農(nóng)田信息采集裝備用光伏電池封裝材料研究

陳永明 林萍 李杜

摘要：光伏電池封裝材料直接影響到農(nóng)田信息采集裝備的穩(wěn)定性和投資成本。本文介紹了目前農(nóng)田信息采集裝備使用到的光伏電池的封裝技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。由于干電池或蓄電池儲(chǔ)能有限，不適合于長(zhǎng)時(shí)間工作，另外大面積地更換電池非常費(fèi)時(shí)與費(fèi)力，因此采用干電池或蓄電池的監(jiān)測(cè)手段往往只限制在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中。光伏電池可以通過獲取太陽(yáng)的能量對(duì)農(nóng)田信息采集裝備持續(xù)供給能量，這樣為信息采集裝備實(shí)現(xiàn)全天候農(nóng)田環(huán)境中農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀況監(jiān)測(cè)提供了可能。探討了光伏電池封裝技術(shù)和材料對(duì)農(nóng)田信息采集裝備性能的影響，并指出了農(nóng)田信息采集裝備用的光伏電池封裝材料未來發(fā)展的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田信息；采集裝備；光伏電池；封裝材料

中圖分類號(hào)：TQ325文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）08（b）-0000-00

傳統(tǒng)采用干電池或蓄電池的手段對(duì)農(nóng)田監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行供電，然而農(nóng)作物生長(zhǎng)周期一般都比較長(zhǎng)，因此需要監(jiān)測(cè)的時(shí)間也比較長(zhǎng)[1]。由于干電池或蓄電池儲(chǔ)能有限，不適合于長(zhǎng)時(shí)間工作，另外大面積地更換電池非常費(fèi)時(shí)與費(fèi)力，而且投資成本較大，因此采用干電池或蓄電池的監(jiān)測(cè)手段往往只限制在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中。光伏電池可以通過獲取太陽(yáng)的能量對(duì)農(nóng)田信息采集裝備持續(xù)供給能量，這樣為信息采集裝備實(shí)現(xiàn)全天候農(nóng)田環(huán)境中農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀況監(jiān)測(cè)提供了可能[2， 3]。

本文首先介紹目前農(nóng)田信息采集裝備中運(yùn)用到的光伏電池的封裝技術(shù)，然后介紹了農(nóng)田信息采集裝備中光伏電池的封裝材料包括：封裝膠和封裝膜的理化特性，指出了這些材料的在農(nóng)田中運(yùn)用的范圍。本文內(nèi)容可以為農(nóng)業(yè)科技工作者合理選用光伏電池材料來提高農(nóng)田信息采集裝備電能供給性能提供了參考。

1 封裝技術(shù)

目前，農(nóng)田信息采集裝備中使用到的光伏電池的封裝技術(shù)主要采用非玻璃封裝和玻璃封裝。

1.1 非玻璃封裝技術(shù)

非玻璃封裝技術(shù)[4]一般采用樹脂板、復(fù)合封裝膜、金屬膜等，然后利用真空加熱加壓手段，對(duì)光伏電池板進(jìn)行封裝。非玻璃封裝材料具有抗老化、質(zhì)量輕、柔韌性能好等的優(yōu)點(diǎn)，采用非玻璃封裝材料可以制作出柔性電池，但由于目前其所需加工工藝比較復(fù)雜且生產(chǎn)成本相對(duì)較高，因此非玻璃封裝技術(shù)沒有被廣泛推廣到農(nóng)田信息采集裝備電能供給用的光伏電池中。

1.2 玻璃封裝技術(shù)

玻璃封裝技術(shù)[5]一般采用乙烯-醋酸乙烯共聚物膜（Ethylene-Vinyl Acetate Copolymer， EVA）、熱塑性聚氨酯薄膜（Thermoplastic Polyurethane， TPU）、聚乙烯醇縮丁醛膜（Polyvinyl Butyral， PVB）等原料來生成封裝材料。玻璃封裝光伏電池時(shí)，將敷設(shè)好的光伏電池放入層壓機(jī)內(nèi)，通過真空抽氣機(jī)將光伏電池板組件內(nèi)的空氣抽出，然后加熱使膠膜熔化，熔化后的膠膜將電池、玻璃和背板粘接在一起，冷卻取出組件，加上金屬邊框后，完成光伏電池的制作。相對(duì)于非玻璃封裝材料而言，其具有的顯著特點(diǎn)包括：成本較低、加工工藝簡(jiǎn)單，因此玻璃封裝技術(shù)被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和加工農(nóng)田信息采集裝備電能供給的用光伏電池中。

2 封裝材料

目前，農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備中用于光伏電池的封裝材料主要包括：封裝膠和封裝膜。

