太阳能发电04.ppt

主讲 黄志昌副教授单位 自动化技术研究所 太阳能电池组件 4 作用 单个太阳能电池往往因为输出电压太低 输出电流不合适 晶体硅太阳能电池本身又比较脆 不能独立抵御外界恶劣条件 因而在实际使用中需要把单体太阳能电池进行串 并联 并加以封装 接出外连电线 成为可以独立作为光伏电源使用的太阳能电池组件 SolarModule或PVModule 也称光伏组件 太阳能电池组件通过吸收阳光 将太阳的光能直接变成用户所需的电能输出 4 1太阳能电池组件概论 光伏组件输出功率 从零点几瓦到数百瓦不等 电池组件定义 具有外部封装及内部连接 能单独提供直流电输出的最小不可分割的太阳能电池组合装置 叫太阳能电池组件 即多个单体太阳能电池互联封装后成为组件 4 1太阳能电池组件概论 4 2太阳能电池组件的分类 单结晶硅太阳电池SINGLECRYSTAL 多结晶硅太阳电池POLYCRYSTAL 4 2太阳能电池组件的分类 由于大面积 如面积200 200mm2 200mm 厚度 0 2 0 3mm 的硅片比较脆 而单体电池的输出电压又仅在0 45 0 60V之间 因而需要首先将若干个单体电池进行串 并 联以获得必要的输出电压 电流 功率 然后再根据实际用途的需要进行封装 组件的封装结构 封装材料和封装工艺与组件的工作寿命 可靠性和成本 有着密切的关系 但有时会被忽视 1 晶体硅太阳能电池组件 4 3太阳能电池组件的封装 1 组件的封装结构 玻璃壳体式太阳能电池组件示意图 4 3太阳能电池组件的封装 1 组件的封装结构 平板式太阳能电池组件示意图 1 组件的封装结构 图3 3全胶密封太阳能电池组件示意图1 太阳能电池 2 粘接剂 3 电极引线 4 下底板 5 互连条 4 3太阳能电池组件的封装 2 组件的封装材料 实用的太阳能电池组件还要配备边框 接线盒等 4 3太阳能电池组件的封装 1 上盖板 2 组件的封装材料 作用 上盖板覆盖在太阳能电池的正面 构成组件的最外层 既要透光 坚固 耐风霜雨雪 并且要能经受沙砾 冰雹的冲击 对电池起到长期保护作用 材料 作上盖板的材料有钢化玻璃 聚丙烯酸类树脂 氟化乙烯丙烯 透明聚酯以及聚碳酯等 目前 低铁水白钢化玻璃是最为普通的上盖板材料 在这种玻璃表面加上微金字塔结构后 还可以增加漫反射光的吸收并减少玻璃表面造成的光污染 4 3太阳能电池组件的封装 2 组件的封装材料 要求 1 在可见光范围内具有高透光性 抗紫外光老化 2 具有一定的弹性 缓冲不同材料之间的热胀冷缩 3 具有良好的电绝缘性能和化学稳定性 本身不产生有害于太阳能电池的气体或液体 2 粘结剂 粘结剂是固定太阳能电池和保证上下盖板密合的关键材料 4 3太阳能电池组件的封装 2 组件的封装材料 2 粘结剂 4 3太阳能电池组件的封装 要求 4 有优良的气密性 能阻止外界潮气或其他有害气体对太阳能电池的侵蚀 5 能适用于自动化的组件封装 2 组件的封装材料 4 3太阳能电池组件的封装 1 具有良好的耐气候性能 能隔绝从背面进来的潮气或其他有害气体 2 层压温度下不起任何变化 3 与粘结材料结合牢固 4 底板所用的材料一般为玻璃 铝合金 有机玻璃 TPT以及高分子聚氟膜等 目前较多应用的是TPT复合膜 要求 3 底板 平板组件必须有边框 以保护组件和组件与方阵支架的连接固定 