论文论述太阳电池模板的互联和组建装配.doc

南昌航空大学 Nanchang Hangkong University 毕毕 业业 论论 文文 题 目 论述太阳电池模板的互联和组建装配 学 校 南昌航空大学 专业名称 080206080206 光伏材料应用技术 学生姓名 准考证号 指导老师 二 一二年四 摘摘 要要 人将随着传统能源消费的增长 生态环境的日益恶化和人类可持续发展的 要求 世界各国都在积极开们的关注 随着光伏组件价格的不断降低和光伏技 术的发展 太阳能光伏发电系统发无污染可再生的新能源 太阳能资源丰富 分布广泛 可以再生 不污染环境 使得太阳能光伏发电成为新能源开发中的 主流 太阳能作为一种可再生能源它洁净无污染 并可持续利用 光伏发电技 术也越来越受到逐渐由现在的补充能源向替代能源过渡 本论文以光伏组件模 板为研究对象 开展了光伏组件模板的互联和装配的论述以及制作过程 与环 境的相互关系 关键词 关键词 组件 模板 装配 ABSTRACT People with the traditional energy consumption growth the deterioration of ecological environment and sustainable development all countries in the world actively open up their attention along with the PV of the price reduce ceaselessly and the development of photovoltaic technology solar photovoltaic power generation system without pollution renewable energy resources Rich in solar energy resources widely distributed can be recycled no pollution to the environment make the solar photovoltaic power generation to become the new energy in the mainstream of development Solar energy as a renewable energy which is clean without pollution and sustainable utilization photovoltaic power generation technologies are also more and more gradually added energy from the present transition to alternative energy sources In this paper photovoltaic component template as the research object carry out the photovoltaic component template interconnection and assembly of the discussion and the production process and the environment of mutual relations KEY WORD Component template assembly 目目 录录 绪 论 1 第一章 太阳能电池的封装 2 1 1 组件结构 2 1 2 组件和电路设计 4 1 3 模板种类 4 第二章 模板影响因素 5 2 1 电池特性 5 2 2 热点过热 7 2 3 抗候性 8 2 4 温度因素 9 2 5 电绝缘 11 2 6 机械保护 11 2 7 降格与失效 12 第三章 太阳能电池板的制造过程及评价 14 3 1 太阳能电池板的制造过程 14 3 2 太阳能电池模板的评价 14 第四章 组件对环境的影响 16 4 1 光伏组件的生产 16 4 2 光伏组件的运行 16 4 3 光伏组件的回收 17 4 3 1 单晶硅和多晶硅光伏组件 17 4 3 2 非晶硅光伏组件 18 4 3 3 薄膜型光伏组件 18 4 3 4 回收过程所需的能耗 18 4 3 5 组件系统的可持续分析 18 4 3 6 能量回收时间 EPBT 19 4 3 7 光伏系统的潜在能耗 19 4 3 8 温室气体的回收时间 GPBT 20 参考文献 22 致 谢 23 绪绪 论论 随着社会飞速发展 国家综合实力不增强 经济水平不断提高 然而 在 此发展的同时 能源危机也在不断加强 传统能源日益枯竭 因此寻找可再生 能源已成为当务之急 就在此时 新能源的出现挽转了局势 发展新能源 太阳能 已成为 21 世纪的首要任务 发展 太阳能 需要解决的是 硅太阳 能电池 的制备 组装 连接等一系列问题 随着大规模集成电路的发展 集成度的不断提高 线宽的不断减小 对硅 片的质量要求也越来越高 特别是对组件的要求 这主要是组件是光伏系统的 基本组成部分 组件的质量决定了光伏系统的发电量 是决定经济效益的关键 因素 所以 组件的健康至关重要 