新型太陽能光伏玻璃（超白玻璃）的研制與開發(fā)

河南思可達光伏材料股份有限公司 林春平 楊海洲 陳二林

新型太陽能光伏玻璃（超白玻璃）的研制與開發(fā)

河南思可達光伏材料股份有限公司 林春平 楊海洲 陳二林

為了生產(chǎn)出與太陽能電池相配套的蓋板材料，研制開發(fā)適用于太陽能電池封裝使用的特種玻璃已成為企業(yè)科研的主攻方向。影響太陽能電池光電轉(zhuǎn)換率和使用壽命的關(guān)鍵問題是玻璃透過率低、玻璃質(zhì)地易脆。筆者在研制過程中，以低鐵、高白、高透過率作為研制的主攻方向，在物料配方、工藝技術(shù)方面有了新的突破，研制出了高白、高透過率玻璃，能夠滿足太陽能電池組件的封裝要求。本項目引進特定的壓延機組，配備先進配料系統(tǒng)、熔窯系統(tǒng)、退火系統(tǒng)和冷端先進的切裁鋼化系統(tǒng)和必要的檢測系統(tǒng)，建設(shè)一條日熔化量80t，年產(chǎn)300萬m2的新型太陽能光伏玻璃（超白玻璃）生產(chǎn)線，以滿足國內(nèi)太陽能電池生產(chǎn)企業(yè)對蓋板材料的需求，替代進口產(chǎn)品。

一、技術(shù)方案

1.原料系統(tǒng)技術(shù)方案。原料系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)：碎玻璃含量25%～35%，玻璃獲得率82%。

原料系統(tǒng)研發(fā)過程中存在的最大難題是配料精度和避免游離鐵的進入。我們通過查閱大量的國內(nèi)外資料和反復(fù)的試驗，在配料精度方面對三大主料采用上海班弛公司提供的PLC控制系統(tǒng)，小料采用高精度電子秤，配料精度達到0.01g，全過程中采用電腦控制自動下料，有效地保證了配料準(zhǔn)確度。在避免游離鐵進入方面，除制定嚴格的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)和科學(xué)的質(zhì)量保證體系外，大量的工作是對傳統(tǒng)設(shè)備設(shè)計的創(chuàng)新和改進，首先是對配料混合機的改進。經(jīng)過反復(fù)試驗和論證，我們最后選定用鑄石做內(nèi)襯，進行混料機的改進。該材質(zhì)屬于一種非金屬產(chǎn)品，具有一般金屬所不能達到的耐磨、耐酸和耐堿性能，耐磨強度比鋼鐵大15～20倍，耐酸度除氫氟酸外能達到99%，耐堿度達98%以上，該方案有效避免了原料混合過程中游離鐵的帶入，使用效果良好。同時在斗式提升機、儲料倉等現(xiàn)場輸送儲存設(shè)備的選型和選材方面作了改進，多方面有效地避免了游離鐵的引入。

2.熔窯系統(tǒng)技術(shù)方案。熔化區(qū)采用重油加熱，冷卻部、通路采用天然氣和液化氣，火焰方式為馬蹄焰，根據(jù)熔窯的不同位置，選用相應(yīng)的耐火材料砌筑，整個熔化系統(tǒng)由儀表實現(xiàn)PID全自動控制。熔化部火焰區(qū)壁用41#氧化法電熔鋯剛玉磚，冷卻部池壁用33#氧化法電熔鋯剛玉磚，以延長窯齡。熔化部大碹用優(yōu)質(zhì)硅磚。蓄熱室格子體選用堿性磚和高密度高鋁磚。采用編藍式碼放，提高蓄熱能力。熔窯本體各部位采用優(yōu)質(zhì)的耐火材料。

3.壓延系統(tǒng)技術(shù)方案。玻璃液從熔窯尾端溢流口溢出后，經(jīng)溢流格和托磚流到壓延機的上下壓延輥間，壓延輥中間通冷卻水，使流經(jīng)上下壓延輥間的玻璃液迅速冷卻，由液態(tài)變成塑性狀態(tài)，當(dāng)玻璃從正在轉(zhuǎn)動的上下壓輥的間隙出來時，形成所要求厚度的玻璃板。壓延輥與玻璃帶之間的摩擦為使玻璃帶運動，出壓輥的玻璃帶經(jīng)過托板水箱的冷卻和托輥的拖動，然后經(jīng)過活動輥道進入連續(xù)退火窯中退火。

