一種新型BIPV光伏彩鋼板的研究

華夏易能（南京）新能源有限公司 ■ 衛(wèi)成剛 陸傳達(dá) 王奇

0 引言

隨著我國現(xiàn)代化及城市化建設(shè)進(jìn)程的加快，越來越多新技術(shù)及新材料被運(yùn)用到建筑領(lǐng)域[1-2]。在光伏建筑一體化(BIPV)領(lǐng)域，薄膜光伏組件較傳統(tǒng)的晶體硅光伏組件有著獨特的優(yōu)勢[3-4]，大力推廣薄膜光伏組件在BIPV領(lǐng)域的應(yīng)用顯得尤為重要。由于建設(shè)大規(guī)模光伏幕墻的初期投資成本較高，另外還需要改變設(shè)計師傳統(tǒng)的設(shè)計觀念，推廣難度較大，因此，如何將薄膜光伏組件與現(xiàn)已廣泛使用的建筑材料完美結(jié)合成為當(dāng)前的研究重點。國內(nèi)已有一種光伏彩鋼板的研究專利，是通過一系列的設(shè)計巧妙地將新型建筑材料——輕鋼結(jié)構(gòu)彩鋼板與薄膜光伏組件完美結(jié)合，從而得到這種新型的功能型綠色建筑材料[5-6]。由于其具有環(huán)保發(fā)電的功能，目前受到越來越多的關(guān)注和研究。

本文將開發(fā)一種由薄膜光伏組件和彩鋼夾芯復(fù)合板有機(jī)結(jié)合的新型BIPV光伏彩鋼板及光伏彩鋼單元，并將該產(chǎn)品融入彩鋼板的連續(xù)生產(chǎn)線中，實現(xiàn)BIPV光伏彩鋼板的自動化生產(chǎn)。

1 實驗

1.1 薄膜光伏組件與彩鋼板的結(jié)合設(shè)計

彩鋼板通過邊口成型后，作為背面板，將帶有支撐的薄膜光伏組件放置其內(nèi)部，然后通過聚氨酯發(fā)泡實現(xiàn)彩鋼板與組件的結(jié)合固定，最終完成產(chǎn)品[7]。圖1為該BIPV光伏彩鋼板的設(shè)計圖及實物圖。

圖1 BIPV光伏彩鋼板設(shè)計圖及實物圖

1.1.1 背面板邊口成型設(shè)計

將彩鋼板放置在下開卷機(jī)，經(jīng)過夾送結(jié)構(gòu)傳輸進(jìn)入鋼板成型機(jī)，在成型機(jī)中直接軋制背面板，通過多道成型工藝最終實現(xiàn)邊口成型[8]。鋼板成型機(jī)是保證尺寸精度和板型的重要設(shè)備，對于板材的安裝精度來說極為重要。鋼板成型機(jī)寬度采用固定形式，在生產(chǎn)背面板時，應(yīng)確保機(jī)器不跑偏，達(dá)到幾何形狀規(guī)范。通過鋼板成型機(jī)，可將薄膜光伏組件牢固地鑲嵌在彩鋼板中，為后續(xù)的發(fā)泡及成型奠定基礎(chǔ)，降低建設(shè)二次成本。圖2 為背面板邊口成型圖及鋼板成型機(jī)實物圖。

圖2 背面板邊口成型圖及鋼板成型機(jī)實物圖

1.1.2 聚氨酯發(fā)泡設(shè)計

聚氨酯主要由聚醚多元醇(A)和異氰酸酯(B)雙組份通過一定的配比混合發(fā)泡而成。聚醚多元醇和異氰酸酯分別通過槍頭注入，然后經(jīng)過加壓和一定時間的發(fā)泡凝固。聚氨酯發(fā)泡生產(chǎn)設(shè)備配有可隨時顯示工作狀態(tài)、液位、溫度、壓力、流量、原料配比及布料往復(fù)速度等各種參數(shù)的控制窗口，且可根據(jù)生產(chǎn)線速度及生產(chǎn)工藝實現(xiàn)流量、壓力、布料往復(fù)速度的自動閉環(huán)調(diào)整，以確保發(fā)泡的品質(zhì)。本研究中，聚氨酯雙組份的物理性質(zhì)如表1所示，其按重量配比混合為 A∶B=100∶(140～180)。