而影响组件健康的主要因素无外乎就七点 非相同特性组件 热点过热 抗候性 温度因素 电绝缘 机械保护 降格与失效 本文就是主要针对这些 问题而提出浅析的 第一章第一章 太阳能电池的封装太阳能电池的封装 1 11 1 组件结构 组件结构 太阳能电池之所以需要密封 不仅仅是为了提供机械上的防护 而且也是 为了提供电绝缘及一定程度的化学防护 这种密封为支持易碎的电池及易弯曲 的互连提供了机械刚性 同时也为可能来自冰雹 鸟禽以及下落或投掷到组件 上的物体所引起的机械损伤提供了防护 密封还保护金属电极及互连条免遭大 气中腐蚀性元素的腐蚀 最后 密封也为电池组合板产生的电压提供电绝缘 某些系统的电压可比地电位高 1500V 密封的耐久性将决定组件的最终工作寿 命 理论上 此寿命可达 20 年或更长 而经常用于荒芜和偏远环境的太阳能电池阵列 在那些地方没有中央电网 或不适合依赖燃料的系统的运行 因此组件必须能够扩充和无维护运转 生产 商声称的组件寿命一般是 20 年左右 而整个光伏产业正在努力寻求达成 30 年 的组件寿命 封装是影响太阳能电池寿命的主要因素 King 等 2000 澳大利亚对于光伏阵列的安装标准 澳大利亚标准 2005 涉及到的 IEC 的 61215 标准 IEC 1993 是一个被组件厂家广泛采用以确保组件能在 极限 但是现实可能存在的环境下持续运行的一项标准 IEC61215 测试需要制 造商提供一批经过正常品质检查的生产的组件中的任意八个 每个组件接受不 同次序的检查 这些检查包括组件的电学 光学和机械结构检查 如果每个样 品符合以下所有的要求 组件就达到了质量标准 1 没有明显的肉眼能看到的缺陷 2 在 STC 情况下 经过单个测试后的最大输出功率的降格小于 5 在 所有测试程序之后的最大输出功率的降格小于 8 3 通过绝缘性测试和高电压测试 4 样品不存在任何的短路或接地故障 系统密封设计必须具备的其他特性还包括 紫外 UV 稳定性 在高低极 温度及热冲击下 电池不致因应力而破裂 能抗御尘暴引起的擦伤 自净能力 成本低廉 组件的封装可以有几种不同的方法 其中一个极重要的部分是提供刚性的 结构层 它可在组件的背面或在组件的正面 电池可直接黏附在这一层上并密 封在胶中 或者密封在由这一层支撑的夹层中 最后一层如果在组件的背面 将起抗潮湿的作用 如果在顶部 就要有自净特性 并能改善耐冲击特性 组 件周边采用了某种方式的防潮密封 对于结构层在背面的密封形式来说 背面结构层最常用的材料是受过阳极 化处理的铝板 陶瓷化的钢板 环氧树脂或窗玻璃 如果这一层用橡木屑板那 样的木料混合物 可能最为便宜 对于结构层在正面的密封形式来说 选用玻 璃作为结构层是显而易见的 玻璃兼有优良的耐风雨性能 成本低的优点及好 的自净特性 为使光容易透过 大部分设计都采用含铁低的钢化玻璃或回火玻 璃 硅树脂已广泛地使用来做黏结剂和密封材料 它具有好的紫外稳定性 低 的光吸收特性和为减少组件的热应力所需的合适弹性 但是 这种材料很贵 在有夹层的方法中 几家工已采用了聚乙烯醇缩丁醛 PVB 和乙烯 醋酸乙烯 酯 EVA 来做相应层的材料 结构层面在背面的形式的预层给予组件自净能力 并在某些组件中起抗湿 作用 这一层普遍选用地铁玻璃 也有采用聚丙烯的聚合物 由于某些厂家已 注重生产抗湿电池 因而放松对密封的要求 这种结构可采用软硅树脂密封和 一层较硬的硅树脂覆盖层来改善自净特性 对于结构层在正面的形式 为了抗 湿 背面层最普遍选用聚酯树脂或聚氟乙烯 然而 所有的聚合物都有一点透 湿性 为了解决这一问题 可在适当的聚合物层与层之间嵌入薄的铝箔或不锈 钢箔 如果背面是白色的 则利用零深度聚光效应 可能在一定程度上增加组件 的输出 照射到组件电池之间区域的一些光将被背面层散射并且由玻璃板反射 向组件工作区 这就增加了组件的输出 尤其当电池的装配密度较低时更是这 样 组件设计的另一个重要方面是电池之间的互联系 为了备用 通常采用复 合互联条 这种互联条增加了组建队互联失败 由于腐蚀或疲劳 及电池损坏 的承受能力 由于温度膨胀系数及扭曲负荷不同 使互联条产生周期性应力 电池互联条通常需要减应力环 它可以防止热循环和扭曲负荷的周期应力引起的疲劳 为使效果最佳 互 联条厚度 t 应当很薄 而弓形高度应有所考虑 1 21 2 组件和电路设计组件和电路设计 太阳能电池很少单个是用 而是将具有相似特性的电池连接和封装成组件 形成太阳能电池阵列的基本组体单元 因为从单个单晶硅电池所能得到的最大电压大约只有 600V 电池一般被串 联在一起以获得所期望的电压 Mack 1979 一般 36 个电池串联在一起形成一 个额定电压为 12V 的充电系统 在峰值日照情况下 100mW cm2 一个电池的最大电流的大约是 30mA cm2 电池因此并联在一起以获得预期的电流 1 31 3 模板种类模板种类 太阳能电池模板结构具有代表性的太阳能电池模板 有超级直线型 玻璃 包装型和次直线型三种结构 不管选择哪一个结构 所使用的材料都不同 但 太阳能电池主要的构成元素都包括表面保护材料 填充材料 背面保护材料和 框架 表面保护材料主要使用强化玻璃 透明塑料和透明薄膜等 填充材料广泛 使用的是热可塑性树脂 EVA ethylene vinyl acetate 通常使用薄膜状的 这种 材料在 100 