边框与粘结剂构成对组件边缘的密封 主要材料有不锈钢 铝合金 橡胶以及增强塑料等 4 边框 要求 2 组件的封装材料 4 3太阳能电池组件的封装 3 材料作用小结 4 3太阳能电池组件的封装 1 由于太阳电池本身易破碎 易被腐蚀 若直接暴露在大气中 光电转化效率会由于潮湿 灰尘 酸雨等的影响而下降 以至损坏失效 因此 太阳电池一般都必须通过胶封 层压等方式封装成平板式构造再投入使用 2 层压封装的方法用得最为普遍 即将太阳电池片的正面和背面各用一层透明 耐老化 黏结性好的热熔性EVA胶膜包封 采用透过率高 耐冲击的低铁钢化玻璃做上盖板 用耐湿抗酸的Tedlar复合薄膜 聚氟乙烯复合膜 或玻璃等其他材料做背板 3 材料作用小结 4 3太阳能电池组件的封装 3 通过真空层压工艺使EVA胶膜将电池片 正面盖板和背板黏合为一个整体 从而构成一个实用的太阳电池发电器件 一般称为太阳电池组件或组件 俗称太阳电池板或电池板 为区分也称单体太阳电池为太阳电池片或电池片 3 材料作用小结 4 3太阳能电池组件的封装 4 组件分类 单晶硅组件 多晶硅组件 砷化镓组件 非晶硅薄膜电池组件等 其中晶体硅 包括单晶硅与多晶硅 电池组件约占市场的80 90 5 封装材料 环氧树脂胶封 层压封装 硅胶封装等 目前用得最多的是层压封装方式 因为这种封装方式适宜于大面积电池片的工业化封装 6 型号 单个组件的功率从几分之一瓦到几百瓦 电压从零点几伏到几十伏不等 7 常见组件 使用较多的是9串4列或12串3列共36片串联 额定电压为12V的组件 美国AP公司的单晶硅电池36片串联 经层压封装而成的 其峰值功率75W 组件上盖板材料为低铁钢化玻璃 周边采用铝合金边框固定 这种组件的寿命长 约25年 一般用于各类光伏电站 图3 1单晶硅太阳电池组件 4 4太阳能电池组件产品介绍 单晶硅太阳电池组件 由于这种组件有美观 透光的优点 在光伏建筑上应用非常广泛 如 太阳能智能窗 太阳能凉亭和光伏建筑顶棚 光伏玻璃幕墙等 与建筑结合是太阳能光电发展的一大趋势 因此 预计双面玻璃组件商业市场会进一步扩大 4 4太阳能电池组件产品介绍 双面玻璃太阳电池组件结构 与普通组件结构相比 双面玻璃组件利用玻璃代替TPE 或TPT 作为组件背板材料 2 双面玻璃太阳电池组件 4 4太阳能电池组件产品介绍 3 环氧树脂胶封的多晶硅太阳电池组件 太阳电池被牢牢黏合住 不易拆卸与更换 组件常常会因为单片电池的碎裂或电极脱落等致使整个组件失效 无法修补 4 4太阳能电池组件产品介绍 目前欧洲 日本开始尝试封装可回收的太阳电池组件 其中中空玻璃封装方式被很多厂商看好 中空玻璃是由两片玻璃组成 玻璃间用内部灌有干燥剂的空心铝管隔离 同时中空部分充入惰性气体 并用丁基胶 聚硫胶或结构胶进行密封处理 将连接好的太阳电池置于中空玻璃之间 电池背面紧贴玻璃表面 用可拆卸的硅胶固定 这种封装方式没有使用EVA 电池上表面与盖板玻璃之间存在空气层 由于气体与玻璃折射率差别大 阳光入射到电池表面经这一界面反射较多 上表面盖板玻璃内侧应作减反射处理 4 中空玻璃封装组件 4 4太阳能电池组件产品介绍 5 非晶硅薄膜太阳电池组件 4 5太阳能电池组件固化材料介绍 1 环氧树脂 环氧树脂是比较常见的黏合剂 太阳电池用的环氧树脂黏合剂是双组分液体 