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【技术干货】双玻太阳能组件的研究和应用

2016/07/15

双玻的摘要:双玻组件是晶硅太阳能电池封装的另一种形式,主要应用于BIPV或者相对恶劣的环境中。本文概括了目前双玻组件的基本结构、通过实验和分析EVA层压工艺、PVB封装工艺、组件电性能和相应的可靠性测试,在此基础上得出应针对不同的市场,推广与其相适用的常规或者双玻组件。



1、引言



在现阶段的光伏行业中,主流的光伏组件基本上采用有机材料的复合薄膜作为背板,铝合金边框,使用硅胶将两者粘结起来。使用这种结构的组件,对于背板的抗老化性能有一定的要求。因为在户外的使用过程中,水汽或其他一些物质容易穿透背板渗入组件内部,这可能会导致一些可靠性问题。


同时,由于BIPV组件的需求逐渐增多,现在主流的单玻(背板)组件,无法满足市场上对于使用光伏组件当做幕墙的要求。基于以上两点,有足够的理由可以开发满足电站和BIPV要求的双玻光伏组件,并进行各种基本的研究。



2、双玻组件的结构设计



双玻光伏组件的结构如下:钢化玻璃+EVA(PVB)+硅片+EVA(PVB)+钢化玻璃,类似于建筑玻璃上面的夹胶玻璃。通过控制电池片之间的间距来控制整块组件的透光率,来制成不同透光率的光伏组件。(如图1)

图一

①前板玻璃:与普通组件一样需要使用透光率较高的玻璃,即超白低铁钢化玻璃,厚度一般在2-3.2mm之间;②复合层:有两种材料,聚乙烯醇缩丁醛树脂(PVB),乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA),中间聚合物的厚度一般在0.5-0.7mm之间;③电池片:单晶硅或多晶硅或非晶硅;④背板玻璃:普通钢化玻璃,厚度和前板玻璃基本一致。


对于玻璃厚度为8mm以下的双玻组件一般使用层压机来压合,8mm以上的玻璃需要使用玻璃行业的高压釜来压合[5]。



3、双玻组件的层压工艺



1)、实验设备和材料


实验设备:博硕双腔层压机、高压釜


实验材料:2mm福莱特镀膜玻璃、0.65mm福斯特EVA、0.65mm佳氏福PVB、正泰自制电池片。PVB和EVA的结构如下图(二)


图二

2)、EVA层压工艺


选取以上实验材料和博硕双腔层压机,采用图一所示的结构铺设组件,然后使用不同的层压工艺来进行调试。双玻组件的背板由原来柔性的PET改为刚性的钢化玻璃后,极为容易出现碎片、气泡、位移等情况。


EVA胶膜的层压机工艺调试:


通过控制层压过程中的温度、抽真空时间、加压压力、保压时间、充气时间等关键工艺,使层压后的组件可以达到无气泡、无位移、低碎片率的合格组件。


(1)温度:对应EVA的固化温度。层压温度是整个层压过程中,最重要的参数。层压温度决定了EVA的融化速度、交联速度以及层压过程中EVA内部产生气泡的数量。


(2)抽真空时间:对应加压前的抽真空时间。抽真空的目的:消除组件内部和整个层压腔体中的空气,给接下来的压合工序创造合适的环境。抽真空的快慢和真空度的大小决定了组件中气泡的数目和大小。


(3)层压压力:对应层压时的压力大小。在层压过程中,合适的层压压力可以保证EVA、电池片、背板之间压合紧密(交联度和外观符合要求),另一方面,也可以使得电池片不至于造成位移。


(4)层压时间:对应压合之后的保压时间。主要保证EVA的交联度的大小[3]。


EVA层压工艺,理想的条件是在较低的温度下抽真空,当层压机中的气体逐渐被抽离后,升高层压机的温度使EVA融化,然后给层压机上腔充气,给组件施加一个大约等于1个大气压的压力。EVA在高温高压的条件下其中的交联剂分解产生自由基,引发EVA分子间的结合,最终形成三维网状结构。


双玻组件的封装在以上单玻组件的工艺基础上,需要重点调试保压时的压力大小和层压温度的大小。使用常规的工艺层压双玻组件会出现组件电池片位移、边缘气泡两个问题。解决这两个问题的关键就是适当调节EVA的融化速度和层压压力的大小。有时候由于不同层压机的工艺适用不同,需要在组件四角增加部分工装,以降低四角的压力,消除四角的气泡。


