双组分有机硅胶在光伏组件密封上的应用

双组分有机硅胶在光伏组件密封上的应用摘要：本文主要是对双组分有机硅胶应用于光伏组件密封上的实现路径的具体探索，从双组分有机硅胶的分类、市场情况、性能等各方面探究双组分胶在光伏组件密封上应用的可行性，以及实现产业化应用的路径方案。关键词：应用化学、双组分密封胶、光伏组件、自动施胶系统1引言随着人类经济和社会的发展，对环保的要求日趋严苛，传统发电模式逐渐暴露出很多弊端，全球面临着日益严重的能源危机。新能源的发展愈来愈受到人们的重视，各个国家都已积极介入，抢占技术制高点。新能源是指刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源，如太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核聚变能等。太阳能发电是指利用光生伏打效应使太阳光辐射能转变成电能[1]。太阳能电池片是太阳能光伏发电系统的核心部件。由于太阳能电池片自身存在着薄、脆、易氧化等物理、化学缺陷，暴露在空气、雨水等自然条件下很容易造成永久性破坏，使得太阳能发电难以在恶劣的自然条件下大规模应用[2]。因此，要实现太阳能发电的工业化应用，就要求对其进行保护性密封与封装，从而形成光伏组件[3]。这种保护性密封和封装是实现光伏发电工业化生产和大规模应用的一项关键性技术。光伏组件制造过程主要是由分拣电池片、正面焊接、背面串接、拼装、检测、层压、削边、检测、装框、焊接接线盒、测试等个步骤组成，其中在装框与安装接线盒两个步骤中需要在铝框的边框以及接线盒跟背板之间涂敷密封胶，以达到粘结、密封、绝缘之作用，以确保组件和电池片的25年使用寿命[4]。光伏组件边框密封的主要方式有：1）橡皮圈（见图1），安装简便，但只能起到机械缓冲作用，密封性较差；2）双面胶带（见图2），粘结性强，无需固化时间，但返修时不易拨开，并且阻燃性较差；3）EVA嵌条（见图3），属于旧物利用，成本低，但操作不方便，需要层压后固化炉固化，且需要大量人工；4）硅胶（见图4），性能最佳，密封性、稳定性优异，但成本偏高，施胶量不易控制，容易外溢，需额外的劳动力清洗；图1橡皮圈图2双面胶带图3EVA嵌条图4硅胶（单组分小包装）2光伏组件密封用有机硅胶介绍由硅和氧原子交替组成的线性有机硅聚合物作为光伏组件边框密封胶，能在-60~200℃的温度范围内使用，显示出优良的耐高低温性能、耐电绝缘性、弹性、耐老化性、耐紫外线辐射、耐臭氧、化学稳定等特性，具有安全可靠，耐候性好，使用寿命长等优点，符合光伏组件的使用要求，因而已越来越显示出广阔的发展前景，市场也逐年看好。适用于光伏组件边框及接线盒密封的有机硅胶主要有改性硅烷密封胶和室温硫化硅橡胶。2.1改性硅烷密封胶一般来讲，硅改性密封胶主要有两种，一种是对聚醚进行硅氧烷封端改性的硅烷改性聚醚(MS)，另外一种就是对聚氨酯进行硅氧烷封端改性的硅烷改性聚氨酯(SPU)。两种改性密封胶合成、制备方法和性能各有不同[5~7]。硅烷改性聚醚密封胶的合成是通过将聚醚端接可水解性的硅烷，按一般制备密封胶的工艺，加入各种填料、增塑剂、触变剂和催化剂等，经混合分散制备成硅烷改性聚醚密封胶，其固化机理如下：同硅烷改性聚醚密封胶相似，硅烷氧改性聚氨酯是将聚氨酯端接可水解性的硅烷制得，制备的密封胶在一定的相对湿度下，通过水气的作用进行交联固化，反应过程如下[10]：2.2室温硫化硅橡胶室温硫化硅橡胶（RTV）在分子链的两端（有时中间也有）各带有一个或两个官能团，在一定条件下（空气中的水分或适当的催化剂），这些官能团可发生反应，从而形成高分子量的交联结构。按其硫化机理可分为缩合型和加成型，光伏组件密封主要是应用缩合型，其具体分类见表1[8~10]：表1：缩合型密封胶分类及性能简介分类交联剂种类缩合产物优点缺点脱醋酸型强度、透明性、粘接性好、硫化速度快有醋酸气味，对金属有腐蚀性脱酮肟型没有太大气味，对各种材料有较好的粘接性对铜稍有腐蚀脱醇型无味、无腐蚀性硫化速度慢，保存性差，粘接性稍差脱丙酮型无味、无毒、硫化速度快，保存性、操作性、密封性、耐热性好成本较高脱酰胺型无臭、无毒、低模量粘接性稍差脱羟胺型环状氨基硅氧烷硫化性能好，模量低、粘接性、耐久性好有氨味脱氨型硫化速度快有氨味、腐蚀性、毒性其中以脱醋酸型为例，其固化机理如下：光伏组件用密封胶按包装方式可分为双组分和单组分两种类型，单组分的固化反应靠空气中的水分进行引发，双组分的固化反应不是靠空气中的水分,而是靠催化剂来进行引发。