光伏建筑一體化系統(tǒng)中光伏組件封裝工藝探討

摘要　為了實現(xiàn)光伏和建筑一體化，太陽能電池組件需要被制作成夾層產(chǎn)品和中空產(chǎn)品直接應用于建筑幕墻、屋頂上。目前大部分組件封裝廠家采用傳統(tǒng)層壓機生產(chǎn)，不僅效率低、產(chǎn)品品質(zhì)差，還易造成破損。本文結合汽車和建筑夾層玻璃工藝對該類型組件封裝工藝進行探討，相對于傳統(tǒng)的封裝工藝，新型封裝技術不但使太陽電池組件具有長壽命，不易受損等優(yōu)點而且能實現(xiàn)規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化制造，大幅度降低光伏電池組件成本。 　　1　引　言 　　太陽能作為一種分布廣泛、取之不盡、用之不竭的綠色能源，是人類社會可持續(xù)發(fā)展的重要能源之一。太陽能的利用，特別是太陽能光伏發(fā)電，在世界范圍內(nèi)得到了高度重視。而實現(xiàn)光伏建筑一體化（簡稱BIPV），將光伏模塊既作為建筑外殼如屋頂、外墻陽面，又作為能發(fā)電的電源，由于發(fā)電成本較低、對環(huán)境破壞小、增加建筑功能等優(yōu)點，日益得到運用，這就需要我們將太陽能電池組件制作成夾層和中空產(chǎn)品，通過幕墻或屋面直接運用到建筑上。 　　目前在太陽能光伏組件上廣泛運用的是單晶硅片、多晶硅片和非晶硅薄膜電池片。無論是制作成多層夾膠還是中空產(chǎn)品，都必須解決電池片和玻璃的夾膠工藝，也就是說要實現(xiàn)雙層玻璃或者多層玻璃中間夾電池片封裝。該行業(yè)普遍采用層壓機進行封裝，存在封裝效率低、電池片易破損，品質(zhì)差等缺陷。作者提出將汽車夾層玻璃工藝應用到太陽能光伏封裝行業(yè)，并對兩個工藝進行了對比分析，提出了自己的看法。 　　2　層壓機封裝 　　層壓機見圖1，是太陽能電池板封裝廣泛使用的主體設備 。層壓機由油加熱機、真空泵、上腔室、下腔室組成。工作時，通過油加熱機和熱油泵的循環(huán)，使下腔室的加熱板溫度升到設定的溫度。將組件放到加熱板上，上下腔室合攏形成密閉腔，一方面通過熱傳導給組件升溫，一方面開啟真空泵，使密閉腔處于真空狀態(tài)達到抽出組件空氣的目的。一段時間后，上腔室開始充氣，通過上腔室的橡膠板壓住組件，達到給組件加壓的目的，經(jīng)過保溫保壓階段后，光伏組件即可成型取出。 圖1　層壓機 　　3　抽真空預壓、氣壓釜終壓封裝 　　該工藝通過預壓和終壓兩個步驟實現(xiàn)夾膠玻璃的成型；將組件套好真空環(huán)后，開啟真空泵，抽出夾在兩塊玻璃間殘留氣體， 在常溫下抽空氣20min；然后邊加熱邊抽空氣直至溫度達到110~120℃，保溫一段時間后即完成了預壓工序。 　　終壓采用氣壓釜設備見圖2。經(jīng)預壓好的組件裝入蒸壓車，送入釜內(nèi)，關上釜門，經(jīng)過升溫加壓、保溫保壓、降溫降壓三個階段完成終壓工序。 圖2　氣壓釜 　　4　兩者工藝對比分析 　　從兩者的工作過程來看，區(qū)別見表1。 　　兩者的工藝曲線分別見圖3、圖4。 圖3　層壓機工藝參數(shù) 圖4　預壓+終壓工藝參數(shù) 　　從圖3、4可以看出：首先，層壓機一步成型，單片耗時短，整個工作過程處于真空環(huán)境，可以有效防止組件內(nèi)部氣泡的形成；其次，由于組件從開始就被置身于高溫環(huán)境，很容易形成PVB過早封邊，玻璃在此環(huán)境下周邊翹曲變形，氣囊加壓的不均勻性也易導致組件出現(xiàn)局部未融和破損；第三，該設備沒有冷卻系統(tǒng)，成型后的組件直接在高溫加壓狀態(tài)被泄壓取出，組件四角容易開裂形成邊緣氣泡。 　　預壓+終壓工藝采用兩步成型，單片耗時長，對預壓工序抽空氣要求嚴格，雖然該階段分為常溫抽空氣和加熱抽空氣，可以避免PVB過早封邊，但如果在過程中真空環(huán)出現(xiàn)漏氣，上下玻璃吻合度不好，組件就會達不到預壓效果，終壓會導致組件內(nèi)部形成氣泡等缺陷。對氣壓釜而言，我們可以很好的控制加壓時間、泄壓時間和溫度參數(shù)之間的關系，從而對制作高品質(zhì)的夾膠組件創(chuàng)造了條件。 　　5　制造成本 　　分析目前國內(nèi)光伏組件封裝企業(yè)普遍采用的層壓機見表2。 　　