第2章太阳能光伏电池组件与方阵

第2章太阳能光伏电池组件与方阵太阳能电池组件(SolarModule)也叫太阳能光伏组件(PVModule)，通常还简称为电池板或光伏组件。太阳能电池组件是把多个单体的太阳能电池片根据需要串并联起来，并通过专用材料和专门生产工艺进行封装后的产品。为什么单体的太阳能电池不能直接用于光伏发电系统的应用昵?这是因为：①单体太阳能电池机械强度差，厚度只有200μm左右，薄而易碎；②太阳能电池易腐蚀，若直接暴露在大气中，电池的转换效率会受到潮湿、灰尘、酸碱物质、冰雹、风沙以及空气中含氧量等的影响而下降，电池的电极也会氧化、锈蚀脱落甚至会导致电池失效；⑧单体太阳能电池的输出电压、电流和功率都很小，工作电压只有0．48~0．5V，由于受硅片材料尺寸限制，单体电池片输出功率最大也只有3～4w，远不能满足光伏发电实际应用的要求。目前太阳能光伏发电系统采用的太阳能电池组件主要以晶体硅材料为主(包括单晶硅和多晶硅)，因此本章将主要介绍晶体硅太阳能电池组件的原理构造和生产制造过程，以及太阳能电池方阵的组合、配置和连接等内容。2.1太阳能电池组件的基本要求与分类2．1．1太阳能电池组件的基本要求太阳能电池组件要满足以下要求：①能够提供足够的机械强度，使太阳能电池组件能经受运输、安装和使用过程中发生的冲击、震动等产生的应力，能够经受住冰雹的冲击力；②具有良好的密封性，能够防风、防水、隔绝大气条件下对太阳能电池片的腐蚀；③具有良好的电绝缘性能；④抗紫外线辐射能力强；⑤工作电压和输出功率按不同的要求设计，可以提供多种接线方式，满足不同的电压、电流和功率输出要求；⑥因太阳能电池片串、并联组合引起的效率损失小；⑦太阳能电池片间连接可靠；⑧工作寿命长，要求太阳能电池组件在自然条件下能够20年以上；⑨在满足上述条件下，封装成本尽可能低。2．1．2太阳能电池组件的分类太阳能电池组件的种类较多，根据太阳能电池片的类型不同可分为晶体硅(单、多晶硅)太阳能电池组件、非晶硅薄膜太阳能电池组件及砷化镓电池组件等；按照封装材料和工艺的不同可分为环氧树脂封装电池板和层压封装电池组件；按照用途的不同可分为普通型太阳能电池组件和建材型太阳能电池组件。其中建材型太阳能电池组件又分为单面玻璃透光型电池组件、双面夹胶玻璃电池组件和双面中空玻璃电池组件。由于用晶体硅太阳能电池片制作的电池组件应用占到市场份额的85％以上，在此就主要介绍用品体硅太阳能电池片制作的各种电池组件。2.2晶体硅太阳能电池组件的构成与工作原理2．2．1普通型太阳能电池组件常见的普通型太阳能电池组件有环氧树脂胶封板、透明PET层压板和钢化玻璃层压组件，其中，环氧树脂胶封板、透明PET层压板组件一般都是功率小于1W的小组件，主要用太阳能草皮灯、道钉灯、各种太阳能玩具等小功率产品，而钢化玻璃层压组件的功率则可以达到1~280W，是目前太阳能光伏电池组件应用的主流产品。下面就对这几种电池组件的构成和工作原理分别进行介绍。1.环氧树脂胶封板组件环氧树脂胶封板主要由电池片、印制电路板及环氧树脂胶等组成，具体尺寸和形状根据产品的需要确定。由于环氧树脂胶封板的功率很小，因此使用的电池片是将完整的电池片切割成条状后使用。条状电池片的长度和宽度，即电池片的面积决定了组件的输出电流大小，而串联的条数决定了组件的输出电压的大小。一般为1.2v蓄电池充电的组件串联4条，为2.4v蓄电池充电的组件串联7～8条，为3.6v蓄电池充电的组件串联11条。环氧树脂胶封板组件的胶封面朝外接受阳光照射，阳光透过胶封面照射到电池片上，发出的电通过正负极引线引到电路板背面后，再通过引线接入相应电路或蓄电池中。环氧树脂胶封板组件的制作过程基本都是手工操作。