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(yīng)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(jié)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(shù)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(yīng)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(shè)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(shè)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(dǎo)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(yù)壓、氣壓釜終壓封裝 　　該工藝通過預(yù)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(yù)壓工序。 　　終壓采用氣壓釜設(shè)備見圖2。經(jīng)預(yù)壓好的組件裝入蒸壓車，送入釜內(nèi)，關(guān)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(yù)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(dǎo)致組件出現(xiàn)局部未融和破損；第三，該設(shè)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(yù)壓+終壓工藝采用兩步成型，單片耗時長，對預(yù)壓工序抽空氣要求嚴(yán)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(yù)壓效果，終壓會導(dǎo)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(guān)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo),筆者選用了下列設(shè)備使用預(yù)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(yù)壓機每次放入15塊，每班可以制作5次，即預(yù)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(yù)壓機每班產(chǎn)量將會得到很大提升。 　　根據(jù)設(shè)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(yù)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(yán)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(yīng)用帶來了便利。 　　為了實現(xiàn)光伏屋頂結(jié)構(gòu)和光伏幕墻結(jié)構(gòu)，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(yù)壓加終壓的封裝工藝就很容易實現(xiàn)。 　　7　結(jié)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(guān)設(shè)備進行必要的改進，對相關(guān)工序進行優(yōu)化。 　　（2）根據(jù)相關(guān)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(shè)備仍采用層壓機見圖6，價格昂貴。而筆者通過預(yù)壓結(jié)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(biāo)準(zhǔn)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(guān)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）