前后时 会软化并溶解 但加热到 150 左右时又会重新固化 架 桥 内部表面保护材料主要使用塑料薄膜 分单层和多层两种 金属板 铝 涂层钢板等 塑料板 强化玻璃等 框架使用的是轻便且对环境适应性良好的 铝 超级直线结构 表面一侧用强化玻璃 背面用塑料薄膜 经常使用的黑丝 耐气候条件好的氟系薄膜 进行保护 具有良好的耐久性 可靠性 目前已实 用化的太阳能电池的模板中 超级直线型结构使用的最多 玻璃包装型结构 背面保护材料也使用强化玻璃 虽然比超强直线具有更高的可靠性 但其缺点 是重量太重 次直线型结构 太阳能电池片的背面使用的是铝制板或者塑料板 等 表面保护材料用透明薄膜 主要用于轻便携带的使用的太阳能电池模板 第二章第二章 模板影响因素模板影响因素 2 12 1 电池特性电池特性 1 相同特性的电池 在理想情况下 在组建中的电池会表现出来的特性 并且整个组建与单个 电池的 I V 曲线应具有相同的形状 只是坐标轴的尺度会有差别 因此对于 N 个串联和 M 个并联起来的电池 1 1 1exp nkTN qV MIMII total OLtotal 2 非相同特性的电池 在实际情况中 所有电池都具有不同的特性 输出最小的电池限制了整个 组件的总输出 组件中电池的最大输出的总和与组件实际达到的最大输出之间 的差别就是失谐损耗 图 1 1 是失谐电池之间的并联的示意图 图 1 2 和图 1 3 说明了在这种情况 下确定开路电压和短路电流的方法 图 1 4 是失谐电池之间的串联的示意图 图 1 5 和 1 6 说明了在这种情况下 确定开路电压和短路电流的方法 3 非相同特性的电池组件 假如上面图表的电池替换成电池组件 电池串 电池模板或者原电路 会 出现相似的效果和曲线形状 来自于不同厂家的电池或组件 即使额定电流相同 仍可能具有不同的光 谐响应 从而导致失谐损耗问题的出现 V 电压相同 电池2输出 比较低的原因 a 生产缺陷 b 降格 例如 开裂 c 部分遮挡 12 I2I1 I I1 I2 好 电池 坏 电池 合并输出 图 1 1 并联的两个失谐电池 图 1 2 并联的两个失谐电池以及对电流的 影响 合并输出曲线是通过对于电流每个 电压值上的 I1 和 I2 求和得到的 VOC 2 VOC 总Voc 电压 电流 0 电池2 电池1 绕电压轴反转 1 2 电池2输出比较低的原因 a 生产缺陷 b 降格 例如 破裂 c 部分遮挡 例如 树木 建筑 鸟类 变色的封装材料等 I 电流相同 图 1 3 计算并联的失谐电池总 Voc 的 图 1 4 串联的两个失谐电池 简便方法 其中一个电池的曲线绕电压 轴反转 因此去现的交点 I1 I2 0 给 出了并联时的 Voc V1 V2 坏 电池 电压 电流 I 合并输出 V V1 V2 0 Isc2 Isc1 电流 电压 总Isc I 电池1 绕电流 轴反转 0 图 1 5 串联的失谐电池以及对电压的影响 图 1 6 计算串联失谐电池的总 Isc 的简便 合并输出曲线是通过对于每个电流值对 方法 交点处的电流表示串联时的短路电 应的 V1 和 V2 求和得到的 流 即 V1 V2 0 2 22 2 热点过热热点过热 存在于组件里的失谐电池可导致某些电池在产生能量而某些电池在消耗能 量 最坏的情况是 当组件或者组件串被短路时 所有 好 电池的输出都会 消耗在 坏 电池上 图 1 7 中的电池串里有一个 坏 电池 由 好 电池 产生的电压反偏 坏 电池 如图 1 8 所示 能量在 坏 电池上的消耗导致电池 P N 结的局部击穿 在很小的区域 会产生很大的能量消耗 导致了局部过热 或者称为 热点 从而会导致电池 或玻璃开裂 焊料熔化等破坏性的结果 电池也会发生同样的问题 如图 1 9 所示 n个 好 电池 1个 坏 电池 破裂 遮挡 鸟粪 图 1 7 一个 坏 电池位于电池串中 减少了通 过 好 电池的电流 往往导致这些 好 电池 产生较高的电压 使 坏 电池反偏 图 1 8 电池串中的 坏 电池的反偏 图 1 9 在一组电池中潜在的 热 导致这种情况发生的原因是 好 电 点 是等效的 池试图以高于 坏 电池所能承载的电 流导通 坏 电池 即使在短路的情况 下同样如此 对于热点问题和失谐电池 一个解决办法是在原电路基础上加装旁路二极 管 澳大利亚标准 2005 通常情况下 例如光线不被遮挡时 每个二极 管处于反偏压 每个电池都在产生电能 当一个电池被遮挡时会停止产生电能 成为一个高阻值电阻 同时其他电池促使其反偏压 导致连接电池两端的二极 管导通 原本流过被遮挡的电池的电流被二极管分流 有旁路二极管和故障电 池的电路如图 5 12 所示 具有故障电池的电池阵列的输出出现见图 5 13 实际上 将每个电池配备一个旁路二极管会过于昂贵 所以二极管通常会 连接于一组电池的两端 被遮挡的家电池的最大功率消耗大约等于该电池所在 电池组的总发电能力 对于硅太阳能电池 在不引起损坏的情况下 一个旁路二极管最多连接 10 15 个电池 因此对于通常情况的 36 电池组件 至少需要 3 个旁路二极管以 保证不被热点损坏 不是所有的商业组件都具有旁路二极管 如果它们没有配备 要保证组件 不会被长时间短接 并且那部分组件不会被周边建筑物或临近的电池阵列所遮 挡 在每个太阳能电池内部集成一枚二极管的方案也是可行的 它是确保各个 