筆者公司采用國內(nèi)最先進的SZKJ-2200型玻璃壓延機，該設(shè)備獲得國家知識產(chǎn)權(quán)局四項專利，各項性能均達到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

4.退火窯系統(tǒng)技術(shù)方案。采用全鋼全電結(jié)構(gòu)退火窯，各區(qū)溫度實現(xiàn)自動化控制。

5.冷卻切割技術(shù)方案。采用全電腦、自設(shè)自控切割機，確保精度。冷端主線設(shè)置主線輸送輥道、發(fā)訊裝置、一臺縱切機、一臺橫切機、掰斷、加速輥道、人工掰邊、清風(fēng)吹掃裝置及氣墊桌，采用人工抬板。

6.精切技術(shù)方案。采用全電腦、自設(shè)自控切割機，確保精度，再經(jīng)過精確的磨邊加工，制成所需的毛坯產(chǎn)品。

7.全自動鋼化方案。采用國際最先進的全電腦控制、全自動連續(xù)鋼化爐進行最先進的5mm以下鋼化處理，制成符合需要的太陽能板材料。

8.檢驗系統(tǒng)技術(shù)方案。采用在線透光率檢測儀器，實現(xiàn)全自動聯(lián)網(wǎng)控制。

二、主要研究內(nèi)容及關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)

1.物料配方的創(chuàng)新有效降低了鐵的引入。玻璃液中鐵含量的高低是影響透光率的主要因素，鐵含量越低，透過率越高。在研制過程中，降低鐵含量是主要技術(shù)研制課題。在原料選用上，采用了高純石英砂、純堿、碳酸鉀、硝酸鉀等精細化工原料占主要成分的原料選用制度。石英砂經(jīng)酸洗后，鐵含量控制在了25PPm以下，其他精細化工原料中鐵含量<0.001%。在原料配比過程中，為杜絕原料接觸鐵器而增加鐵含量，對所有原料進行了內(nèi)外袋包裝，配料工具全部采用鋁制品，窯頭、料倉、投料機全部以不銹鋼為材質(zhì)，混合機內(nèi)、原料料倉及各種運料工具均采用鋁制品包裹，有效杜絕了原料與鐵直接接觸。

2.多點溫度控制技術(shù)的創(chuàng)新保證了溫度制度的精細控制。新型太陽能光伏玻璃（超白玻璃）生產(chǎn)中影響玻璃液流的關(guān)鍵溫度點為料毯溫度、熱點溫度、冷卻部池底溫度等，它們直接影響熔化澄清效果，玻璃液流的穩(wěn)定以及下道工序的溫度。筆者公司最終采用以單獨的熱點碹頂溫度作為控制的標(biāo)準(zhǔn)點，根據(jù)的玻璃液流溫度，探索出各溫度點的變化規(guī)律、影響程度以及溫度變化時各點之間的關(guān)系，準(zhǔn)確給出校正因子并帶入控制系統(tǒng)，既有效保證了正常作業(yè)條件下溫度制度的精細控制，也保證了生產(chǎn)過程中熔窯各關(guān)鍵溫度點的相對穩(wěn)定。

3.窯爐結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新技術(shù)徹底解決了玻璃液的污染問題。為了保證液流的穩(wěn)定與否，需要在窯爐內(nèi)設(shè)計一個特殊的阻擋液流裝置，統(tǒng)稱為窯坎。而窯坎位置和高度確定的合適與否，會直接影響到玻璃液流的穩(wěn)定。通過對窯坎不同位置的速度場窯坎距池底400mm、700mm、1000mm等不同高度的速度場，有無窯坎的溫度場對比進行了反復(fù)的模擬試驗，最終將窯坎位置選擇在碹頂熱點面，窯坎高度為720mm，起到了降低池底溫度、削弱環(huán)流的回流速度，從而穩(wěn)定液流的作用。在玻璃液熔化過程中，通常因換火造成油品煅燒不完全，未燃燒完全的洞口殘質(zhì)會附著于玻璃液表面而造成玻璃液污染，對玻璃成品的透過度影響很大。為解決這一問題，考慮采用在窯爐澄清部前端設(shè)置隔墻的做法。將隔墻設(shè)計為33#AZS無縮孔電熔磚隔墻，改傳統(tǒng)的直通式為45°傾斜半透熱式隔墻，玻璃液通過隔墻時因受阻力較大形成環(huán)流，經(jīng)過濾后再進澄清部，從而徹底解決了玻璃液污染的問題。

