光伏組件層壓機的加熱方式研究及發展趨勢展望

傅家勤

(上海申科技術有限公司，上海 201709)

0 引言

隨著我國光伏產業的發展越來越成熟，規模不斷壯大，從光伏產品的生產設備到光伏產品的質量都需要進一步提升，才能滿足迅速發展的市場需求。由于市場對光伏組件質量的要求越來越高，且光伏組件的面積也越來越大，因此對光伏組件層壓機的要求也隨之提高。光伏組件層壓機是光伏組件生產過程中的核心設備，其主要作用是將鋼化玻璃板、EVA、連接好的單體太陽電池、EVA、光伏組件背板通過真空熱壓成型的方式壓合成光伏組件。光伏組件層壓機的加熱方式，以及其在層壓過程中的溫度控制精度、溫度均勻性等都與光伏組件的質量密切相關[1]。

當光伏組件的鋼化玻璃板進入層壓機腔室后，其未被層壓前容易受熱發生嚴重的翹曲變形，形變量在30 mm以上；且此時由于鋼化玻璃板處于正壓力為零的半自由狀態，整體光伏組件也會處于受熱不均勻的狀態，從而導致成品光伏組件中間區域的交聯度超過95%，而邊角區域的交聯度最低的甚至低于60%，嚴重不達標。毫無疑問，通過改進光伏組件層壓機的加熱方式來提升光伏組件的層壓效果和層壓質量，對光伏產業的發展有至關重要的作用。

本文對光伏組件層壓機的常規加熱方式進行了介紹，對其優、劣勢進行了分析；并主要論述了針對常規加熱方式的弊端進行改進得到的新型加熱方式，即點陣式電加熱方式及雙面電加熱方式的優勢，然后對未來光伏組件層壓機的發展趨勢進行了展望。

1 常規加熱方式

目前，光伏組件層壓機加熱系統采用的加熱方式主要為油加熱方式和電加熱方式，這2種加熱方式都各有優、劣勢，下文進行詳細介紹。

1.1 油加熱方式

采用油加熱方式的加熱系統是由油鍋爐、加熱器、加熱板(封裝平臺)、膨脹油箱、熱油泵、加熱功率控制器和鉑電阻溫度傳感器等組成；油加熱方式是利用導熱油或其他介質對加熱板進行間接加熱，傳熱效果較好[2-3]。由于該加熱方式對溫度的控制要求是恒溫，因此只控制1個加熱板參考點的溫度或控制1爐油的溫度即可，屬于間接控制方式。而加熱板溫度的均勻性取決于管路的布局、管徑的大小、壓力的高低(導熱介質流速的大小)等。加熱負載的特性屬于沖擊性加熱，即其工作狀態是對冷的鋼化玻璃板進行加熱，在光伏組件完成封裝后離開加熱區，冷的“進”和熱的“出”交替，周而復始。所以對于光伏組件的生產而言，層壓機采用油加熱方式是最簡單、實用的方法。

目前，國內的層壓機大多采用油加熱的方式。但由于導熱油介質的特殊性，油加熱方式存在污染環境、易燃、易爆等問題，而且還會受到油加熱系統的管路布局和溫度控制等方面技術的限制。

1.2 電加熱方式

采用電加熱方式的加熱系統是一種以熱傳導方式傳熱的系統。電加熱方式是將電加熱棒插入到碳素鋼加熱板內進行加熱，加熱速度快，操作方便；而且相較于油加熱方式，電加熱方式還具有效率高、能耗低、設備占地面積小的優點。

但是電加熱方式的熱傳導過程容易形成溫度梯度，造成層壓過程中光伏組件受熱不均勻的現象；另外，電加熱方式是加熱棒直接接觸加熱板，容易造成加熱板變形和加熱器損壞；同時，該加熱方式的傳熱效果會受到電加熱棒和加熱板接觸效果的影響。

由于電加熱方式有效避免了導熱油傳遞熱量的環節，因此從光伏組件的整個層壓過程來看，采用電加熱方式的層壓機(下文簡稱“電加熱層壓機”)的加熱系統的平均能耗遠小于采用油加熱方式的層壓機(下文簡稱“油加熱層壓機”)的加熱系統的平均能耗，因此從節約能源的角度考慮，電加熱方式的性價比更高，也是未來光伏組件層壓機的發展方向[4]。

2 新型加熱方式

針對光伏組件層壓機采用的常規油加熱方式及電加熱方式的弊端，對加熱方式進行革命性改進，提出了光伏組件層壓機的新型加熱方式，即點陣式電加熱方式和雙面電加熱方式。下文對這2種加熱方式進行詳細介紹。

2.1 點陣式電加熱方式

點陣式電加熱方式是在加熱板中直接嵌入陶瓷電加熱器，以熱傳導的方式產生熱量，此種情況下，全部的電能釋放在加熱板中，提高了熱能的有效利用率。在采用高溫導線作為電導線的條件下，除了對加熱板的工作面，還對層壓機的上、下真空腔室外側等均采取了一定的保溫措施，以減少車間的散熱，同時還可以提高加熱板整體溫度的均勻性，其溫度補償范圍縮小至±5 ℃。

