光伏玻璃釉膜及環境性能影響*

馬欣彤 馬小鵬 楊中英

(1 西安建筑科技大學華清學院 西安 710043)(2 咸陽陶瓷研究設計院有限公司 陜西 咸陽 712000)

綠色環保能源在當今社會、經濟運行中愈發突出和重要。2018年全國光伏發電新增裝機容量4 426萬k W,累計并網容量達1.74億k W,約占電源總裝機的9%;目前我國的太陽能和風電的裝機總量為6.35億k W,約占全球總裝機容量的50%多;到2040年,世界上最大電力來源或取自太陽能,屆時光伏的裝機容量將占到全球電量的15%～20%[1～3]。目前,光伏電池的發電成本高于傳統的火力和水力發電,提高發電效率是降低成本的重要手段。我國是綠色能源利用量最多的國家,光伏發電對中國政府承諾的到2035年實現“碳達峰”目標承擔著重要的使命。

我國的太陽能資源非常豐富,有2/3的國土面積每年的日照時間都在2 200 h 以上,并且具有5 000 MJ/m2以上的年輻射量,能夠提供較好的光能資源,我國太陽能資源分布如圖1所示[4]。2020年光伏玻璃產能為27 423 t/d,而需求量達31 702 t/d,2020年第四季度起光伏玻璃的市場供應出現短缺現象,目前和光伏玻璃生產有關的在建和擬建項目有19個,總規模超170億元[5],我國光伏玻璃的市場進入了快速增長期。

圖1 中國太陽能資源分布

太陽能光伏組件由5部分組成,如圖2所示。光伏玻璃的主要功能是利用玻璃自身的高透光性使太陽電池充分吸收光能,并且保護太陽電池免遭各種不利因素的影響。背板光伏玻璃是支撐、保護太陽電池的重要的部件,關乎光伏組件的壽命。置于背板光伏玻璃上的光伏電池單元件有間隙空位,在空位上印刷網格狀高反射率釉膜,經過燒制成無機材料性狀反射釉面,可以使光伏電池的發電效率提高約2%[6]。有資料表明,太陽能光伏電池的發電效能提高1%,發電成本可以降低7%,可見高反射率釉面帶來的經濟效益是顯著的。

圖2 光伏組件的結構圖

光伏組件長久置于自然環境中,易受到多種氣候因素破壞,從而影響發電效率和壽命。如極端天氣——冰雹、冷凍、沙塵。大氣水分易于和前、后板玻璃產生反應的成分,紫外線強烈照射使封裝材料老化,長時間露天放置使得光伏組件的水汽隔阻性、絕緣性、抗風沙磨損性、耐腐蝕性和機械強度均會降低,如何減少設計使用期(一般為25年)內受自然侵害的損害程度(即提高耐候性),是光伏組件的重要氣候環境性能。

1 光伏玻璃用釉膜

1.1 釉膜料漿的組成

光伏用高反射率釉膜的料漿由4部分組成,即熔劑(熔塊)、增白劑、水性連接料溶液和調節劑。熔劑為無機低溫粉末材料,由易熔氧化物組成。增白劑采用二氧化鈦粉末。連接料溶液通常選取以水為溶劑的環氧樹脂或丙烯酸樹脂或聚氨酯樹脂的水性基料。調節劑主要有流平劑、增稠劑、消泡劑、潤濕分散劑等。

1.2 熔劑

光伏玻璃的基本組成是鈉-鈣-硅體系,為了使反射釉膜與背板光伏玻璃結合牢固,熔劑的主體成分接近背板玻璃成分的鈉-硼-鈣-硅組成系統,再適量添加其他熔劑氧化物以滿足設計要求。通常由以下三個系列[7～10]試驗獲得。

1.2.1 KNa-Ca-Zn-Si體系

傳統的配方設計范圍,得到的熔劑粉末物理化學性能穩定,適應面較廣,但是釉膜溫度偏高。

1.2.2 P(V)-B-Sr-Zn體系

添加V2O5部分取代P2O5,有效降低熔化溫度和提高物化性能。該熔劑體系的軟化溫度和膨脹系數低,化學穩定性好,能較好地發揮增白劑的作用,但原料成本偏高。

1.2.3 B(KNa)-Ca(Sr)-Zn-Si體系

該體系熔劑成分較多,充分發揮了硼硅酸鹽熔融體可形成低共熔物質的特性,能夠形成良好的熔劑,有較好的開發前景。硼硅酸鹽熔劑有許多優良的特性,能夠賦予光伏釉膜較好的使用性。硼硅酸鹽的結構完整性好且致密度高,膨脹系數較小,因此具有良好的抗熱沖擊性,同時具有較高的抗折強度和表面硬度。硼硅酸鹽不但具有很好的耐酸堿性,而且抗水解性高,適合露天環境放置。此外硼硅酸鹽熔劑融化溫度低、節能,易使乳濁劑產生良好的效果。

