2015年10月29日 星期四

颱風對太陽光電系統的影響(2/2)-模組強度問題


颱風對太陽光電系統的影響(2/2
-模組強度問題


3. 模組強度問題
模組強度的問題比支架更加複雜,主要決定於玻璃、鋁框與電池片易碎程度。


3.1 玻璃
目前模組廠都使用3.2 mm強化玻璃,因此各家差異不大。早期使用4.0 mm玻璃,模組強度比現在強很多,因為抗彎曲能力與厚度3次方成正比,(4/3.2)3 = 1.954.0 mm的抗彎曲能力是3.2 mm的將近兩倍。不過因為模組減重與成本下降的需求,且3.2 mm也可以達到5400 Pa的機械負荷,所以現在已經幾乎沒有人採用4.0 mm玻璃。還好這一次風災比較少看到因為玻璃強度不足造成的嚴重問題,所以使用3.2 mm玻璃強度應該還足夠。不過業界目前正在發展採用2.5 mm甚至2.0 mm玻璃,個人認為這種模組的強度不能再只靠現有鋁框,必須在結構上有更多補強措施,否則又是災難一場。

3.2 鋁框
鋁框看似簡單,其實有很多眉角。下圖是鋁框截面示意圖,有三大重點,分別是正面寬度D,側面高度H,底面寬度WD的寬度不足時,玻璃夾持的深度不夠,會導致玻璃易與鋁框脫離,這次風災中看到很多模組框還在支架上,但是玻璃已經飛走了,多半與玻璃夾持強度不足有關(見下方圖)。
鋁框仍在玻璃脫離
側面高度H與寬度W則決定了支架強度與抵抗變形的能力。前面提過抗彎曲能力與厚度的三次方成正比,所以H越高抵抗彎曲的能力越強。W則與抗彎強度成正比,也有助於提昇模組強度。這一次風災看到很多模組鋁框彎曲變形,甚至斷裂(如下圖),這些缺陷與鋁框強度不足有關。最近有些設計把高度H再往下降低,以減少材料成本與運輸成本,但是這種對強度影響很大,必須注意從其他地方把強度補回來。
模組鋁框變形
為了降低鋁框成本,除了減少高度H與寬度W,還有一個常見做法就是降低鋁框肉厚。肉厚減薄外觀不明顯,所以客戶不太容易注意到。遇到強風時,則會因為應力集中造成安裝孔被撕裂(如下圖)。
安裝孔撕裂
高度H這一面的厚度更常被減薄,一方面它對結構強度影響較小,另一方面客戶也無從量測確認,所以常常變成cost down的犧牲者。這一面厚度減薄雖然對整體結構影響較小,但是遇到集中應力大的時候,很容易造成局部變形或甚至撕裂(如下圖)。
鋁框側面撕裂
另外一個比較少被注意到的問題是邊角的強度。鋁框邊角通常以L-key把鋁框長短邊固定住,而隨著鋁框成本降低,L-key的厚度也越來越薄,導致邊角的強度也越來越低。下圖可以看到這疊風災受損的模組,有很多邊角都開裂了,顯示邊角的強度不足。
模組邊角開裂

3.3 電池片易碎程度
模組受風壓時會產生變形,在實驗室中5400 Pa的壓力可以讓模組中央產生高達5~10公分的變形。如果模組的強度設計相近,變形量大致上差不多,接著就要比電池片易碎程度。電池片易碎程度決定於電池片本身的材質,也決定於模組生產中串焊造成的暗裂與內應力程度。下圖是我們在颱風過後用EL評估的一個案場,左上角模組受外力撞擊玻璃破裂,電池片也幾乎全碎。但是其他三片外觀完全沒有異狀的模組竟然也有電池片破裂,可以看出模組受到外力時,也有可能造成電池片嚴重破裂。而電池片的易碎程度就決定了功率衰減的程度。
風災後系統EL評估

綜上所述,在不同階段各有很多強度問題需要特別注意,只要特別注意這些問題,太陽光電系統是不怕颱風的。目前在支架方面還沒有看到供應商有特別的因應措施,但是有成精密(模組廠)已經在10PV Taiwan展覽中推出「颱風系列」模組,反應速度之快值得嘉獎。特別向有成精密瞭解了一下颱風系列的具體設計,徵得有成精密同意在此也評論一下此產品。

颱風系列有三大特色:1. HeatCap cell防隱裂,2. L-key設計增加邊角強度,3. 鋁框強度增強。
據了解HeatCap是在電池片背面塗上特殊材料增加電池片抗隱裂的能力,從有成精密提供的工研院測試資料看起來確實有些效果,特別是針對單晶電池片隱裂容易快速成長的特性,HeatCap可以阻止隱裂分裂、成長,讓模組即使在大變形的情況下,產生的隱裂也比一般模組少。下圖的對照組是電池片沒有塗特殊材料的模組,在受外力的狀態下,一旦有隱裂就快速分支造成嚴重破裂,這種隱裂快速成長單晶電池片的特性。上圖抗颱風模組測試後也有一些隱裂,但是卻沒有嚴重分支破裂,從這裡可以看出特殊塗料的效果。

工研院測試資料(有成精密提供)