按照光伏組件每塊85W，尺寸1300mm×1100mm的雙玻璃夾膠封裝，標準型層壓機每次最多只能放置1塊組件，全自動層壓機每次最多可以放置3塊組件，每次至少需要40min才能成型，由此可以估算每班最大產(chǎn)量分別為：12塊和36塊。 　　根據(jù)以上參數(shù)指標,筆者選用了下列設備使用預壓加終壓的工藝制作雙玻璃夾膠的光伏組件(見表3)。 　　同樣按照光伏組件每塊85W，尺寸1300mm×1100mm的雙玻璃夾膠封裝，簡易預壓機每次放入15塊，每班可以制作5次，即預壓生產(chǎn)75塊后一次性放入氣壓釜，氣壓釜循環(huán)時間為120min左右。這樣每班的一般產(chǎn)量在75塊。如采用連續(xù)預壓機每班產(chǎn)量將會得到很大提升。 　　根據(jù)設備的特點：層壓機需要一直保持加熱狀態(tài)和真空系統(tǒng)運行狀態(tài)，而簡易預壓機和氣壓釜屬于間歇式工作狀態(tài)，特別是氣壓釜按上述產(chǎn)量每班只需開啟一次。這樣表面上看后者裝機功率大，但實際上折算到每塊光伏組件的耗電量后者約為前者的40%左右。而對人員數(shù)量的要求兩者卻沒多大的區(qū)別。由此在制造成本上后者的優(yōu)勢是不言而喻的。 　　6　光伏建筑一體化系統(tǒng)光伏組件的發(fā)展趨勢及對封裝工藝的要求 　　由于晶體硅太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率高，與環(huán)境友好，無毒無污染，工藝成熟而且穩(wěn)定，目前在太陽電池中以晶體硅太陽電池為主，然而晶體硅太陽電池遇到了來自原材料的嚴重挑戰(zhàn)。成本的急劇上升限制了晶體硅太陽電池的快速發(fā)展，而且與人們所期望的太陽電池進入千家萬戶的最終目的背道而馳。 圖5　太陽能電池年產(chǎn)量統(tǒng)計 　　非晶硅薄膜電池以廉價的玻璃為襯底制造，由于成本的優(yōu)勢、弱光性能好必將得到很大的發(fā)展。國際上非晶硅太陽電池生產(chǎn)商紛紛制定擴展計劃，中國非晶硅太陽電池的發(fā)展勢頭方興未艾見圖5。由于非晶硅薄膜電池類似于Low-E玻璃，更便于制作成多層夾膠玻璃，或者先夾膠再進一步制成中空玻璃。這就為建筑光伏一體化的推廣應用帶來了便利。 　　為了實現(xiàn)光伏屋頂結構和光伏幕墻結構，在光伏組件封裝上就要求組件外形尺寸大、外觀品質(zhì)好、安全性能高、生產(chǎn)效率快，而這些要求用層壓機工藝封裝就很為困難，預壓加終壓的封裝工藝就很容易實現(xiàn)。 　　7　結束語 　?。?）將汽車、建筑夾層玻璃生產(chǎn)工藝運用到光伏建筑一體化光伏組件的封裝工藝上，必將推動BIPV產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。但由于該行業(yè)的特殊性，不能照搬照抄，需要對相關設備進行必要的改進，對相關工序進行優(yōu)化。 　?。?）根據(jù)相關資料介紹：林洋新能源有限公司于2006年中期， 從美國GT Solar公司引進了BIPV光伏玻璃生產(chǎn)線一條。該生產(chǎn)線全世界只有兩條，另外一條在英國。該生產(chǎn)線主體設備仍采用層壓機見圖6，價格昂貴。而筆者通過預壓結合終壓的工藝已經(jīng)投入了BIPV光伏組件的生產(chǎn)中，取得了很高的產(chǎn)品合格率和較好的產(chǎn)品品質(zhì)，在該行業(yè)推廣可以為國家節(jié)省大量的外匯，意義重大。 圖6　GT Solar公司的層壓機 　?。?）我國是能耗大國，其中建筑能耗每年達5億噸標準煤左右，占全社會能源消耗總量的27%，并以年平均5.84%以上的速度增長，大大超過國家能源生產(chǎn)的增長速度。而在建筑能耗中，通過玻璃門窗造成的能耗占到了建筑總能耗的40%左右，其中通過玻璃的損失又在門窗中占到75%。提高玻璃的節(jié)能性能，已經(jīng)成為實現(xiàn)建筑節(jié)能的關鍵所在。對于高樓林立的大中城市，新節(jié)能革命的重點是建筑能耗，而30%的建筑能耗在玻璃，玻璃節(jié)能的消極方法是Low-E和中空，玻璃節(jié)能的積極方法則是做成光伏建筑一體化，因此該工藝在光伏行業(yè)廣泛運用有很重要的現(xiàn)實意義。（陳志強　武漢日新科技有限公司）