在采用點陣式電加熱方式的層壓機(下文簡稱“點陣式電加熱層壓機”)中，尺寸為12000 mm×2800 mm的加熱板采用了12800個獨立的加熱器，按品字形分布，劃分為60個加熱區域；每個加熱區域的溫控點切換以光伏組件的擺放位置為準，加熱板的溫度控制精度可達±1 ℃；在加熱板的有效加熱面積11800 mm×2600 mm內，靜態(指模擬工況下加熱過程中)光伏組件表面測溫點的溫度均勻度達到±1.5 ℃，動態(指正常層壓過程中)光伏組件表面測溫點的溫度均勻度小于等于±2.5 ℃。在保證加熱溫度均勻性的基礎上，點陣式電加熱方式有效提高了加熱器自身的壽命，點陣式電加熱層壓機在服役過程中創造了連續工作11年未檢修的成績。

相比于油加熱層壓機，點陣式電加熱層壓機的優勢主要體現在節能、安全、環保這3個方面。

1)節能。點陣式電加熱層壓機省去了油加熱層壓機配套的油鍋爐、熱油泵等設備，因此在相同產能情況下，相較于油加熱層壓機，點陣式電加熱層壓機的加熱系統能耗可節約30%以上。同時，由于點陣式電加熱方式的散熱相對更少，因此在車間的環境溫度控制方面又避免了一定的能源消耗。

2)安全。采用油加熱方式時，當導熱油加熱至220～240 ℃時，遇到空氣中的塵埃會起火燃燒，存在嚴重的安全隱患；同時，油加熱層壓機采用了油鍋爐及熱油循環方式的加熱系統，該加熱系統為三類壓力容器，會增加生產成本，并且其安全問題也不容忽視。但點陣式電加熱層壓機不存在這些問題。

3)環保。油加熱層壓機在安裝調試、定期維護、更換導熱油時都會不可避免的造成油污污染。但點陣式電加熱層壓機不存在這些問題。

點陣式電加熱層壓機已經完全擁有了油加熱層壓機的各項優點，并彌補了油加熱層壓機的缺陷，成為光伏組件層壓機的一個重要發展方向。

2.2 雙面電加熱方式

采用雙面電加熱方式的層壓機(下文簡稱“雙面電加熱層壓機”)是在點陣式電加熱層壓機的基礎上發展起來的主要適用于雙玻光伏組件的層壓機。與點陣式電加熱層壓機相比，二者的主要區別在于：雙面電加熱層壓機的腔室上蓋具有紅外線輻射加熱功能，利用輻射加熱可以使真空腔體中的光伏組件受熱更均勻；下腔室仍然采用點陣式電加熱方式，通過上、下腔室形成的熱輻射和熱傳導，使進入真空腔體中的光伏組件能夠均勻、迅速地交聯，減少因單一熱傳導方式引起的光伏組件翹曲或光伏組件背板受熱緩慢的問題[5]。而且，采用此種加熱方式，真空腔體內的光伏組件四周邊緣均能快速加熱，光伏組件的最大加熱溫度可達到200 ℃。

在當前社會對所有生產企業均有節能降耗要求的形勢下，雙面電加熱層壓機在加熱系統結構上的改進可以提高能源利用率，節約占地面積，提高了光伏組件的層壓質量，有效降低了光伏組件的生產成本。可以看出，雙面電加熱層壓機將是未來層壓機的發展方向之一[6-7]。

根據車間實測數據顯示：生產同種規格的光伏組件、其他工藝相同的情況下，在層壓過程中，雙面電加熱層壓機每層光伏組件的層壓電耗僅為油加熱層壓機每層光伏組件層壓電耗的50%，大幅降低了生產過程中的能量損耗，節約了能源。另外，雙面電加熱層壓機的出料鋁板帶有自動升降功能，其采用水冷冷壓系統，可以明顯改善層壓后光伏組件降溫速度慢的問題，大幅縮短了光伏組件的生產時間。

綜上所述可知，雙面電加熱層壓機可以做到光伏組件生產過程中的減時降耗，有效提高光伏組件層壓時的生產效率，并降低生產成本。同時，雙面電加熱層壓機工作過程中無污染、無噪音、易維護，使用壽命比常規電加熱層壓機長約2倍，更適于當前光伏組件層壓機市場的發展應用。

3 光伏組件層壓機的發展趨勢展望

由于針對光伏組件層壓機加熱方式的研究涉及到傳熱學理論，因此基于傳熱學理論知識，輔助以Ansys有限元分析軟件等模擬仿真的分析，通過理論和試驗的方式使層壓機的溫度精度控制和加熱溫度的均勻性有所提升；另外，智能化控制和自動化控制也是未來光伏組件層壓機的主要發展方向。

1)從光伏組件層壓機的性能方面考慮，仍需進一步提升層壓機的安全性和服役壽命，并提高溫度控制的精度等。

2)從企業節能降耗方面考慮，大面積、多腔室、單次實現多層層壓的立體封裝設備是光伏組件層壓機發展的主要方向。

4 結論

本文對光伏組件層壓機的常規加熱方式和新型加熱方式分別進行了介紹與對比分析。點陣式電加熱方式和雙面電加熱方式是針對常規加熱方式的弊端做出重大改進后提出的2種新型加熱方式，其對光伏組件層壓機的加熱溫度控制精度和設備生產效率有較大的提升，是光伏組件層壓機領域的重大研究進展。通過實踐證明：點陣式電加熱方式的溫度控制精度可達±1 ℃，且點陣式電加熱層壓機的服役壽命大于11年；相對于常規油加熱方式而言，雙面電加熱方式在縮短生產時間的同時，還可以節約電耗多達50%。