使用时现配现用 通过改变固化剂 促进剂等 环氧树脂的配方可以干变万化 从而具备各种不同的性能 以满足各种不同的要求 这是环氧树脂类封装材料的优势 环氧树脂的黏结力比较强 耐老化性能相对差 容易老化而变黄 因而会严重影响太阳电池的使用效果 此外 使用过程中还会由于老化导致材料脆化 这与环氧树脂的低韧性以及在老化过程中的结构变化有关 通过对环氧树脂进行各种改性可在一定程度上改善其耐老化性能 4 5太阳能电池组件固化材料介绍 1 环氧树脂 封装材料要求具有较高的耐湿性和气密性 环氧树脂是高分子材料 一般高分子材料分子间距离为50 200nm 大大超过水分子的体积 水的渗透降低电池的使用寿命 提高环氧树脂的疏水性是有效地提高其耐湿性的一项措施 通过高温蒸煮试验可检测封装器件的耐湿可靠性 4 用环氧树脂封装太阳电池时 由于膨胀系数不同 会由于成型固化过程中的收缩和热收缩而产生内应力 造成强度下降 老化龟裂 封装开裂 空洞 剥离等各种缺陷 4 5太阳能电池组件固化材料介绍 1 环氧树脂 对环氧树脂封装材料而言 热膨胀系数的影响占主导地位 由于热膨胀系数不同所产生的热应力用下式表示 应力 MPa k为常数 r为树脂的热膨胀系数 s为树脂的弯曲弹性模量 GPa Ef为硅片的热膨胀系数 1 降低内应力的方法 降低封装材料玻璃化的温度 降低封装材料的模量 降低封装材料的线膨胀系数 要求环氧树脂高纯度 高耐热性 低吸湿性 低黏度或低熔融黏度 应力 MPa k为常数 r为树脂的热膨胀系数 Ef为硅片的热膨胀系数 1 s为树脂的弯曲弹性模量 GPa 4 5太阳能电池组件固化材料介绍 1 环氧树脂 采用增塑剂如聚壬二酸酐增韧环氧树脂可以降低体系内应力 加入聚合物粒子如橡胶 硅胶形成所谓的 海岛结构 就是在 硬 的环氧树脂的 海 中 引入 软 的聚合物的 岛 形成一种使应力易于传递和耗散的结构 从而大大降低材料的内应力 但是 要求添加的材料既与环氧树脂融合 又不影响封装后电池的透光性显得难度大 特点 环氧树脂封装太阳电池组件工艺简单 材料成本低廉 在小型组件封装上使用较多 早期太阳能草坪灯大都采用这种组件 但由于环氧树脂抗热氧老化 紫外老化的性能相对较差 有被EVA层压封装取代的趋势 4 5太阳能电池组件固化材料介绍 1 环氧树脂 降低内应力的方法 特性 有机硅材料是一种透明材料 透光率可以达到90 以上 是一种应用广泛的膜材料 有机硅具有低温固化的特点 可方便表面镀膜等 耐高温 耐低温 耐老化 抗氧化 电绝缘 疏水性 有机硅 硅胶 是弹性体 在外力作用下能具有变形的能力 外力去除后又恢复原来的形状 硅胶分为中性 酸性等 4 5太阳能电池组件固化材料介绍 2 有机硅胶 特性 酸性硅胶因为会腐蚀硅片 所以一般使用中性硅胶 硅胶对玻璃陶瓷等无机非金属材料的黏结牢固 对金属黏结力也很强 所以在安装行业中大量使用 如用于安装铝合金玻璃门窗 还防雨 利用有机硅的黏结性 附着力 透明 可以用作表面封装 密封胶等 4 5太阳能电池组件固化材料介绍 2 有机硅胶 特性 有机硅在热 空气 潮气等老化条件下 聚硅氧烷的侧基极易被氧化 从而发生大分子的侧链或有机自由基的耦合等副反应 使物理性能发生明显的变化 如Si O键与空气中水反应使链断裂而老化 也可解释为由于氧气和水的作用下 水解形成硅醇结构Si OH 2 