电池片是根据需要尺寸用激光划片机预先划好的，制作步骤是：(1)将划好的条状电池片用互连条一正一负串联焊接起来，并用黑色双面胶固定在印制电路板上；(2)将正负极引线穿过印制电路板上的引线孔与电路板背面的电路铜箔焊接，然后一一排列放在水平支架上等待灌胶；(3)将双组分环氧树脂胶按2比1的比例混合调均匀(注意一次不要混合太多，否则一次用不完，十几分钟就会变稠而无法使用)，给每一片组件表面倒上适量的胶水(平均0.15g／cm2左右)，使其自然摊开，组件表面胶水要均匀饱满，胶水太薄的地方还要补一点；(4)将灌好胶水的组件放入真空干燥箱内抽气1min，然后在70℃温度下烘干30min或在室内无尘环境下自然晾干24h；(5)铲除组件周围多余的胶粒，用薄膜缠绕，防止互相摩擦破坏表面光洁和透明，打包装箱就是产成品了。环氧树脂作为黏合剂应用较为广泛，产品形式有单组分、双组分或粉末状树脂几种。太阳能电池组件使用的环氧树脂黏合剂通常是双组分液体，使用时现配现用。环氧树脂的黏结度较高、工艺简单、材料成本低廉，但耐老化性能较差，容易老化而变黄。因此，对于使用环氧树脂封装的太阳能电池组件，改善其耐老化性能是十分重要的。此外，作为太阳能电池封装材料，要求具有较高的耐湿性和气密性。环氧树脂是高分子材料，其分子间距为50～200nm，大大超过水分子的体积。而水的渗透可降低太阳能电池的使用寿命。其次，用环氧树脂封装太阳能电池组件时，由于不同材抖的膨胀系数不同，在生产过程中如材料配置及工艺不当将产生内应力，可能造成组件强度降低、龟裂、封装开裂、空洞、剥离等各种缺陷而严重影响光伏组件质量。由于环氧树脂胶封板组件使用寿命只有2～3年，目前只有一些小型组件仍使用环氧树脂封装，较大组件已经不再使用这种工艺了。2.太阳能PET层压板2．透明PET层压板组件透明PET层压板组件的外形如图2．3所示。主要由电池片、透明PET胶膜及印制电路板或塑料基板等组成，具体尺寸和形状也是根据产品的需要确定。透明PET’层压板一般也是在小功率电路上应用，功率一般不足1W，图2—3所示的组件就是在太阳能风扇帽上的应用。透明PET层压板结构如图2．4所示。从图中可以看出，它的结构与环氧树脂胶封装组件大同小异，只是将环氧树脂胶改成了透明的PET’胶膜。PET是一种复合材料，具有很强的耐腐蚀、抗老化能力以及良好的透光率和电绝缘性能。一面是光面，另一面复合着．EVA胶膜，常温下EVA看起来像一层很薄的透明塑料纸，实际上EVA是一种特殊的胶膜，具有很高的透光性，在高温下融化，起黏结作用，把PET胶膜、太阳能电池片与印制电路板或其他背板材料黏合在了一起。形成一个类似于三明治的结构，既透光又具有良好的密封性，保护太阳能电池片不受各种腐蚀。这种封装形式与钢化玻璃封装形式一样，需要在生产电池组件专用的层压机里进行层压固化。其步骤为抽真空、加热、层压、固化等。由于封装工艺的不同，采用透明PET封装的电池组件要比环氧树脂胶封装的组件制作过程简单一些，工作寿命也稍长一些。采用PET胶膜封装工艺具有环保、耐紫外线和不发黄的优点，可取代环氧树脂封装工艺。太阳能PET层压板是太阳能电池板中的一种，只是封装方式不同。通过激光机把太阳能电池片切割成小片，根据客人需求的电压与电流进行排列，然后把单层透明PET、EVA、太阳能电池片、EVA、PCB底板按顺序放到太阳能真空层压机进行抽真空层压，经过二十多分钟左右拿出来，在表面贴一层柔软透明的薄膜保护表面，一块太阳能PET层压板就出来了。用途用于太阳能草坪灯,太阳能墙壁灯,太阳能工艺品,太阳能玩具,太阳能收音机,太阳能手电筒,太阳能手机充电器,太阳能小水泵,太阳能家用/办公用电源及便携式移动电源系统等产品。3．钢化玻璃层压组件钢化玻璃层压组件也叫平板式电池组件，如图2．5所示。是目前见得最多、应用最普遍的太阳能电池组件。钢化玻璃层压组件主要由面板玻璃、硅电池片、两层EVA胶膜、TPT背板膜及铝合金框和接线盒等组成，其结构如图2—6所示。面板玻璃覆盖在太阳能电池组件的正面，构成组件的最外层，它既要透光率高，又要坚固耐用，起到长期保护电池片的作用。两层EVA胶膜夹在面板玻璃、电池片和TPT背板膜过熔融和凝固的工艺过程，将玻璃与电池片及背板膜凝接成一体。