电池都不被损坏的一个低成本方法 Green 1980 对于并联组件 另外的问题是当使用旁路二极管是会发生热失控 一串 电池的旁路二极管比其余的热 承载了很大一部分电流 因此导致更热 因此 应当选用能够承受组件合并所产生的并联电流的二极管 澳大利亚标准 2005 表明了非嵌入式二极管的规范 合格的二极管 应当能够承受受其保护组件的 2 倍的开路电压或者 1 3 倍的短路电流的工作条 件 一些组件包含阻塞二极管 保证电流只会从组件里流出 例如 它可以防 止夜间时蓄电池对太阳能电池放电 因为阻塞二极管会消耗一部分收集的电能 所以不是所有电池串都具有 Albers 2004 当使用阻塞二极管时 与旁路二极管像是 应当可以承受其 所保护组件 2 倍开路电压或者 1 3 倍短路电路的情况 澳大利亚标准 2005 2 32 3 抗候性抗候性 组件必须能够经受像灰尘 盐 沙子 风雪 潮湿 雨 冰雹 鸟 湿气 的冷凝和蒸发 大气气体污染物 每日和季节温度的变化 以及能在长时间紫 外光照射下保持性能 继 Treble 1980 King 等 2000 BV 2004 顶部盖板必须具有并且保持对于 350 1200nm 波段太阳的良好的透过率 它必须具有好的抗冲击性能 具有坚硬 光滑 平坦 耐磨 以及能利用风 雨或喷洒的水进行自我清洁的抗污表面 整个结构必须没有能使水 灰尘或其 他物质存留的突出物体 大部分时间湿气的渗入是组件失效的原因 水蒸气在电池板或者电路上的 冷凝会导致电路或者腐蚀 因此密封组件必须对气体 蒸汽或者液体有很强的 抵御性 最易受侵入的地方是电池和封装材料之间的界面 以及所有不同材料 相接触的界面 用于黏结的材料必须精心选择以保证能在极限环境下保持附着 通常封装材料是乙烯 醋酸乙烯共聚物 EVA 持氟纶 Teflon 和铸件树脂 EVA 被普遍应用以标准组件 通常在真空室中处理 也应用于真空室中 Teflon 用于小型特殊组件上 它的前面不再需要覆盖玻璃 树脂封装有时被用 在建筑一体化的大型组件上 回火过的低铁含量卷制玻璃是当前作为顶层表面的最佳选择 因为它相对 便宜 坚固 稳定 具有高透光率 密封性和良好的自清洁能力 回火使玻璃 能够抵御热应力 低铁玻璃可以让透光率达到 91 一个最新的进展是具有抗 反射涂层玻璃的成功研制 利用腐蚀处理过浸渍涂布 从而达到了高达 96 的 透光率 Tedlar Mylar 或玻璃一般被用于组件的背面以防止湿气侵入 但是所 有聚合物在一定程度上都具有可浸透性 典型的组建短期性能损失是由于城市 和乡村环境中灰尘的堆积和污染 2 42 4 温度因素温度因素 对于晶体硅材料 尤其 需要组件尽可能在较低的温度运行 这是因为 在低温下电池的输出会增加 热循环和热应力将会减少 温度每升高 10 降格速率会增长大约 1 倍 为了减少组件的降格速率 最好能够排除红外辐射 因为红外线的波长太长 而不能被电池很好的吸收 然而还没有十分经济合理的方法可以解决这个问题 组件和太阳能电池阵列要很好地利用辐射 传导和对流等经济等机制进行冷却 并最小化对无用辐射的吸收 通常情况下 在组件的热量散失中 对流和辐射 各占一半 对于不同的封装类型 具有截然不同的热特性 制造者利用这点制作出不同的 产品来满足不同的市场需求 一个典型制造商可能提供以下一些特性不同的组 件 海洋组件 注塑成型组件 袖珍型组件 层压式组件 光伏屋顶瓦片 建筑一体化薄膜板 当温度升高到环境温度以上时组件类型的选择 组件温度与环境之差与照射 强度的增加大约成线性关系 额定电池工作温度 NOCT 的定义为 当组件中电流处于开路状态 并在 以下具有代表性的情况时所达到的温度 电池表面光照强度 800W m2 空气温度 20 风速 1m s 支架结构 后背面打开 比较典型的组件运行在 48 用来估算电池温度的近似表达式为 Ross Smokler 1986 1 2 S NOCT TT aircell 800 20 式中 Tcell是电池温度 Tair是空气温度或环境温度 S 是光照强度 用 W m2来 表示 当风速很大时 组件的温度将会比这个值低 但是在静态情况之下温度 会较高 对于建筑一体化组件 温度效应尤其应该值得重视 必须确保使尽可 能多的空气流经组件的背面 以防止温度过高 电池包装密度 既有效电池面积的比值 同样对操作温度有影响 包装密 度较低的电池具有较低的 NOCT 例如 50 的电池包装密度 41 NOCT 100 的电池包装密度 48 NOCT 图 5 20 示意了圆形和正方形电池的相对包装密度 具有白色背面并在组件中稀疏排列的电池 通过 零深度聚光效应 同样 可以使输出少量地增加 SERL 1984 部分光线照射到电池的电极部分以及电 池之间的组件区域 这些光被散射后最终照射到组件的有效区域 热膨胀是另一个设计组件时必须考虑到的温度效应 电池随温度升高所发 生的热膨胀 电池之间的空间可以增加一定量 公式如下 1 3 TDaCa cg 其中 ag ac分别表示玻璃和电池的膨胀系数 是相邻电池间中心之间的 距离 是表示电池的长度 通常情况下 电池与电池之间采取环形互联 是为了减少循环应力 双重 互联是为了降低在这样的应力下而自然疲劳失效的概率 除了相互连接的应力 所有的组件界面会受到温度相关的循环应力 甚至 最终导致脱层 2 52 5 电绝缘电绝缘 