导致硅原子周围的化学环境发生变化 因此 封装太阳电池组件用的硅胶需要加入适宜的添加剂来提高其老化性能 4 5太阳能电池组件固化材料介绍 2 有机硅胶 4 5太阳能电池组件固化材料介绍 1 EVA胶膜简介基本性能 EVA是乙烯和醋酸乙烯酯的共聚物 EVA树脂与聚乙烯 PE 相比 由于分子链上引入了乙酸乙烯单体 VA 从而降低了结晶度 提高了透明性 柔韧性 耐冲击性 并改善了其热密封性 4 5太阳能电池组件固化材料介绍 3 EVA胶膜 标准的太阳电池组件中一般要加入两层EVA胶膜 EVA胶膜在电池与玻璃 电池与TPT之间起粘接作用 2 未改性的EVA性能 透明 柔软 有热熔粘接性 熔融温度低 小于80 熔融流动性好 这些特征符合太阳电池封装的要求 但其耐热性差 易延伸而弹性低 内聚强度低 易产生热收缩而致使太阳电池碎裂 使粘接脱层 4 5太阳能电池组件固化材料介绍 3 EVA胶膜 标准的太阳电池组件中一般要加入两层EVA胶膜 EVA胶膜在电池与玻璃 电池与TPT之间起粘接作用 在EVA胶膜的制备过程中 添加适宜的 能使聚合物稳定化的添加剂 如紫外光吸收剂 紫外光稳定剂 热稳定剂 改善EVA胶膜的耐天候老化性能 添加有机过氧化物交联剂 分解产生自由基 引发大分子间的反应 形成三维网状结构 至EVA胶层交联固化 提高EVA胶膜的耐热性 并减小其热收缩性 一般说来 当交联度 指EVA大分子经交联反应后达到不溶的凝胶固化的程度 大于60 时 EVA胶膜就能承受大气的变化 不再出现太大的热收缩 从而满足太阳电池封装的需要 4 5太阳能电池组件固化材料介绍 3 EVA胶膜 3 对EVA胶膜的改性方法 4 5太阳能电池组件固化材料介绍 3 EVA胶膜 以EVA为原料 添加适宜的改性助剂等 经加热挤出成型而制得的EVA太阳能电池胶膜在常温时无黏性 便于裁切操作 使用时 要按加热固化条件对太阳电池组件进行层压封装 冷却后即产生永久的黏合密封 EVA太阳能胶膜目前已在太阳电池封装 电子电器元件封合 汽车装饰等方面获得了广泛的应用 它具有环保 耐紫外光老化等优点 可取代环氧树脂封装 4 EVA胶膜的应用 4 5太阳能电池组件固化材料介绍 3 EVA胶膜 固化条件 快速型 加热至135 恒温15 20min 慢速型 加热至145 恒温30 40min 几何尺寸 厚度 0 3 0 8mm 宽度 1100mm 800mm 600mm等多种规格 太阳电池封装用的EVA胶膜固化后的性能要求 透光率大于90 交联度大于65 剥离强度 N cm2 玻璃 胶膜大于30 TPT 胶膜大于15 耐温性 高温80 低温 40 尺寸稳定性较好 具有较好的耐紫外光老化性能 5 EVA太阳电池胶膜主要性能指标 能达到上述的主要性能指标 但对其耐老化性能 特别是耐紫外光老化性能未做过系统 深入的研究 最近中科院广州能源所研制的EVA胶膜耐老化性能 按照GB T16422 3 1997标准进行了1000h的老化试验 试验条件 I型UVA 340灯 辐照度0 68W m2 循环条件 在黑标温度70 下辐照暴露8h 然后在黑标温度50 下冷凝暴露4h 黄色指数的变化大大低于目前国内市场上的EVA胶膜 比较接近国外进口的同类产品 6 国内EVA太阳电池胶膜分析 4 5太阳能电池组件固化材料介绍 3 EVA胶膜 6 