通常是将硅生胶、填料、交链剂作为一个组分包装，催化剂单独作为另一个组分包装，当两种组分完全混合时才开始固化。双组分有机硅胶在光伏组件密封上的应用传统的单组分密封胶的固化时间长，可进入下步工序的时间一般≥4小时，完全固化时间更要求≥7天，这就大大延长了生产周期，而且还需要特定的场地用来初步固化，不利于生产线的自动化；这种传统工艺不仅增加搬运等操作工序，而且还容易在搬运过程中对组件造成损伤。而双组分硅胶的固化时间相对较短，一般1小时即可进入下道工序，可实现在线固化，而不需要另外转移地点单独等待固化。不仅简化工艺、大大缩短生产周期，还可提高场地面积的利用率，可实现自动化。双组分虽有较多优势，但成功应用的案例较少，且成本比较高。将双组分胶应用于光伏组件密封上，需要考虑的因素主要有：双组分胶性能是否满足光伏组件密封要求，如何在光伏组件密封上具体应用。3.1双组分胶性能研究根据UL1703、IEC61215、IEC61730对光伏组件及密封胶的要求，聚合物材料应满足一定的阻燃性能、绝缘性能、耐老化性能、机械性能及外观等其他要求。表2是光伏组件密封胶的具体要求指标及市场现有双组分密封胶（四家样品）的性能调查结果，测定方法根据相关规定执行。表2：双组分密封胶性能调查表样品项目指标技术要求样品1样品2样品3样品4密封胶类型-A:改性硅烷B:含乙二醇等物质缩合型硅橡胶聚二甲基硅烷(PDMS)羟基封端聚二甲基硅氧烷、白炭黑A、B组分配比-10:14:110:110:1外观A、B组分外观细腻、均匀、无结块、杂质、凝胶、气泡，同一批颜色应一致。外观：无气泡、结块、颜色均一，无特殊气味A、B组分外观细腻、均匀、无结块、杂质、凝胶、气泡，同一批颜色应一致。白色白色/黑色黏度A：200Pa·s～700Pa·sB：0.05Pa·s～95Pa·sA:150Pa·s~300Pa·sB:70Pa·s~120Pa·sA：200Pa·s～500Pa·sB：0.05Pa·s～95Pa·sA:约700Pa·sB:约95Pa·s-可操作时间25℃±5℃，55%±5%条件下混合后可操作时间5~25℃±5℃，55%±5%条件下混合后可操作时间1025℃±5℃，55%±5%条件下混合后可操作时间≤25℃±5℃，55%±23±2℃，50±20-25min凝胶时间25℃±5℃，55%±5%条件下≤25℃±5℃，55%±5%条件下2525℃±5℃，55%±5%条件下≤25℃±5℃，55%±(curethrough)23±2℃，50±5%条件下拉伸强度≥2.0MPa>1.4MPa≥2.0MPa2.5MPa2.3MPa断裂伸长率≥280%>250%≥280%280%295%剪切强度25℃±5℃，55%±5%情况下固化7d：5℃±5℃，55%±5%>1.1MPa25℃±5℃，55%±5%情况下固化7d：-完全固化后1.98MPa硬度≥35ShoreA45≥353642ShoreA介电强度≥18Kv/mm≥18Kv/mm≥18Kv/mm≥18Kv/mm24KV/mm体积电阻率≥1.0×1016Ω·cm≥1.0×1010Ω·cm≥1.0×1014Ω·cm9.3E+132.3×1015Ω·cm阻燃等级＞HB（UL94）UL94HB＞HB（UL94）UL94HBUL94HB工作环境温度-50℃~-50℃~-50℃~-50℃~-50℃~有害物质含量符合相关国家法律法规要求符合相关规定符合相关国家法律法规要求八甲基环四硅氧烷:1~5%符合相关国家法律法规要求材料相容性能与材料剥离强度≥硅胶内聚力剥离强度2.5N/mm≥硅胶内聚力与材料剥离强度≥硅胶内聚力与材料剥离强度≥硅胶内聚力良好耐老化性能经高低温冲击、高温高湿试验后外观无剥离、无开裂、无黄变；抗拉强度、伸长率、邵氏硬度：≥初始值的80%经高低温冲击、高温高湿试验后胶本身无黄变抗拉强度、伸长率、邵氏硬度：≥初始值的78%经高低温冲击、高温高湿试验后外观无剥离、无开裂、无黄变；抗拉强度、伸长率、邵氏硬度：≥初始值的50%-不开裂，无黄变现象拉伸强度：2.11MPa断裂伸长率：474.69%邵氏硬度：36shoreA剪切强度：1.86Mpa从上面的调查表上可以看出市面上的双组分胶基本满足光伏组件密封要求。