为什么大型光伏组件更易碎?——分析机械强度危机及行业担忧
Dec 17, 2025
引言随着模块尺寸的增大,材料用量不但没有增加反而减少,导致项目中的破损率居高不下。这是怎么回事?背后又隐藏着什么信息? 目录:第一章: 一个惊人的发现第二章: 易碎玻璃第三章: 单项测试第四章: 解决方案之路 第一章:一个惊人的发现2025 年 10 月 20 日,可再生能源播客频道 SunCast 在 LinkedIn 上发布消息,引用独立第三方 Kiwa PVEL 的测试结果,揭示了一种令人震惊的现象。今年,Kiwa 对大量模块进行了机械负载测试,其中 20% 的模块在 1800 Pa 的静压下失效。相比之下,2024 年的失效率仅为 7%。▽ 一篇关于 SunCast 播客的 LinkedIn 帖子 这篇文章在领英上迅速走红,评论区就20%的故障率是否属实展开了热烈的讨论。然而,随着更多第三方机构加入讨论,业内普遍认可模块高故障率这一事实也逐渐明朗起来。▽ Kiwa 实验室的机械负载测试 事实上,早在今年6月,Kiwa就邀请了50家组件厂商对其产品进行全面的“健康检查”。Kiwa还创新性地推出了“可靠性评分卡”系统,帮助用户准确评估不同厂商组件的性能。 测试严格按照IEC 61215标准进行,涵盖静载荷、动载荷、抗冰雹性能和电气性能。结果显示,玻璃破碎、框架撕裂、接线盒损坏等问题频繁发生,总体损坏率高达20%。▽ MSS(机械应力序列)机械载荷的失效率是往年的三倍 Kiwa的机械负载测试程序包括多种安装方法,并用数字标识:400mm安装孔,±1800 Pa静压测试790mm安装孔,±1800 Pa静压测试沿短边四角安装,±1800 Pa 静压测试双轨四夹具安装,±2400 Pa 静压测试 显然,这些测试是按照机械性能要求从高到低排序的。Kiwa 使用这套编号系统来追踪哪些模块通过了哪些测试,使用户能够间接判断模块的机械强度。 除了 Kiwa 之外,近年来全球其他第三方机构也注意到了模块破损问题的普遍性。 2022年,圣克拉拉联邦大学(FUSC)在巴西南部建立了一个100千瓦的实验电站,配备了双面太阳能电池板和跟踪器。一年内,158块太阳能电池板中有83块出现玻璃裂纹,破损率高达52.5%。 2023年,CFV实验室在一次在线交流中提到,他们的测试数据显示,2023年的组件故障率是2018年的三倍。CFV测试的组件中,近30%在1500 Pa的测试压力下发生故障。▽ 部件的耐压性能逐年下降零部件故障率逐年上升 2024 年,DNV 发布了一份白皮书,声称在亚太地区的一个双面组件跟踪器项目中,当风速超过 15 米/秒时,15% 的组件背面玻璃破裂。 2025 年 2 月,IEA PVPS 工作组发布了一份关于组件故障率的报告,指出采用 2 毫米玻璃的双面组件在安装后的头两年内,背面玻璃的破损率可能达到 5% 至 10%。▽ PVPS和DNV关于部件损坏的报告 2025 年 3 月,IEEE 杂志发表了一篇文章,分析了双面组件目前的玻璃破损率,指出项目的前五年是组件破损的高峰期,破损率高达 17.5%。▽ IEEE光伏期刊上发表的组件故障率 一夜之间,原本耐用的模块似乎变得脆弱不堪,这令人沮丧。 第二章:易碎玻璃自2020年大型组件发展趋势开始以来,组件尺寸迅速增大,这意味着每个组件必须承受更大的压力。然而,更糟糕的是,大型组件的材料用量不但没有增加,反而减少了:• 玻璃厚度:从 3.5 毫米减至 2 毫米• 铝合金框架高度:从 40 毫米减少到 30 毫米• 铝合金框架厚度:从 2 毫米减至 1.2 毫米▽ 随着部件尺寸增大,材料用量减少。 减少材料用量虽然有助于降低模块的整体重量,加快安装速度,但也引发了一些问题。根据美国国家职业安全与健康研究所 (NIOSH) 的建议,两人每五分钟搬运的最大重量为 33.5 公斤。 显然,如果继续沿用单层玻璃组件时代的材料使用方式,许多组件的重量将远远超过这个限制。▽ 美国国家职业安全与健康研究所(NIOSH)对人工举重有严格的规定。 当然,人们普遍认为,减少材料使用的主要目标是降低成本。 然而,降低成本却无意中导致了质量控制的下降。2毫米玻璃的生产工艺已接近玻璃制造技术的极限,因此其质量控制难度远高于3.2毫米玻璃。 为了提高抗碎裂性能,光伏组件玻璃通常需要进行热处理和化学处理。