3)、PVB封装工艺


使用层压机来进行PVB的封装工艺存在诸多问题,比如气泡(由于PVB流动性较差,部分抽气能力不够的层压机容易产生大量气泡)、未融和碎片(由于玻璃受热不均产生形变以及硅胶板下压时的压力不均)、边缘反冲气泡(层压时直接从高温环境下取出,导致边缘PVB急剧收缩大量空气冲入,形成连续的气泡和空洞)。另一方面,由于层压机的压力和温度限制,无法让层压后的PVB对玻璃的粘合力和透光率达到要求,所以就需要高压釜来完成PVB双玻的封装任务。


高压釜的封装工艺包括预压和压合两个过程,预压的过程是将组件通过一个温度接近100℃,然后由上下两个辊轮组成的装置。起到的作用是将组件加热,然后通过辊轮挤压。在这个过程中,组件逐渐排除中间的空气,并且将四边封闭,阻止外界的空气进入。压合的过程是组件在高压釜中再逐渐升高的温度和压力的作用下,PVB融化和玻璃粘合在一起的压合过程。升温过程中温度先升高,气压再升高。降温过程中温度先降低,气压再降低。原则上保证升温过程中PVB有足够的流动性再加压,降温过程中PVB与玻璃粘合良好后再撤去压力。整个过程如下图(三)的温度和压力曲线。


双玻组件由于比普通的建筑玻璃增加了内部的电池片和焊带,对于气泡的去除和加温加压的时机有更加严格的要求。主要体现在1、需要适当增加PVB的厚度。2、预压时适当提高温度,并且减小预压的压力。3、高压釜压合时与正常的建筑玻璃相比,需要PVB的流动性足够良好时才能开始加压。保压时的压力要低一些。降温时温度下降曲线要更加缓慢。


图三



4、双玻组件可靠性研究



为了测试双玻组件的可靠性,通过进行符合IEC61215标准的一系列老化测试来验证。由于其他所用材料的组合均通过TUV测试认证,所以本次测试只针对跟双玻相关的一些测试。其中测试项目包含:不同辐照度下的功率测试、DH1000、UV序列、机械载荷等项目。老化测试前后的组件衰减功率情况以及EL图片见下图。


DH1000实验结果 图(四)


UV序列实验结果 图(五)


机械载荷试验结果 图(六)


结论:实验结果说明双玻组件符合IEC标准,且其中机械载荷最大承重为7600Pa,为IEC的1.5倍载荷,说明双玻组件在承受压力方面要优于单玻组件,且DH1000和UV序列的实验结果均满足IEC的标准。



5、双玻组件的应用



双玻组件的应用主要体现在两个方面:1、气候相对恶劣的地区,2、建筑一体化的BIPV组件。


由于双玻组件使用玻璃代替背板,从而不存在背板的老化情况。且可靠性实验数据显示,双玻组件在耐水汽透过率和抗机械载荷方面的可靠性能要优于单玻组件。所以,在水汽和盐分较多的海岛,或者风沙大的沙漠地区,双玻组件有一定的优势。


另一方面,双玻组件的结构跟建筑玻璃的夹胶玻璃类似,所以可以代替夹胶玻璃使用在建筑当中。被当做BIPV的双玻往往对透光率有一定的要求,由于晶硅组件无法像薄膜组件一样对透光率大小可以随心所欲的调节,只能调节电池片的大小和间距来实现透光率的变化,这个对晶硅BIPV的推广照成了一定的阻碍。但是晶硅组件的光电转换率要优于薄膜组件,所以两者各有千秋,关键在于市场如何推广。



6、总结

生产工艺较普通的单玻组件更加复杂,容易出现气泡、碎片、位移等造成组件不良的现象产生。另一方面,双玻由有单玻无法比拟的优势,主要体现在面对恶劣的自然环境,双玻组件的可靠性比单玻组件要好;在于建筑相结合的BIPV项目中,双玻组件更加具有单玻组件无法比拟的外观优势和建筑材料需要的强度方面的优势。


综合考虑,两个结构的光伏组件在不同的领域均有各自的强项,所以要扬长避短,结合不同组件各自的特点向不同的市场推广不同的组件。


参考文献


[1]刘庆国,陈志强,张宝成.高压釜在光伏组件封装中的应用[J].太阳能,2011(9):36-38


[2]陈育淳,余鹏,唐舫成,汪加胜.双玻组件用EVA胶膜的制备及封装工艺研究[J].广东化工,2013,40(18):41-42


[3] 汤玮宁,周健平,马兵.EVA对层压的影响[J].商品与质量理论研究,2014(9):66-67


[4]张哲,张翼飞,高飞.层压机参数的调整研究[J].科技与企业,2013(5):297


[5]刘瑞军,陈明.浅述双玻光伏组件的设计及应用[J].山东工业技术,2014(12):129