4.采用玻璃液面智能測控系統(tǒng)控制技術(shù)，有效抑制了液面波動。為了有效減少玻璃液面波動，在研發(fā)過程中，采用了目前國內(nèi)最先進的玻璃液面智能測控系統(tǒng)控制技術(shù)，通過影像控制系統(tǒng)控制玻璃液面的高度。如液面波動超出設(shè)定要求，計算機控制系統(tǒng)將會自動加料。高科技玻璃液面智能測控技術(shù)的應(yīng)用，有效地抑制了液面的波動。

5.自主研發(fā)正六角和正四角形花紋，有效地抑制了太陽光的反射，比超白、高透過度玻璃陽光接受率高出2個百分點，透光率達到92%以上；科學(xué)的物料配方，增強了產(chǎn)品的強度和柔韌度，使用壽命可達30年以上。

6.變頻器備用供電系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計：在市電電壓大幅波動、瞬間停電的情況下能正常不間斷工作，從而大幅度地減少停機造成的大量直接損失及間接損失。

為實現(xiàn)以上目的，采用一種備用電源，其特征在于，正常條件下系統(tǒng)的測控有兩路獨立的電源，一路由交流市電供電，正常運行系統(tǒng)由它供電，另一路由直流供電母線電壓經(jīng)DC/DC模塊供電，正常運行該系統(tǒng)處于零負荷狀態(tài)。直流供電由4個系統(tǒng)組成，包括：蓄電池組系統(tǒng)的儲能元件、自動化智能充電及電池組管理系統(tǒng)、系統(tǒng)測控、系統(tǒng)配電。

根據(jù)變頻器工作原理：交流變直流，直流變交流，將備用直流電源接到變頻器中直流變交流系統(tǒng)。在直流供電系統(tǒng)運行時數(shù)個高頻充電器并行向電池組實施浮充電，測控系統(tǒng)處于運行狀態(tài)并在HMI上動態(tài)顯示各參數(shù)。

7.自主研究用1Cr18Ni9Ti材料制作水箱式托磚架，解決了新型太陽能光伏玻璃（超白玻璃）生產(chǎn)過程中托磚斷裂的現(xiàn)象，使生產(chǎn)規(guī)格不受任何限制，也使筆者公司成為國內(nèi)唯一的一家生產(chǎn)1000mm以上規(guī)格太陽能光伏玻璃（超白玻璃）的單位。

玻璃壓延機在生產(chǎn)普通壓花玻璃領(lǐng)域內(nèi)，技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但是在生產(chǎn)新型太陽能光伏玻璃（超白玻璃）的過程中，存在著一種致命的缺陷，就是其前面的托磚容易斷裂。由于新型太陽能光伏玻璃（超白玻璃）的透明度非常高，托磚斷裂后在玻璃表面上產(chǎn)生一種暗印，甚至是一道明線，好像玻璃刀拉過一樣，嚴重影響玻璃的質(zhì)量。現(xiàn)在各低鐵、超白玻璃生產(chǎn)線全部存在這種問題，都在集中物力、人力解決，甚至走進了很多誤區(qū)，有的在托磚上作文章，黏土磚不行，換硅線石磚，再不行換莫來石磚，結(jié)果投入不小，沒有結(jié)果，而且經(jīng)常試磚造成了生產(chǎn)不正常。另一種情況由于低鐵超白玻璃液黏性較大，在生產(chǎn)3.2mm玻璃時壓不下去，甚至出現(xiàn)將上部壓緊螺栓拉斷的現(xiàn)象。我們組織技術(shù)人員全面分析原因，從包括唇磚用各種耐火材料性能、生產(chǎn)現(xiàn)場的環(huán)境以及熱膨脹因素等方面入手，最后確定此缺陷的產(chǎn)生原因為唇磚架變形所致。然后組織相關(guān)技術(shù)人員針對原因，對原有的唇磚進行了改造，通過改變冷卻方式為水冷和更改關(guān)鍵部位截面形狀，從根本上解決了唇磚斷裂的發(fā)生，用該工藝改造的壓延機使用任何一種唇磚均不斷裂，從而使生產(chǎn)板面的幅面不受限制。