TPT背板膜具有良好的耐气候性能，并能与EVA胶膜牢固结合。镶嵌在电池组件四周的铝合金边框既对组件起保护作用，又方便组件的安装固定及电池组件方阵间的组合连接。接线盒用黏结硅胶固定在背板上，作为电池组件引出线与外引线之间的连接部件。2．2．2建材型太阳能电池组件建材型太阳能电池组件分为单玻璃透光型电池组件、夹胶玻璃电池组件和中空玻璃电池组件等几种。它们的共同特点是可作为建筑材料直接使用，如窗户、玻璃幕墙和屋顶材料等，既可以采光，又可以发电。设计时通过调整组件上电池片与电池片之间的间隙，就可以确定室内需要的采光量。1．单面玻璃透光型电池组件单面玻璃透光型电池组件也叫玻胶透光型电池组件，外形如图2—7所示。这种组件主要用于建筑物窗户的采光玻璃，可单面或与普通钢化玻璃组合成中空玻璃使用，这种电池组件与普通电池组件的结构及制造过程相同，受光面也是用低铁超白钢化玻璃，但可以根据需要选择绒面或光面玻璃，玻璃厚度为3．2mm。背面采用透明PET复合胶膜，PE'I’复合胶膜除了有透明的外，还有红色、绿色、蓝色等彩色透明胶膜，可以使组件与建筑物颜色搭配协调。单面玻璃透光型电池组件的结构如图2．8所示。2．夹胶玻璃电池组件夹胶玻璃电池组件的电池片夹在两层玻璃之间，组件的受光面采用低铁超白钢化玻璃，背面采用普通钢化玻璃。其用作窗户玻璃时玻璃厚度可选择3．2mm×3．2mm；用作玻璃幕墙时根据单块玻璃尺寸大小，玻璃组合厚度可选择3．2mm×5mm、4mm×5mm、5mm×5mm等，用作玻璃屋顶时也要根据单块玻璃尺寸大小选择玻璃组合厚度为5mm×5mm、5mm×8mm、8mm×8mm等。夹胶玻璃电池组件在光伏屋顶和光伏幕墙的应用分别如图2．9和图2—10所示。夹胶玻璃电池组件的结构如图2．11所示。3．中空玻璃电池组件中空玻璃电池组件除了有采光和发电的功能外，还具有隔音、隔热、保温的功能，常用于作为各种光伏建筑一体化发电系统的玻璃幕墙电池组件，其外形如图2—12所示。中空玻璃电池组件是在单玻璃透光型电池组件和夹胶玻璃电池组件形式的基础上，再与一片玻璃组合而构成的。在组件与玻璃间用内部装有干燥剂的空心铝隔条隔离，并用丁基胶、结构胶等进行密封处理，把接线盒及正负极引线等也都用密封胶密封在前后玻璃的边缘夹层中，与组件形成一体，使组件安装和组件间线路连接都非常方便。中空玻璃组件同目前广泛使用的普通中空玻璃一样，同样能够达到建筑安全玻璃要求，中空玻璃电池组件的结构如图2．13所示。另外日本、欧洲等一些国家和地区，开始尝试用中空玻璃组件的封装形式开发可以回收电池片的电池组件。他们将中空玻璃两片玻璃之间的中空部分充入惰性气体或抽成真空状态。连接好的电池片放置于中空玻璃之间，电池片背面紧贴中空玻璃背玻璃的内表面，用可以拆卸的硅胶固定。这种封装方式没有使用EVA胶膜，也没有层压的工艺过程，有利于电池片的直接回收。但这种结构使电池片的受光面与面板玻璃之间有一定间隔，存在一个气体层，由于这个气体层与玻璃的折射率差别比较大，阳光入射到电池片表面经过这一气体层时反射较多，因此面板玻璃的内表面要作减反射处理。2。3太阳能电池组件的制造2．3．1电池组件的主要原材料及部件为便于大家对太阳能电池组件有更多的了解，下面就将制造该组件所需的主要原材料及部件的性能参数等分别进行介绍。电池组件采用的面板玻璃是低铁超白绒面钢化玻璃。一般厚度为3．2mm和4mm，建材型太阳能电池组件有时要用到5~10mm厚度的钢化玻璃，但无论厚薄都要求透光率在90％以上。低铁超白就是说这种玻璃的含铁量比普通玻璃要低，从而增加了玻璃的透光率。l司时从玻璃边缘看，这种玻璃也比普通玻璃白，普通玻璃从边缘看是偏绿色的。绒面的意思就是说这种玻璃为了减少阳光的反射，在其表面通过物理和化学方法进行减反射处理，使玻璃表面成了绒毛状，从而增加了光线的入射量。有些厂家还在玻璃表面涂布一层含纳米材料的薄膜，不仅可以增加透光减少光线反射，而且还有自洁功能，可以减少雨水、灰尘等对电池板表面的污染，保持清洁、减少光衰。钢化处理