玻璃的强度很大程度上取决于这层经过处理和增强的表面层,该表面层通常占玻璃厚度的40%。 在3.2毫米厚度时代,制造工艺能够有效地形成这种保护层。然而,在2毫米厚度时代,保持相同的保护层厚度变得异常困难。▽ 元件表面的保护层通常占总厚度的40%。 如今,现场厚薄玻璃的破裂模式发生了根本性变化。此前,3.2毫米厚玻璃的破裂通常表现为“中心裂纹”,便于追踪失效点。相比之下,2毫米厚玻璃的破裂裂纹随机出现,使得确定失效原因变得极其困难。▽ 零部件框架生产工艺的差异也会影响零部件的机械性能。 这使得模块损坏时采取有效纠正措施的难度加大。即使更换了模块,类似的损坏也可能再次发生。▽ 组件玻璃破碎的情况已经发生了变化。 第三章:单项测试项目现场模块破损现象背后,还有另一个不容忽视的关键因素。 当组件制造商指定机械性能时,他们通常会参考IEC 61215标准的测试要求。IEC提供了一套全面的测试规程,并规定了测试安全系数:r_m = 1.5。 这个洞穴曾撰写过一篇题为《试验荷载与设计荷载:如何满足项目要求?》的专题文章,其中也讨论了安全系数的重要性。此外,不同工艺生产的玻璃的安全系数也不尽相同。▽ 不同工艺玻璃的安全系数 该安全系数的重要性取决于玻璃生产工艺。由于浮法玻璃生产固有的随机性和不一致性,其所需的安全裕度通常高于轧制玻璃。目前,组件制造商通常选择价格更低的浮法玻璃作为组件的背板玻璃。如表所示,退火浮法玻璃的安全系数范围为 1.6 至 2.5。 因此,对于材料性能安全裕度而言,IEC 要求的 1.5 倍安全系数显然是不够的。 但这并非最令人担忧的问题。 在项目设计过程中,通常会进行模块兼容性测试,以确定特定模块是否与跟踪器结构匹配。该测试会根据跟踪器和模块的实际安装方式,将项目所需的负载施加到模块上。通过此测试即可验证模块满足项目要求。 乍看之下,这个流程似乎合情合理且符合规范。然而,它忽略了一个关键问题:所有测试都只进行一次。无论是小型千瓦级项目还是大型吉瓦级项目,电厂中数百万个组件的可靠性都取决于一次沙袋测试。▽ 整个光伏电站的命运取决于一次单一部件的测试。 需要注意的是,即使是同一型号的模块,由于生产批次不同,其结构特征也会有所差异。这意味着每个模块都是独一无二的,因此测试单个模块无法全面准确地反映所有模块的真实状况。 模块载荷测试与结构测试类似。在结构行业,获得精确的结构特性通常需要进行大量的重复性破坏性试验(直至失效)。这种方法可以积累可靠的数据,从而形成稳定的样本。▽ 例如,在POT测试中,通常需要多个样品,并且需要反复测量失效极限。 值得注意的是,这种破坏性测试需要特定的样本量,通常每个样本组包含25至50个模块。基于这些大样本数据,可以构建威布尔概率分布模型,并通过统计分析推导出变异系数。最后,该变异系数可用于计算与材料不确定性相对应的安全系数。▽ 在统计学中,威布尔分布常用于确定产品失效的概率。 第四章:通往解决方案之路本文着重探讨光伏产业的长期发展趋势:降低成本、提高效率。降低成本并非仅限于组件;在巨大的成本压力下,其他系统设备也在探索最佳的成本降低路径。然而,当各设备厂商的“新技术”应用于系统层面时,却无意中增加了组件破损的风险。 追踪器制造商常用的成本削减措施包括:• 将收纳角度从 30° 增加到 60°• 将檩条厚度从 2 毫米减至 1.2 毫米• 将柱间距从 7 米增加到 10 米• 从迎风面收纳切换到背风面收纳• 通过弯曲主轴和模块来适应地形,从而减少土方工程量 由于行业壁垒,组件制造商和跟踪器制造商之间的合作面临诸多挑战。其结果是,各方都在努力降低自身成本,最终却将风险转嫁给了系统用户。▽ 追踪者们也在采用各种“新技术”来降低成本。 然而,并非所有人都选择“鸵鸟心态”。越来越多的人正在积极探索解决方案,并提出各种富有创意的想法。▽ VDE 提议进行不平衡组件测试 ▽ 钢框架可以有效提高构件的抗压能力。 ▽ 零部件回收行业也悄然兴起。 ▽ 零部件回收的一般流程 到2025年,得益于各方共同努力,光伏发电成本已降至历史新低。在各种发电方式中,光伏发电已成为平准化电力成本(LCOE)方面无可争议的领导者。▽ 光伏发电已成为最具成本效益的发电能源。 这项成就与每一位阅读本文的人都密不可分。让我们携手合作,打破行业壁垒,迎接挑战,把握时代带来的更大机遇。