熔劑的制作工藝如圖3所示。

圖3 熔劑的制作工藝

1.3 水性連接料溶液

水性連接料溶液是釉膜料漿的重要組成部分,承擔著將熔劑和增白劑鏈接起來,并且具有一定的流動性和粘度,能夠均勻分散形成漿狀膠粘體,并能印刷成膜于背板光伏玻璃上。水性連接料溶液(也稱聚合物乳液)的主要組分為具有親水基團以實現水性化的樹脂[11～13],而溶劑部分是去離子水而非揮發性溶劑(如二甲苯、甲苯、工業酒精等)。2005年開始,包括我國在內的世界多國對揮發性有機化合物VOC(Volatile Organic Compounds)的控制納入到了法律法規,限制使用溶劑型[14～16]油墨(料漿)。水性連接料溶液是環保型無毒物質、不釋放揮發性成分、不污染作業環境,是目前涂料、油漆行業主推的連接料和研發優化的重要原材料。

1.4 絲網印釉膜料漿的制作

向專用容器中投入制備待用的熔劑、二氧化鈦和去離子水,加入適量潤濕分散劑,用高速攪拌器(4 000 r/min)打成漿狀,然后用砂磨機進行超細粉碎,待D97平均粒徑達到2～5μm 時滿足要求。

向D97平均粒徑為2～5μm 的漿料中加入聚合物乳液及添加劑(必要時添加流平劑或增稠劑或消泡劑),采用專用攪拌器(2 000 r/min)制漿,三輥機研磨并均化。漿料中含固量應滿足72%～74%,粘度值(旋轉粘度計)達到40 000～50 000 P,制成絲網印釉膜料漿待用。

1.5 應用

用絲網方式將料漿印刷在背板光伏玻璃上,在馬弗爐內燒制,在690～720℃下保持95 s左右。燒制的樣品直觀判斷應是潔白高反射、不掉粉、平整無針孔、邊緣無齒狀。

2 釉膜性能要求和應用常見問題

2.1 釉膜料漿性能要求

釉膜料漿為稠漿狀物,它的粘度、細度、含固量如前文所述,在燒成溫度690～720℃下保持95 s左右,釉膜厚度25～30μm 時,附著力達到0～1級,反射率78%以上,膨脹系數為85×10-7/℃左右。而這些要求應作為日常檢查指標。

2.2 反射釉膜其他技術要求

燒成后的釉膜為白色反射釉層,長久置于室外自然環境中,務必經受各種因素損害,因此還應測試以下性能指標:耐濕熱性能、黃變指數、耐中性鹽霧性能、耐濕凍性能、耐熱循環性能、耐酸霧試驗(SO2)、耐紫外性能、PCT 加速老化試驗、耐氨氣試驗、耐熱沖擊性能、紫外濕凍老化試驗、紫外熱循環老化試驗、紫外濕熱老化試驗。

2.3 應用常見問題

光伏玻璃釉膜在大生產應用時最常見的問題有[6、17]:附著力不合格、印刷釉漿面不勻、印刷尺寸不合格、釉漿層邊緣缺陷、針孔、印版漏漿、網版過早損壞、久置料油離析等,應依據實際狀況具體分析解決。

3 環境性能

氣候環境性能是光伏組件的重要技術要求。我國地域廣大,同期地區間環境條件差距很大,要保持光伏組件在戶外正常工作25年,并使其性能維持在原有的80%以上,是一項不小的挑戰,如何使光伏組件不受損壞,就要了解哪些環境因素影響它的發電功能和使用壽命。圖4為我國2018年1月29日08∶00～1月31日08∶00最低氣溫分布,可以看出此刻我國東北大部和新疆北端氣溫＜-28℃,這兒的極端低溫在-38℃以下。青海、西藏不但冷且紫外線輻射也很強,華南、華東地區潮濕多雨,西北地區及內蒙古大部多風沙,夏季冷熱交換天氣頻多。

圖4 2018年1月29日08∶00～1月31日08∶00我國最低氣溫分布圖

前板和背板玻璃易受冰雹、強風的沖擊影響;玻璃成分為鈉鈣硅基礎體系,在極端潮濕環境下易產生水解,生成硅酸溶膠和氫氧化鈉,從而導致反射膜開裂、起皺并脫落;極端低溫不僅會產生結冰損壞反射膜,還使封裝材料發生隱裂、低冷脆、脫層現象;強烈的紫外線照射會使封裝材料發生脫乙烯反應,生成烯烴和乙酸,嚴重影響組件壽命。因此,通過調整玻璃組成來提高和改善光伏玻璃的透光性、耐水化性能和減少紫外線的透過率,通過向封裝材料加入不同性能的添加劑和偶聯劑以增強抗紫外線、提高粘結力、拓寬適應溫度范圍,提高抗老化能力與使用壽命。

4 結語

我國太陽能資源豐富,光伏玻璃發電產業有著較好的發展基礎。在光伏背板玻璃上燒制無機反射膜,可以產生良好的經濟效益。無機反射釉膜由熔劑、增白劑、水性連接料溶液和調節劑組成,作為無毒、無污染綠色中間材料,能夠安全使用。氣候環境性能對光伏組件有很大影響,應該不斷提高改進,使其適應自然環境性能。