封装系统应该至少能够承受系统电压 除了在特殊指定环境 金属框架必 须接地 因为内部的和终端的电势会远高于大地的电势 澳大利亚标准 2005 澳大利亚标准 2005 说明了需安装接地泄露安全装置的情况 1 阵列 Voc 50V 无需安装 2 50V Voc120V 除了上述措施外 需要为浮置的 绝缘的阵列安 装一个绝缘监视器 2 62 6 机械保护机械保护 太阳能组件必须具有足够的强度和刚性 以便在安装前和安装时能够正常 地搬用 如果玻璃被用于最外表面 必须已经经过退火处理 因为组件的中心 区域比框架附近区域的温度高 由此而产生的框架边缘的张力会导致裂缝 在 太阳能阵列中 组件必须能够承受支架结构中一定程度的扭曲 以及抵抗风所 引起的振动和大风 雪 冰造成的载荷 IEC 1993 对这种机械损伤最敏感的点位于组件的角 边缘 电池的边缘以及所有的 衬地支架 2 72 7 降格与失效降格与失效 组件的操作寿命主要是由于封装的耐久性决定的 Czanderna Pern 1996 虽然光致退化能够引起硼掺杂硅电池的降格 Schmidt Cuevas 1999 实际应 用表明 在 20 30 年预期寿命之后 太阳能组件就会以不同的形式降格或者失 效 长期的性能研究表明 典型的想能损伤耗范围每年在 1 2 之间 King 等 2000 Ross 1980 给出了在每年运行时由各种降格所引起的预期输出减少 量 1 前表面污损 随着前表面灰尘的积累会降低组件的性能 组件的玻 璃表面通过风雨的洗刷实现自我清洁 而将这些损伤保持在 10 以下 然而对 于其他材料的表面而言这个损失的百分比可能更高 2 电池的降格 组件中逐渐的降格主要是有以下因素引起的 由于金属接触附着力的降低或者腐蚀引起 Rn变大 由于金属迁移透过 P N 结导致 Rah减小 抗反射涂层的老化 电池中活跃的 P 型材料硼形成硼氧化合物而造成衰减 Schmidt Cuevas 1999 3 组件的光化学老化 封装材料的变色可导致性能逐渐下降 Czanderna Pern 1996 暴露于紫外线 温度或湿气会造成通体变黄现象 4 电池短路 短路容易在电池互联的地方出现 对薄膜电池这是个比 较常见的问题 因为在薄膜电池中顶电极和背电极距离较近 由于针孔以及电 池材料上腐蚀或损伤的区域而导致的短路概率更大 5 电池断路 这是个比较常见的故障 尽管多余的连接点和互联的主 栅线能通常确保电池正常的运作 电池的破裂可以导致断路 导致破裂的原因可能有以下几种 热应力 冰雹或碎石 在生产或者装配过程中造成的 隐性裂痕 一般只生产检验时无法发觉 但是之后就会出现 6 互联的断路和寄生串联电阻 由于循环热应力和风力负荷会导致连 接件的疲劳 从而导致互联电路的断路故障 寄生串联电阻会随时间的推移而 逐渐增大 随着锡铅合金的老化 焊接处会变脆且会破裂分离成锡和铅的碎片 导致了电阻的增加 7 组件的断路和寄生串联电阻 断路故障和老化的影响也会在组件结 构中出现 最典型的是在总电线和接线盒中发生 8 组件电路短路 虽然所有组件在出售前都会经过测试 然而生产缺 陷通常可能引起组件短路 它们的出现时因为风华所导致的绝缘老化 从而导 致脱层 破裂和电化学腐蚀 9 组件玻璃破损 顶部玻璃损坏可能出现的原因有人为故意破坏 热 应力 安装操作不当 风或者冰雹的影响 在较低的风速下 屋顶的碎石被风 吹起 越过安装在屋顶上的倾斜组件的表面 落下垂直击中邻接的组件中邻接 的组件 造成组件的破裂 King 等 2000 10 组件脱层 这在早期的组件中是比较普遍的故障 但是现在已不 构成主要问题 问题一般是由于较低的焊接点强度 潮湿和光热老化等环境问 题 或者因为受热和潮湿产生的膨胀不等而引起的 这个在比较热和潮湿的气 候里比较常见 当湿气经过封装材料时 由于太阳光和热诱发化学反应而导致 脱层 11 热点故障 失谐的 破裂的或者被遮挡的电池能导致热点故障 12 旁路二极管故障 用于克服电池失谐问题的旁路二极管 也有可 能产生故障 通常是由于过热或规格不符造成的 Durand 1994 如果把二极 管运行温度控制在128 以下 就可以降低问题产生的可能性 13 封装材料的失效 紫外线的吸收剂和其他密封稳定剂能保证封装材 料具有更长的寿命 然而随着流失和扩散 这些成分会逐渐耗尽 一旦浓度低 于某个临界水平 封装材料会快速地降解 特别是 EVA 层颜色的变深 伴随着 乙酸的形成 会导致某些太阳能阵列输出功率的逐渐减小 特别是对于聚光系 统 Wenger 等 1991 Czanderna 与 Pern 1996 King 等 2000 尽管最近 EVA 的光稳定性的改进已经减少了这种问题的发生 第三章第三章 太阳能电池板的制造过程及评价太阳能电池板的制造过程及评价 3 13 1 太阳能电池板的制造过程太阳能电池板的制造过程 太阳能模板的制造过程 首先 在太阳能电池片中将称为 爆带 的一对 金属片 附有焊锡的铜线 通过焊接方式安装 将安装了爆带的太阳能电池片 在背面连接起来 这样便可以将更多数量的太阳能电池片成列连接 得到成排 的多个电池片 然后将成排的多个电池片用填充剂 EVA 填充 用玻璃或者 背面薄膜进行压膜处理 再安装用于保护模板周围的框架以及引出电流电缆线 的端子盒 最后用太阳能模板模拟 完成模板的电流 电压特性测定后 