但在将双组分引入光伏组件密封应用之前，应先对其进行内部测试，测试项目主要包括固化时间、机械力学性能、耐老化试验，以确保其各项指标满足要求。3.2双组分胶在光伏组件密封上的应用因为双组分胶是要求A、B组分混合后实现固化的，因此对A、B的混合配比有一定的要求。有些胶水对配比的要求精度较高，否则不固化，因此就需要一套精确计量系统实现定量混合。若采用手持打胶枪，需要配以小包装胶管，以气动方式，将两组分在螺纹状混合导胶管中静态混合后涂覆在边框及接线盒上。此种方法打出来的胶条不均匀，不容易前后收尾，易造成缺胶或溢胶的情况。手持设备较重，不易于工人操作，打胶速度有限，不能满足高产能要求。因此，需要开发一套自动打胶设备解决以上问题。因为双组分胶水的特殊性，在开发自动化打胶设备过程中应结合双组分胶水特性考虑。双组分打胶设备应主要包括以下几个系统：供胶系统、计量系统、混合系统、施胶系统及施胶平台。3.2.1由于双组分胶的高粘度性，需要使用高压力才能把胶从包装桶里挤出，所以采用带有高压比的柱塞泵较容易实现输胶。为了保证计量系统的精准性，需要给计量系统较稳定流量的供胶，而柱塞泵因为工作原理存在着一定幅度的压力变化，导致出胶量得不稳定。因此需要在柱塞泵与计量系统之间装置稳压器，以缓和压力波动。成熟的设备制造会将稳压器考虑到柱塞泵的设计中，作为一个整体。3.2.2因为双组分胶是需要A、B组分混合后才实现固化，有些胶水对配比的要求精度较高，否则不固化，因此就需要一套精确计量系统实现定量混合。目前较成熟的是高精度计量齿轮泵，由交流马达驱动，压力传感器安装在泵外用来控制压力。因有些双组分胶水存在腐蚀性或者填料过多等特性，对设备的耐腐蚀性、耐磨性要求较高，在实际选用时应多加注意胶水与设备的匹配性。3.2.3双组分的固化方式是由胶体变为凝胶体，最后变为固体的过程，是通过催化剂实现内部缩合而固化的，因此混合系统应放在计量之后施胶之前。且混合过程应在易更换处，而不是在某个密闭管道内，因为生产过程中可能存在间歇，当停止施胶时，管道内的胶水开始固化，这样很容易造成管道的堵塞，因此必须将混合过程放在末端易更换处。较通用的做法是由两条供胶管道，在施胶头处实现汇流（见图1），通过螺纹状静态混合管混合（见图2）。图1双组分很合枪头图2螺纹状静态混合管3.2.4施胶系统施胶系统主要为施胶的具体实现途径，包括施胶头和施胶平台。因为铝边框的形状是长直线型，这就要求施胶头和施胶平台有相对位移。一种方法是施胶平台固定，用机器人手臂固定施胶头，通过运行软件控制机器人手臂实现涂胶过程（见图3）。另一种是施胶平台有传送功能（见图4），施胶头固定或者不固定，实现相对位移，完成施胶过程。施胶平台应配合施胶设备的施胶系统，便于施胶，便于工作者工作（上下料、清洁等）。图3机器人手臂施胶图4递进式施胶3.3双组分自动施胶系统的技术要求上述是对双组分自动施胶系统各个子系统的分析，将双组分自动施胶系统成功应用于产业化生产，应结合企业自身生产状况，包括生产布局、产能要求等。表3是结合某企业生产需求而对双组分自动施胶系统提出的具体要求。表3某企业对双组分打胶设备提出的参数要求序号项目技术要求及参数范围备注1设备产能满足100MW/年22h/天工作时间2工作频率≤30s/套边框尽量将接线盒包括在内3施胶精度精确到0.5mm4电源220V，50HZ正常电源5功率≤1000W节能角度考虑5供胶系统气源≥5kg配有稳压器6控制系统配有自动和手动控制系统，PLC7设备重量≤5000kg整机重量8设备体积≤10×10×3（m*m*m）便于投入流水线使用9施胶量具体由试验确定设备调试10胶水包装可用55加仑大包装节省成本与更换时间结语随着各国光伏政策的出台，各国光伏补贴的下调力度及频率显著加大，个别国家甚至设置了年度安装量上限。光伏行业正从繁荣期向平稳的市场化过渡。为了顺应市场发展趋势，增强技术创新竞争力，提高产能、降低成本成为企业发展必由之路。双组分有机硅胶在光伏组件上的应用有其独到的优势，也是未来发展的趋势，但目前正处于开发阶段，成功案例较少，很多细节需要深入研究，特备是配套打胶设备的开发。本文主要是对双组分有机硅胶应用于光伏组件密封上的实现路径的具体探索，从双组分有机硅胶的分类、市场情况、性能等各方面探究双组分胶在光伏组件密封应用上的可行性，以及实现产业化应用的路径方案，望对双组分有机硅的产业化应用有一定的指导作用。参考文献[1]期刊：孔