2021-05-10
 
与腐蚀作斗争以保持太阳能电池板嗡嗡作响:研究人员正在研究腐蚀,以帮助行业开发寿命更长的光伏面板并提高可靠性
2021年05月10日   阅读量:956

人们认为腐蚀是汽车上的锈蚀或氧化,使银变黑,但也损害了关键的电子设备和太阳能电池板中的连接,从而降低了发电量。


桑迪亚国家实验室材料可靠性研究人员埃里克·辛德尔霍尔兹(Eric Sc??hindelholz)表示:“预测这一挑战具有挑战性,而设计减少它的方法更具挑战性,因为它很大程度上取决于材料和环境条件。”


埃里克·辛德尔霍尔兹(Eric Sc??hindelholz)研究腐蚀及其对光伏(PV)系统性能的影响中国玻璃网meesm.com


来自不同部门的桑迪亚研究人员合作,在受控条件下加速腐蚀,并利用他们所学到的知识来帮助行业开发寿命更长的光伏面板并提高可靠性。


例如,桑迪亚光伏和分布式系统集成部门的Olga Lavrova的工作首次证明了腐蚀与光伏系统电气连接中的电弧故障风险之间的联系。


Sandia电子,光学和纳米材料部门的Erik Spoerke的研究重点在于开发可以显着提高可靠性的新型纳米复合薄膜。


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Schindelholz说:“在特定的环境和材料下,我们的主要目标之一是预测腐蚀将发生的速度及其造成的损害。” 


“反过来,这为我们提供了信息,以选择合适的材料进行设计或开发用于特定环境的耐腐蚀材料。这还使我们能够评估系统老化的健康和操作风险。这尤其重要用于太阳能系统,该系统很容易受到腐蚀,但有望持续数十年。”


腐蚀不是小问题。全国腐蚀工程师协会在联邦公路管理局的支持下于2002年进行的一项研究估计,腐蚀各种行业,基础设施和制造业中的金属每年的成本为2760亿美元。


再现环境条件以研究腐蚀研究人员简化了实验室中复杂的环境条件,以研究材料如何腐蚀。确定要复制哪些环境条件并不容易。“沿着佛罗里达海岸,空气中的湿度和海盐含量很高。在阿尔伯克基,我们有很高的紫外线(UV)辐射,因此紫外线可能是这里的重要参数之一。


这些参数随位置和材料的变化而驱动腐蚀转移,”辛德尔霍尔茨说。“挑战在于确定重要参数-然后在实验室中调节旋钮,以获得能够复制我们在室外环境中看到的东西的东西。”


桑迪亚(Sandia)属于一个新的财团,旨在加快光伏组件新材料的开发,提高可靠性并降低太阳能发电的成本。耐用模块材料国家实验室联盟(DuraMat)希望在国家实验室与行业之间架起桥梁,以便实验室的研究可以使PV社区受益。


事实证明,DuraMat的重要性在于材料约占PV组件总成本的40%。由国家可再生能源实验室与桑迪亚,劳伦斯伯克利国家实验室和SLAC国家加速器实验室合作领导的DuraMat将在五年内从能源部(DOE)的SunShot计划中获得约3000万美元。该财团是能源部网络创建的能源材料网络的一部分


法拉利使用加速老化技术来观察正在发生的事情,从而领导了光伏系统可靠性项目的研究,研究了老化如何影响太阳能电池和组件以及所有部件如何共同发挥作用。


她的团队与Schindelholz一起在SunShot计划下开展了两个项目,这是一项全国性的努力,目的是在十年后使太阳能与其他形式的电力在成本上具有竞争力。她还为DuraMat的模块耐用性做出了贡献。


与电力研究所合作的一个项目,研究了来自不同制造商的光伏组件,以向制造商提供有关他们可能在30年内预期会出现哪种退化的信息,以帮助他们找到降低退化速度的方法。桑迪亚(Sandia)应用加速老化原理来加快对包括腐蚀在内的缓慢发展效应的研究。


凯斯西储大学(Case Western Reserve University)的第二个项目从法医角度研究了腐蚀和其他降解-回头看看已经发生了什么。Lavrova的团队采用大数据分析方法来研究和分析来自全球现有装置的信息。“是每年降解1%还是2%?也许我们会看到一半的降解,也许我们会看到10%的降解。这是不好的原始产品还是在哥斯达黎加安装了?每天湿度在80%的地方?” 她说。


Spoerke的团队希望完全阻止腐蚀。该团队与德克萨斯A&M教授Jaime Grunlan合作,正在开发由廉价材料制成的纳米复合薄膜,以作为阻隔水蒸气和腐蚀性气体的屏障。研究小组希望这种复合材料(比人的头发薄100倍)可以改善保护太阳能电池免受腐蚀的方法。


构成薄膜的无机成分和有机聚合物必须仔细设计和混合。Spoerke说:“这是关于以正确的方式组装这些结构,以便您可以使用便宜的材料并仍然获得所需的好处。” “如果要盖房子,不仅要把石膏板,四分之四和带状疱子堆放在一起。还必须使用四分之四来制作框架,将石膏板设置为二分之四。 ,然后将屋顶板上的木瓦组装起来。”


薄膜并不是唯一的答案,但是“我可以设想,我们正在开发的技术可能会成为协作材料系统的一部分,以帮助替代下一代PV应用中的玻璃。”


含金属的系统易受腐蚀Sandia数十年来一直研究腐蚀问题,分析了各种系统中的问题,因为任何含金属的材料都易受腐蚀。通过封装聚合物,密封剂和玻璃来保护太阳能电池的电气组件免受腐蚀,但是随着材料和包装材料的降解,水蒸气和腐蚀性气体会渗透。例如,在热带沿海地区较高的温度和湿度下,材料腐蚀的速度通常比南极沿海地区要快。


研究人员在环境试验箱中加速了这些现实条件,以检查电子设备和其他光伏系统组件的腐蚀情况。人工加速测试可以加快温度,湿度,污染物和盐水的腐蚀速度。例如,随着时间的流逝,在冰冷的冬季道路上或海洋附近的盐会腐蚀汽车。


由于汽车制造商迫不及待要看到数十年的产品如何抵抗这种情况,因此加速的实验室测试可能会在表面上连续喷盐,以鉴定涂层和车身材料,以确保它们在产品的使用寿命内是安全可靠的。


工程师使用腐蚀室研究必须满足特定腐蚀要求的系统中的不同材料,或将电子组件暴露于环境中,以了解随着时间的推移会发生什么。


拉夫罗娃说:“与其将太阳电池板置于室内,而不是在阳光下等待30年运行,不如将其暴露在更高浓度的光下,或者将它们放在热室中,以模拟相当于多年温度循环的情况。” 她说,加速的终生实验表明,六个月后会发生几十年的事情。


桑迪亚(Sandia)还研究了腐蚀的潜在机理。辛德尔霍尔兹说:“这是一个更大的挑战。” “在大气腐蚀中,我们具有大气的化学性质,降落在表面上的颗粒,相对湿度,温度等。我们必须了解这些因素的相互作用以及它们与金属表面的相互作用。”


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