2.1 封裝膠

封裝膠可以防止光伏電池在農(nóng)田環(huán)境中受到水汽、灰塵、農(nóng)藥等侵蝕的影響。下面主要討論了農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備中常用的三種光伏電池封裝膠包括：環(huán)氧樹脂膠（Epoxy Resin）、有機(jī)硅膠以及丙烯酸樹脂膠（Acrylic Acid Resin））等的性能及其適用范圍。

2.1.1 環(huán)氧樹脂膠

環(huán)氧樹脂指含有兩個(gè)或兩個(gè)以上環(huán)氧基團(tuán)，良好的粘接性、絕緣性和耐腐蝕性等的諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用光伏電池組件封裝中[6， 7]。但由于聚合物中網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的存在，造成了其阻氧性能、防水性能都比較低，因此必須解決芳香環(huán)抗紫外輻射的性能，目前較好的解決辦法是在環(huán)氧樹脂中添加紫外光接收劑，防止環(huán)氧樹脂膠在長(zhǎng)期紫外光照射下黃變，提高了耐候性，使得環(huán)氧樹脂膠可以被應(yīng)用用于農(nóng)田環(huán)境下的光伏電池中[12]。

2.1.2 有機(jī)硅膠

有機(jī)硅膠兼具有機(jī)性能和無(wú)機(jī)特性。有機(jī)硅膠的Si-O 鍵長(zhǎng)為0.193nm，比C-C （0.154nm）的長(zhǎng)，鍵對(duì)側(cè)基轉(zhuǎn)動(dòng)的位阻?。籗i-O-Si 的鍵角（145°） 比C-C-H及H-C-H的鍵角（109°）大，這使得Si-O之間易發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，鏈段之間相對(duì)比較柔順，即使在-60℃的低溫環(huán)境下，有機(jī)硅膠也能保持良好的性能，因此有機(jī)硅膠可以適應(yīng)于冬季氣候較低的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備應(yīng)用中[8]。

2.1.3 丙烯酸樹脂膠

丙烯酸樹脂是由丙烯酸酯類和甲基丙烯酸酯類以及其它烯屬單體共聚制成的樹脂，但是，丙烯酸樹脂分子呈現(xiàn)出線形結(jié)構(gòu)，且缺少交聯(lián)點(diǎn)，導(dǎo)致材料在耐水性、耐候性、抗熱性指標(biāo)都較低，因此丙烯酸樹脂膠光伏電池不適合于直接運(yùn)用于開放式的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用中。有研究顯示，有機(jī)硅材料的添加使得丙烯酸樹脂光伏電池在農(nóng)田環(huán)境信息采集裝備中的應(yīng)用成為了可能，但其性能有待于農(nóng)業(yè)科技工作者進(jìn)一步驗(yàn)證。

2.2 封裝膜

農(nóng)田環(huán)境信息采集裝備中應(yīng)用到的常見的光伏電池封裝膜有：乙烯-醋酸乙烯共聚物膜、熱塑性聚氨酯薄膜、聚乙烯醇縮丁醛膜等。

2.2.1 乙烯-醋酸乙烯共聚物薄膜

乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）薄膜具有良好的柔軟性和橡膠性質(zhì)的彈性，在低于-60℃溫度下仍能保持較好的撓性，因此EVA薄膜光伏電池可以被應(yīng)用于冬季氣候較低的農(nóng)田環(huán)境信息采集裝備中；目前EVA薄膜是作為封裝農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備中能源供給用的光伏電池中最主要材料。

2.2.2 熱塑性聚氨酯薄膜

目前，提出的拜耳材料技術(shù)可以消除熱塑性聚氨酯薄膜交聯(lián)時(shí)間，這樣可以很大程度上減輕熱塑性聚氨酯薄膜真空層壓機(jī)的負(fù)荷，有助于簡(jiǎn)化熱塑性聚氨酯薄膜的生產(chǎn)工藝和減低其生產(chǎn)成本，使得到熱塑性聚氨酯薄膜可以被廣泛應(yīng)用于農(nóng)田環(huán)境信息采集裝備中能源供給用的光伏電池中去。

3 結(jié)語(yǔ)

目前，EVA材料仍然是封裝農(nóng)田信息采集裝備中能源供給用的光伏電池的主要材料，但隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷改善，新型優(yōu)質(zhì)的材料生產(chǎn)成本和周期也將會(huì)進(jìn)一步減少，其它一些新型封裝用的材料（如PVB）在農(nóng)田信息采集裝備用到的光伏電池中應(yīng)用比例也將會(huì)逐漸增大，新型封裝材料的應(yīng)用將進(jìn)一步提升農(nóng)田信息采集裝備的總體性能。

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