三、技術(shù)成熟度

筆者公司與中國凱盛公司合作就窯爐熔化、成型、退火、原料系統(tǒng)結(jié)合超白玻璃特點，創(chuàng)新設(shè)計一套能夠滿足新型太陽能光伏玻璃（超白玻璃）生產(chǎn)的獨特工藝。原料系統(tǒng)采用PLC控制，保證了配料精度；熔窯采用重油作為燃燒介質(zhì)以馬蹄焰作為燃燒方式，并在熔窯內(nèi)腔設(shè)置特殊的玻璃液隔墻裝置，有效解決了玻璃液均化問題；成型采用國內(nèi)先進的具有四項專利技術(shù)的壓延機，在生產(chǎn)過程中又根據(jù)實際生產(chǎn)技術(shù)需要，采用了穿管式冷卻和對唇磚托架結(jié)構(gòu)的改造，保證了板面的平整和規(guī)格精度，以上技術(shù)使筆者公司成國內(nèi)唯一的一家生產(chǎn)1000mm以上規(guī)格玻璃的單位；同時解決了國內(nèi)壓延生產(chǎn)的超技術(shù)難題（改進了因壓延生產(chǎn)托磚斷裂造成生產(chǎn)規(guī)格的局限性），在生產(chǎn)實踐中摸索出了適合筆者公司生產(chǎn)技術(shù)要求的一整套科學(xué)合理的退火工藝，保證了玻璃板的退火質(zhì)量，并對切裝工段實施在線檢測。經(jīng)過半年多的生產(chǎn)，產(chǎn)品產(chǎn)量達到設(shè)計要求，產(chǎn)品質(zhì)量能夠滿足國內(nèi)、外組件業(yè)的要求，在成本和質(zhì)量方占有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，環(huán)保達標(biāo)，經(jīng)濟、社會效益顯著。

四、同類產(chǎn)品試驗比較

筆者公司產(chǎn)品面市后，通過國家石英玻璃質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心檢驗，各項指標(biāo)滿足組件業(yè)要求，通過國內(nèi)權(quán)威機構(gòu)的性能試驗，各項性能指標(biāo)優(yōu)于同行先進企業(yè)，具體對比如下：

測試材料：A：河南思可達3月27日新型太陽能光伏玻璃1574×802×3.2（mm3）。

B：河南思可達4月7日鋼化鍍膜玻璃1574×802×3.2（mm3）。

C：常熟幸福鋼化的耀皮玻璃1574×802×3.2（mm3）。

1.儀器測試。測試方法:將一標(biāo)準(zhǔn)組件放置于上海交通大學(xué)太陽能研究所JD-10型太陽能電池組件測試儀上，然后分別將A、C放置于測試儀和組件中間進行測試，測試結(jié)果顯示A、C輸出功率分別為160.99W和164.03W。

測試結(jié)果表明A沒有C的效果好。

2.做組件測試。

（1）將5片B和5片C用隨機抽取的電池片做成10個組件，然后在上海交通大學(xué)太陽能研究所JD-10型太陽能電池組件測試儀上進行測試，結(jié)果顯示用B做成的組件的平均輸出功率為187.01W，用C做成的組件的平均輸出功率為184.01W。

測試結(jié)果表明B比C的效果好。

（2）將3片A、3片B和3片C用隨機抽取的電池片做成9個組件，然后在上海交通大學(xué)太陽能研究所JD-10型太陽能電池組件測試儀上進行測試，結(jié)果顯示用A做成的組件的平均輸出功率為181.09W，用B做成的組件的平均輸出功率為182.53W，用C做成的組件的平均輸出功率為178.09W。

測試結(jié)果表明B比A的效果好、A比C的效果好。