审核是 否到达了指定的性能标准 太阳能电池片的爆带处理以及连接成排 已经开发 出了规模化的生产 另外 压膜过程也开发出了专用装置 由太阳能电池生产 厂家使用 压膜可分为两部分 真空室和加热装置 真空室用具有伸缩性的膜隔断 为了便于材料的放入 设计成上部开闭式 压膜过程按顺序可分为如下步骤 首先 在加热装置上将模板材料放置成重叠状态 超直线型结构从下面起 顺 次放入强化玻璃 EVA 薄板状 成排的多个电池片 EVA 薄板状 背面 保护薄膜 然后一边对上下的真空室进行排气 一边用加热装置对试验材料进 行加热 进行一定时间的排气 加热后 停止对上部真空室进行排气 打开阀 门导入空气 另一方面 下部的真空室继续排气 由于上下的压力差 隔断的 膜向加热装置一侧延伸 压迫试验材料 如此加热到约 150 时 EVA 开始架 桥 虽然有各种各样的尺寸 大致上在输出功率 110 220W 转换率 12 17 的范围内 3 23 2 太阳能电池模板的评价太阳能电池模板的评价 室外的环境是非常恶劣的 例如 由于雨和雾产生的湿气的侵入 昼夜和 季节引起的温度变化 强风或冰雹等机械外力的作用等 太阳能电池模板必须 要有抵抗这些外界因素造成的能力 太阳电池模板的机械强度以及对环境的耐 受性在 JIS 中已被规定 表 1 1 是结晶型太阳能电池的 JIS 有关项目 从电池片 的测定方法开始 有各种不同的项目 表 1 2 是 JIS C 8917 中有关模板的环境 试验方法以及耐久性试验方法规定的大致内容 关于温度 湿度以及强度 有 着非常严格的规定 有关将太阳能电池模板的这些规定进一步清晰化的研究和 商品化也在进行之中 表 1 1 有关结晶太阳电池的 JIS 对象 项目 结晶型太阳能电 池 JISC C 8917 结晶型太阳能电池的环境试验方法以及耐久性试验方法 JISC C 8918 结晶型太阳能电池模板 测定方法以及测 定装置 JISC C 8911 二次基准结晶型太阳能电池片 JISC C 8912 结晶型太阳能电池测定用光模拟装置 JISC C 8913 结晶型太阳能电池片的输出功率测定方法 JISC C 8914 结晶型太阳能电池模板的输出功率测定方法 JISC C 8915 结晶型太阳能电池光响应特性测定方法 JISC C 8916 结晶型太阳能电池片 模板的输出电压 输出电流的温度 系数测定方法 JISC C 8919 结晶型太阳能电池片 模板室外输出功率的测定方法 表 1 2 结晶型太阳能电池的 JISC C 8917 环境试验 耐久试验 项目 试验类容 耐风压将样本保持水平 在其上面载入 1422N m2的干燥沙子 简易试验 扭力试验将样本固定在三个角 增加一个角线长度 2 的扭力 四角相对进行试 验 强 度 降雹试验将质量为 227g 直径 38mm 的钢球 从高度为 1m 的空间想样本表面的 中心落下 简易试验 温度循环试 验 400C 900C 1 个循环为六小时 做 200 个循环 耐热性试验温度 850C 连续放置 10000 小时 耐湿性试验温度 850C 湿度 90 93 连续放置 1000 小时 环 境 耐 久 性 温 湿度循 400C 850C 环试验 湿度 85 一个循环为 6 小时的温湿度 共做 10 个循环 第四章第四章 组件对环境的影响组件对环境的影响 4 14 1 光伏组件的生产光伏组件的生产 硅最为最常见的太阳能电池材料 是化学工业的产物 化学提纯过程包括 许多步骤 需要受到严格的控制 否则会对环境造成严重的污染 光伏电池的 生产需要经过扩散 氧化以及与不同的化学物质进行接触的过程 但这些化学 物质 在严格控制的环境中一般都可以回收或者分解 薄膜电池的生产过程与硅 电池不同 有时需要使用一些有害气体 所有这些生产过程都被严格的控制着 另外 那些在生产过程中被损坏的太阳能电池还可以被回收并重新利用 因此 只要在生产过程受到严格的控制 可以认为光伏组件的生产过程不会对环境产 生不利的影响 4 24 2 光伏组件的运行光伏组件的运行 一般来说光伏系统的运行过程对环境没有任何不利影响 因为它不产生噪 声 固体垃圾或有害气体 从这方面看 光伏系统发电有利于环境保护 在发 达国家和发展中国家都同样适用 光伏发电站产生的每一度电都相应地减少了 温室气体的排放 而某种温室气体的排放量取决于这个国家的能源结构 例如 在德国光伏系统每产生一度电就可以减少将近650克二氧化碳的排放 这是因为 褐煤和硬煤在德国的基础能源中占有很高的比例 在其他国家 像挪威和瑞典 绝大部分的电能是靠水力发电 所以光伏系统每生产一度电而带来的温室气体 减排量就相对比较低 而在一些发展中国家 光伏系统一般是用来替代化石燃 料的 如燃油或液化气 在这种情况下 相应的温室气体的减排量就相对较高 如上所述 光伏系统的运行过程并不会对环境造成影响 但其对温室气体的贡 献却取决于本国的能源结构状况 4 34 3 光伏组件的回收光伏组件的回收 大多数单晶硅光伏电池生产商对光伏电池板正常使用的保证时间固定为25 年 为薄膜电池一般是10年 一般来讲 光伏组件在其生命期内可以产生的能 量约为其生产过程所消耗能量的4 1 6 7倍 随着光伏技术的发展和生产技术的 改进 光伏板的能量回收期还会大大减少 光伏技术的持续增长要求在提高光伏组件生产过程中能源和材料利用率的 同时 