要从其基本特性 - 脆化温度和玻璃化转变温度说起。

2. 什么是脆化温度？

       塑料的耐寒性用脆化温度表示，所有塑料都会随着温度降低变得愈来愈硬而脆，这是由于聚合物分子链的活动性变得愈来愈小之故，脆化温度是指塑料在冲击载荷作用下变为脆性破坏的温度，一般是把在规定冲击条件下有50%试样产生脆性破坏的温度确定为脆化温度，用符号Tb表示。脆化温度是塑料材料能够正常使用的温度下限，低于脆化温度，塑料失去了柔韧性，性脆易折，无法正常使用。       一般来说，VA含量在28%左右的EVA脆化温度为-70℃。

       对于聚合物来说是非晶聚合物的玻璃态与高弹态之间的转变。其分子运动本质是链段运动发生“冻结”与“自由”的转变。发生玻璃化转变的温度称为玻璃化温度，以Tg表示，是高聚物的特征温度。它是非晶态热塑性塑料使用温度的上限，是橡胶使用温度的下限。 

       玻璃化转变对聚合物性能尤其是力学性能变化很大，非晶聚合物的模量可产生3～4个数量级的变化。一般来说，VA含量在28%左右的EVA，低于-24℃开始出现玻璃化转变，通常认为EVA的玻璃化转变温度为-34℃。

4. 玻璃化转变温度和脆化温度对EVA性能的影响

       从图3可以看出，在0℃以上，EVA还保持着相当好的弹性。低于0℃,EVA 的刚性明显上升；低于-20C后，开始产生玻璃化转变，此时可以认为EVA已经基本丧失了弹性，进入完全刚性状态；当环境温度在低于-70℃后，EVA材料已经完全脆化，已经丧失了作为封装材料用的保护性能。

       当EVA材料发生玻璃化转变后，也就是说EVA材料丧失了弹性后，此时的EVA作为封装材料仅剩下抗机械冲击性能。此时如果材料或者组件部发生弯曲、变形，那么它对材料还有一定的保护性能；但一旦有变形发生，EVA材料就很容易发生断裂。此时被封装在EVA内部的电池片材料尽管仍有一定的挠性，但由于被EVA失去了弹性，电池片被“冻结”在EVA中，随着EVA发生的断裂也会随之产生隐裂，乃至断裂。

       在极度低温的环境下，往往还伴随着大风和暴雪。此时的光伏组件正经历着难以想像的动态机械载荷；若加以数厘米乃至数十厘米的积雪，那么还要承受更严重的静态机械载荷，光伏组件因此而产生的弯曲和动态形变，将对EVA材料产生致命的影响，进而引起电池片的致命裂纹。

       用于光伏组件封装的材料除了常用的EVA外，还有大家熟知的聚烯烃和有机硅。根据陶氏化学提供的资料，陶氏Enlight封装胶膜的玻璃化转变温度为-40℃，与EVA相似。有机硅材料的玻璃化转变温度为-68℃，脆化温度低于-100℃，远低于一般的塑料材料。在地球上可能出现的环境温度下，有机硅都能保持良好的弹性。像我国近日如此低温的天气中，如果用有机硅材料作为光伏组件的封装材料，是完全能够抵御因低温造成的电池片隐裂、材料本身断裂的。

6. 低温对其它组件材料的影响

       在组件的材料清单中，还有背板、接线盒、连接器、、边框密封材料、光伏电缆都含有有机材料。

       对于背板，结构中的主要材料是PET和含氟材料。PET的玻璃化转变温度为150℃，脆化温度约-70℃；含氟材料PVDF的玻璃化转变温度约39℃，无论是PVF还是PVDF，脆化温度都在-70℃以下。由于含氟材料较薄，低温性能低于当前的极端低温应该问题不大。对于PET成分，在背板结构中厚度最大，是主要的承受应力材料，由于其玻璃化温度很高，脆化温度在-70℃，当前的极端低温下，PET材料的弹性已经大大降低，承受变形的能力也大大降低。不过，由于背板只是在外层作为一种机械保护材料，不用过于担心对电池片的影响，只需考虑其低温下的机械强度是否还能经受风沙的冲击，会不会产生材料的隐裂、磨损。

       接线盒材料包括盒体、螺母等，材料通常有PPE、PPO、PA66、改性ABS、聚苯硫醚PPS、聚砜PSF、聚醚醚酮PEEK等。不同材料的脆化温度不一样，但一般都在-40℃以下，经历过HF、TC等测试。且接线盒体积较小、变形小，影响应该不大。

       边框密封材料，一般都是采用硅胶做边框密封，其-69℃的玻璃化转变温度足以展现优异的弹性。只要常温下的动态、静态机械载荷试验可以通过，应该也没有问题。对于最近出现的一种替代有机硅胶的丁基胶带材料，由于其含有橡胶成分，玻璃化转变温度也较低，可以咨询供应商，了解更进一步的信息。

       对于光伏电缆，只要是适用于北方地区的电缆，都可以使用。

6. 极低气温下组件的机械载荷性能

       极低气温对不同玻璃化转变温度和脆化温度的封装材料有不同的影响。低温引起材料的弹性降低，会进一步导致抗机械载荷性能的下降，从而导致电池片耐机械载荷性能的下降。某企业曾经做过不同温度下的动态机械载荷，不同封装材料表现出的性能有明显的差异。

图4：不同温度下，EVA、有机硅封装组件的机械载荷电池片隐裂及裂纹长度测试

       从图中看出，当环境温度常温或较高温度时，EVA和有机硅封装材料一样有良好的弹性，静态及动态机械载荷性能差不多。但在-20℃以下时，EVA封装的组件在机械载荷测试中产生的电池片隐裂远高于有机硅封装的组件。这也进一步说明了极低温度下EVA的弹性确实有明显的下降甚至消失，对电池片的保护作用大大降低，在产生形变的过程中其刚性、脆性反而对促使了电池片隐裂的产生。

结语

       极端恶劣气候对于大部分地区或许是不用多考虑的。但在我国的北方、西北地区，出现-20℃以下的气温及大雪、大风并不会是偶然的。对于全球来说，俄罗斯、美国北部、加拿大、欧洲北部等，极端低温和风雪更是常事。在这些特殊环境下，如果考虑机械载荷的影响，封装材料的选择将变得非常重要。如果再考虑风沙地区低温对背板的影响，或许对于传统背板组件和双玻组件的选择也要慎重考虑。综合上述因素，用液体硅胶封装的双玻组件可能在这些极端恶劣地区会有很好的应用；退一步来说，我们的组件性能测试还要考虑低温机械载荷这一项。

       此次极端低温天气之后，相关电站业主和研究机构也可以针对特定地区的光伏电站展开更全面的调查，了解传统组件在不同区域对极端低温天气的适用性，进而出台相关的性能评价技术要求和认证规范，对特定地区给出差异化的产品测试认证方案，以满足该地区光伏电站建设的选型要求。