第二個特色外L-key設計則解決了前述模組鋁框邊角開裂的問題。下圖中局部放大了模組邊角,可以看到鋁框邊角有一小塊方形顏色略與邊框不同,那就是外L-key。一般的L-key寬度只有2 cm左右,但是有成精密的外L-key中央則做到與鋁框同寬,也就是有4 cm寬,強度當然遠高於一般L-key
有成颱風系列(有成精密提供)

L-key(左)與外L-key(右)比較 (有成精密提供)
另外在鋁框強度部份,鋁框底面的寬度W加寬至50 mm,鋁框肉厚也比一般模組厚,這些都使鋁框強度比一般模組更強。這三大特性加起來,確實讓這個颱風系列大大增強抗颱能力。
不過小小問題是成本也增加了一些,據了解這個模組價格大約會比一般模組每瓦高個幾美分。當然這也是可以理解的,品質向來不是免費的,當你要求更高強度的同時,也要多付出一些成本,但是可以給客戶更多的保障,怎麼選擇就留給各位去取捨了。

備註:
本文為說明分析各種損壞原因,將各照片中之系統損傷簡化為單一破壞模式案例,其真正原因可能由多個因素交互作用而產生,仍需更多現場勘查分析才可下定論。





延伸閱讀:

關於作者:
林敬傑博士,業界朋友們暱稱為「傑博」
2004年在工業技術研究院從事太陽能模組研發,是國內最早開始研究太陽能的專家之一
2005年與德國萊因技術合作,在臺灣建立亞洲第一個太陽能檢測認證實驗室
2007年擔任德資企業a2pak Power茂暘能源技術長
2011年成立顧問公司PV Guider,提供專業諮詢與電站品質管控等服務

目前擔任:
PV Guider首席顧問
CNS國家標準審議委員
工研院量測中心顧問
SEMI產業標準工作小組召集人
Solar United國際太陽能產業聯盟工作小組技術專家
華聚基金會兩岸共通標準技術專家

10 則留言:

  1. 很精闢的分析討論,讚! 日後請多多分享!

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  2. Jay兄有無意願探討一下Snail Trail 蝸牛紋
    從一些文章上看到
    分析蝸牛紋造成的原因可能為如下:
    (1) 因模組的電池片cell上有隱裂,該隱裂為肉眼所無法辨識。
    (2) 而少量水份子進入模組附在裂縫中產生氧化現象, 造成如水痕般的(Snail
    Trail)外觀。
    (3) 按文獻報導在太陽能業界一致認為該現象為 “An optical discoloration,
    not a defect” 以文獻資料現示,該現象不會對模組效能產生影響。

    真的不會對模組效能產生影響嗎?

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    1. 有機會可以談談蝸牛紋,先簡單回答你的問題
      水氣由模組背面進入,通常會被cell阻隔,不太容易進到正面
      但是有隱裂時,水氣會從隱裂穿過進到正面,與正面的銀膠、EVA產生一連串的話學反應
      最後導致隱裂週邊的銀線表面變黑
      因為只有表面變黑,對銀線的導電度沒有顯著影響
      所以變黑本身對功率沒有什麼影響,這也是為什麼會聽到蝸牛紋不影響功率的說法

      但是有蝸牛紋的前提是有隱裂,而隱裂是會影響功率的
      所以影響功率的是隱裂,而不是銀線變黑的蝸牛紋現象
      蝸牛紋只是讓本來看不到的隱裂變成肉眼看得到,本來應該是好事一件
      但是發現有隱裂之後,就要追究隱裂從哪裡來,這對系統商跟模組廠來說就是個頭痛的事
      所以我們一直提倡模組上架前要抽檢EL,確認模組沒問題
      系統完工驗收時要做系統EL檢測,確認安裝沒問題
      每隔幾年再定期EL檢測,確認維護、清洗沒有造成問題
      這樣才能把每一個階段的責任釐清
      否則安裝後過了一年才看到蝸牛紋,每個人都說不是自己的問題
      業主求償無門,只能自己吞下發電損失了

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    2. 請問系統完工驗收時要做系統EL檢測,可否分享此適用於現場之EL檢測設備?

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    3. PV Guider有提供EL檢測服務,也有代理EL設備(不過最近缺貨嚴重,都要等幾個月才有貨)
      您可以聯絡info@pvguider.com

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  3. 請教一個問題,畜牧設施中的豬寮,到底適不適合在屋頂上做太陽光電?

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    1. 可以的,而且已經有很多豬寮屋頂安裝太陽能,除了發電之外,還可以避免太陽直射屋頂造成溫度上升,減少了降溫所需的成本,對養豬戶也有幫助。
      但是有一點要特別注意,因為豬的糞便會產生氨氣,這是一種腐蝕性的氣體,如果太陽能板選用的材料不耐氨氣腐蝕的話,會使太陽能板發生故障。因此要選用有經過耐氨測試的太陽能板,這樣就不用擔心了。

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  4. 作者已經移除這則留言。

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  5. 您好,由於要去立院給委員的助理上課,不知可否引用您的文章

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  6. 好的,沒問題,有需要什麼協助或其他資訊,也請讓我知道,全力支持。理事長加油!

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