国内EVA太阳电池胶膜分析 4 5太阳能电池组件固化材料介绍 3 EVA胶膜 3 黄色指数的变化大大低于目前国内市场上的EVA胶膜 比较接近国外进口的同类产品 而价格则比进口EVA胶膜要低得多 这一研究成果对提高太阳电池组件的使用寿命 降低其使用成本 促进太阳能这一可再生的清洁能源的推广应用和发展是非常有意义的 玻璃材料 标准太阳电池组件的盖板材料通常采用低铁钢化玻璃 特点 透过率高 抗冲击能力强和使用寿命长 几何尺寸 这种太阳电池组件用的低铁玻璃 一般厚度为3 2mm透光率 在晶体硅太阳电池响应的波长范围内 320 1100nm 透光率达90 以上 对于波长大于1200nm的红外线有较高的反射率 同时能耐太阳紫外线的辐射 4 6玻璃 5 利用紫外 可见光光谱仪测得普通玻璃在波段700 1100段透过率下降较快 明显低于超白玻璃的透过率 普通玻璃的光谱透过率 太阳电池组件用超白玻璃光谱透过率 4 6玻璃 4 6玻璃 6 普通玻璃体的不足 含铁量过高 玻璃表面的光反射过大解决办法 降低玻璃中的铁含量 研制新的防反射涂层或减反射表面材料 增加玻璃强度和延长使用寿命8 效果 能熟练地对2 3mm薄玻璃进行物理或化学钢化处理 不仅光透过率仍保持较高值 而且使玻璃的强度提高为普通平板玻璃的3 4倍 薄玻璃经过钢化处理后 在太阳能利用中以薄代厚并达到相对降低玻璃铁含量 提高光透过率及减轻太阳电池组件的自重及成本 不仅切实可行 而且效果明显 4 6玻璃 9 减反射玻璃 为了减少玻璃表面光反射率 玻璃制造商们通过物化处理方法 在玻璃表面涂布一层薄膜层 对玻璃表面进行一些减反射工艺处理 可制成 减反射玻璃 10 减反射玻璃 制造工艺 真空沉积法 浸蚀法和高温烧结法等工艺得以实现 4 6玻璃 11 浸蚀法工艺 该工艺是指浸涂硅酸钠与化学处理相结合制备减反射玻璃 经济又简便 其工艺流程大致如下 玻璃原片 洗涤 干燥 浸入硅酸钠溶液 提取玻璃 低温烘干 或自然风干 二次化学处理 提取并烘干 检测 透光率 反射率及膜厚 包装 出厂该工艺方法可使玻璃透光率比原先提高4 5 如3mm光透过率由原来80 提高到85 折射率较高的超白玻璃 含铁量较低 光透过率可从原来86 提高到91 这种涂层与玻璃能够牢固地结合 经测试表明其耐磨性非常好 4 6玻璃 12 除玻璃外 一些组件封装厂商也采用透明Tedlar PMMA 俗称有机玻璃 板或PC 聚碳酸酯 板作为太阳电池组件的正面盖板材料 PMMA板和PC板有透光性能好 材质轻的优点 但耐温性差 表面易刮伤 在太阳电池组件封装方面应用受到一定限制 目前主要用于室内用或便携太阳电池组件的封装 4 7背面材料 1 Tedlar是一种的透明材料 它是美国杜邦公司独家生产的产品 同样具有许多熟知的碳氟聚合物的性质 耐老化 耐腐蚀 不透气等 这些特点很符合封装太阳电池 此外 它还具有优良的强度和防潮性能 可直接用作太阳电池组件或太阳能集热器的封装材料 1 背面材料的种类 4 7背面材料 为了保持太阳电池组件有更长的使用寿命 如25年甚至更长 一些专业厂家将Tedlar与聚酯 铝膜或铁膜等合成结构 即有以下形式Tedlar polyester Tedlar Tedlar aluminum Tedlar Tedlar iron Tedlar 1 背面材料的种类 4 7背面材料