还需要一个行之有效的光伏组件回收技术 现在已经从理论上展开了对 光伏组件回收的研究 但是因为光伏组件的生命周期很长 现在基本还没有需 要回收的光伏组件 尽管生产商都保证光伏组件的所有材料都是可以回收的 将来还是需要建立一个世界性的回收系统来回收有问题或者老化的光伏组件 另一种可能性就是要求生产厂商回收其生产的光伏组件 这样生产厂商或是安 装公司就不得不直接从使用者那里回收报废的光伏组件 4 3 14 3 1 单晶硅和多晶硅光伏组件单晶硅和多晶硅光伏组件 由于光伏组件寿命造成的时间延迟 现在需要回收的光伏组件数量正在不 断增加 假定光伏组件的平均寿命是25年 那么在1985生产的光伏组件到2010 就需要回收 据报道 在1985年生产了0228km2重达2300吨的光伏电池 而在 1995年所生产的光伏电池重量就增加到了8480吨 面积接近0 84km2 这些基本 都是单晶硅和多晶硅电池薄膜电池的比率很小 到了21世纪初 世界光伏电池 年生产量达到了400MWp 这相当于4 0km2重达40000吨 而现在光伏电池的产 量以每年至少15 的速度增长 由于超过80 的光伏组件是单晶硅和多晶硅 现在生产商所保证的使用寿 命是25年 某些光伏组件的世纪寿命会更长一些 可能达到30年 因此需要大 量回收光伏组件的时间会推迟到2030年或更晚些 除此之外 在未来几年 光伏组件的效率将会大大的提高 所以现在使用 的光伏组件可能会被效率更高的光伏组件代替 而这些被替换下来的光伏组件 就需要回收 因此在2015或2020年之前 经济有效的光伏组件回收技术就需要 发展起来 4 3 24 3 2 非晶硅光伏组件非晶硅光伏组件 从现在和不远的将来来看 非晶硅光伏组件的回收量仍旧很低 非晶硅组 件中的电池材料只是一层薄膜 其重量不足光伏组件总重量的百分之一 回收 非晶硅光伏组件的一个可行的方法就是利用喷沙将玻璃上的薄层出去 但这种 分离薄膜材料的方法并不经济 因为只有玻璃能够被重新利用 相比之下 利 用热过程回收非晶硅组件是一种非常好的方法 玻璃和金属都可以同时被回收 重新利用 4 3 34 3 3 薄膜型光伏组件薄膜型光伏组件 与非晶硅光伏组件相比 其他的薄膜光伏组件含有有害物质 如碲化镉或 碲化硒 为了解决碲化镉光伏技术应用中的环境问题 需要对碲化镉光伏组件 进行回收 现有一种简单高效的碲化镉光伏组件的回收方法 这种方法基于一 个闭合回路的电化学过程 可以迅速地将损坏或失效的光伏组件转化成新的高 效率的光伏组件 这种方法可以在一个单独的密闭系统中将薄膜组件的组成部 分分离 并且能够将分离的半导体薄膜重新生成在一个新的玻璃板上 4 3 44 3 4 回收过程所需的能耗回收过程所需的能耗 由于上述光伏组件的回收技术还处于研究发展阶段 还没法确定回收过程 所需的能量 不过一般来讲 利用热过程回收光伏组件时间的能耗约为生产光 伏组件所需能耗的80 4 3 54 3 5 组件系统的可持续分析组件系统的可持续分析 光伏技术可以将太阳能转化为电能 被认为是一种可持续发展的技术 尽 管光伏系统在运行过程中不消耗能量 但在光伏组件的制造过程 光伏系统配 件的生产过程 运输过程 光伏系统的安装 改建过程和光伏组件的分解及回 收过程都需要消耗一定的能量 光伏系统中除了光伏组件之外的部分系统称为 光伏系统配件 这包括系统的布线 电子和电力组成部分 支架和电池 对于 离网系统 等 因此 可以利用能量的回收时间和温室气体的回收时间来分析 光伏系统的可持续性 4 3 64 3 6 能量回收时间 能量回收时间 EPBTEPBT 一般来说 能量的回收时间可以用来分析光伏系统产生的能量和制造光伏 板过程中所消耗的能量之间的关系 以此可以得出光伏系统在其生命周期内的 能量净增值 能量回收时间一般定义为生产光伏板组件和光伏系统设施所消耗 的能量与全年光伏系统产生能量的比值 可以表示为 1 4 output EBOSES E EE EPBT 式中 ES E 生产光伏组件所需要的能量 kWh EBOS E 生产光伏系统配件所需要得能量 kWh Eoutput 光伏系统全年输出的电能 kWh 4 3 74 3 7 光伏系统的潜在能耗光伏系统的潜在能耗 光伏系统的潜在能耗是光伏系统在整个生命周期内所需要的能量 包括制 造过程 运输过程和安装过程所需要的能量 因此 光伏系统的类型 光伏组 件的安装形式 系统的设计形式 系统所在的位置 系统是否并网 系统的运 行和监控 系统的改建和安装形式都是光伏系统潜在能耗分析的影响因素 光 伏系统的潜在能耗可以分为两部分 一部分是生产光伏组件所需的能量 另一 部分是生产光伏系统配件所需要的能量 生产光伏组件所需的能耗 ES E可以表示为 1 5 DTFSPES EEEEEE 式中 EP 硅提纯和生产过程所需要的能量 kWh ES 硅锭的切片过程所需要的能量 kWh EF 光伏组件组装过过程的能耗 kWh ET 将光伏组件从生产地运输到安装地所需要的能量 kWh ED 光伏组件回收过程所需要的能耗 kWh 分析光伏系统潜在能耗时 虽然光伏组件本身的潜在能耗占有很大的比例 但它并不是唯一的影响因素 还应考虑系统配件潜在的影响 光伏系统配件包 括电力方面的光伏系统配件和机械方面的光伏系统配件 因此 光伏系统配件 的潜在能耗可以表示为 1 6 MBOSEBOSEBOS EEE 式中 EEBOS 电力方面的光伏系统配件的潜在能耗 kWh EMBOS 机械方面的光伏系统配件的潜在能耗 kWh 4 3 84 3 8 温室气体的回收时间 温室气体的回收时间 GPBTGPBT 通过减少温室气体的排放可以解决全球变暖的问题 因此 温室气体的回 收时间也可以用来评估一个系统或技术的可持续性 光伏技术是一种值得推荐 的可以减少温室气体排放的技术 在光伏系统的运行过程中不产生 CO2 但是 在光伏系统的生命周期中的某些环节 比如提取过程 生产过程和回收处理过 程 是会产生 CO2和其它温室气体的 因此 研究温室气体的回收时间可以评 价光伏技术的可持续性和绿色性 温室气体的回收时间定义为光伏系统潜在的温室气体排放量与相对于地方 发电站减少的温室气体排放量的比值 可以表示为 1 7 output BOSS GHG GHGGHG GPBT 式中 GHGS 光伏组件潜在的温室气体排放量 kg CO2 GHGBOS 光伏系统配件潜在的温室气体排放量 kg CO2 GHGoutput 相对当地发电站的全年温室气体减排量排放量 kg CO2 与潜在能耗分析类似 潜在的温室气体排放量很难确定 Nawaz 和 Tiwari 推荐的温室气体的减排量为0 98kg CO2 kWh Battisti 和 Corrari 在研究中采用的 温室气体的减排量数值为0 8 kg CO2 kWh 并且在此基础上得出多晶硅光伏系 统的温室气体回收时间大概为4年 Mason 详细分析了美国的光伏系统在全生命 周期内的温室气体排放量 指出光伏系统配件的温室气体减排量为5 7g CO2 kWh 并网系统为24 gCO2 kWh 和家用屋顶光伏系统为205 7gCO2 kWh 此外 Fthenakis 和 Kim 指出薄膜型 CdTe 光伏电池在生命周期内的温室气体的 减排量为0 018gCO2 kWh 而 Alesma 和 Schoten 给出光伏阵列的支架和布线对 应的温室气体的排放量为6 1gCO2 kWh 总总 结结 近年来 我国光伏产业飞速发展 已经形成珠三角太阳能电池产品加工 生产 集散地和市场 长三角太阳能电池制造 京津冀太阳电池和江西太阳能 及硅片制造基地 先后有十余家企业在境外上市 如无锡尚德 浙江煜辉 苏 州阿特斯 常州天合 江苏林洋 河北晶澳 中电光伏 赛维 LDK 和天威英 利等 光伏产业的兴起和发展为我国光伏推广应用 特别是为光伏建筑发展提 供了基础条件 我国政府注重可再生能源的发展 科技部 建设部等积极推进光伏科研和 示范工程 在这方面深圳积极走在前列 已经成为建设部太阳能和建筑一体化 的主要示范城市 深圳有很好的光伏产业基础 深圳政府已经制定十一 五规 划 要在 100 万平米建筑面积推广太阳能应用光伏应用 推广光伏发电项目 其中光伏组件作为系统组成部分 它的特性确定了系 统的发电量 组件由单个的具有相似特性的电池连接和封装组成 形成系统的 基本单元 失谐电池 热点过热 抗候性 温度因素 电绝缘机械保护 降格 失效等 都是影响系统发电量的因素 建设部门应制定相应的政策 鼓励和激励房地产商大力采用光伏发电技术 同时 政府要带头大力推广太阳能发电技术 有可能应率先在政府大楼 公共 建筑 市政工程等推广太阳能利用 并且制定符合我国国情的太阳能为主的激 励政策 确定年度和中 长期发展目标 并建立检测 评估与监督机制 参考文献参考文献 1 张兵 太阳能光伏电池适用技术 北京 西苑出版社 2011 2 宋超 郭霞 光伏发电技术与应用 北京 西苑出版社 2011 3 杨洪兴 周伟 太阳能建筑一体化技术与应用 北京 中国建筑工业出版 社 2008 4 洛林 太阳能电池 工作原理 技术和系统应用 上海 交通大学出版社 2010 5 Tom Markvart 太阳电池材料 制备工艺及检测 北京 机械工业出版社 2009 6 雄稍珍 太阳能电池基础与应用 北京 科学出版社 2009 7 周篁 美国有关可再生能源和节能情况考察报告 可再生能源 2007 98 101 8 Zhang Bing Solar photovoltaic battery application technology Beijing Xiyuan publishing house 2011 9 Song Chao Guo Xia Photovoltaic power generation technology and application Beijing Xiyuan publishing house 2011 10 Yang Hongxing Zhou Wei The building integration of solar energy technology and application Beijing China Building Industry Press 2008 致致 谢谢 大学所收获的不仅仅是愈加丰厚的知识 更重要的是在阅读 实践中所培养 的思维方式 表达能力和广阔视野 很庆幸这些年来我遇到了许多恩师益友 无论在学习上 生活上还是工作上都给予了我无私的帮助和热心的照顾 让我 在诸多方面都有所成长 感恩之情难以用语言量度 谨以最朴实的话语致以最 崇高的敬意 感谢我的恩师三年来 老师对我的学习非常严格 并给予了悉心的指导 使我受益菲浅 从恩师身上我