表1 聚氨酯雙組份的物理性質(zhì)

聚氨酯發(fā)泡的反應(yīng)時間也是控制聚氨酯發(fā)泡品質(zhì)的一個重要因素。本研究對JAZ-01型聚氨酯發(fā)泡的反應(yīng)時間進(jìn)行了較為詳細(xì)的實驗，結(jié)果如表2所示。

表2 JAZ-01型聚氨酯發(fā)泡各階段反應(yīng)時間

通過對聚氨酯發(fā)泡配比和發(fā)泡反應(yīng)時間的研究，得到了品質(zhì)較好的聚氨酯有機(jī)材料，其各項性能基本可滿足BIPV光伏彩鋼板的生產(chǎn)要求。JAZ-01型聚氨酯泡沫的性質(zhì)如表3所示。

發(fā)泡的難點在于控制比例分配和壓力調(diào)節(jié)。由于發(fā)泡時的壓力較高，玻璃體存在碎裂的可能，可通過調(diào)節(jié)發(fā)泡壓力、設(shè)計減壓緩沖墊等方案來解決這一難題。圖3為聚氨酯發(fā)泡后的樣品圖及剝離狀況。

表3 JAZ-01型聚氨酯泡沫的性質(zhì)

圖3 聚氨酯發(fā)泡后的樣品圖及剝離狀況

1.2 預(yù)留接線盒和引線設(shè)計

發(fā)泡之前，先將背面彩鋼板打好孔，放置薄膜光伏組件后，引線穿過該孔，在孔邊緣放置1個墊子，防止后序發(fā)泡泄漏。背面板預(yù)留接線凹槽，以便引線通過。圖4 為BIPV 光伏彩鋼板的接線盒及引線設(shè)計圖。

圖4 BIPV 光伏彩鋼板的接線盒及引線設(shè)計

1.3 光伏彩鋼板各單元的連接固定設(shè)計

BIPV光伏彩鋼板各單元采用橫向或豎向搭接。將BIPV光伏彩鋼板單元用自攻釘固定在墻面檁條上，2個獨立的BIPV光伏彩鋼板單元之間的縫隙先填充防火/保溫材料，然后打膠水，用U型壓片縫條，打螺栓固定，然后再放1個卡鍵嵌合，完成單元對接和收邊。如此設(shè)計可形成良好的保溫區(qū)間，隔斷熱橋，保溫效果明顯。

2 結(jié)果與分析

為驗證上述設(shè)計方案的可靠性，本實驗共制作樣品8塊(編號為1#～8#)，按照光伏組件測試標(biāo)準(zhǔn)，分別對樣品進(jìn)行組件電性能測試、絕緣耐壓測試及濕漏電測試[9]。

2.1 組件電性能測試

本測試使用德雷射科太陽能模擬器，在測試前進(jìn)行了校準(zhǔn)，以減小誤差。每塊樣品測試次數(shù)為10次，結(jié)果取平均值，具體測試結(jié)果如表4所示。

表4 組件電性能測試結(jié)果

由表4可知，與標(biāo)準(zhǔn)版的數(shù)據(jù)比較，BIPV光伏彩鋼板樣品的電性能并未有明顯下降，這說明薄膜光伏組件經(jīng)過彩鋼夾芯復(fù)合板壓合等工藝后，仍可滿足一般薄膜光伏組件的發(fā)電功能。

2.2 組件絕緣耐壓測試

本測試項目是測定組件中的載流部分與組件邊框或外部空間之間的絕緣是否良好，測試設(shè)備為標(biāo)準(zhǔn)測試儀器，具體測試結(jié)果如表5所示。

表5 組件絕緣耐壓測試結(jié)果

組件絕緣耐壓測試結(jié)果漏電電流值＜50 μA即視為通過。由表5可知，所有樣品均通過測試，都達(dá)到了絕緣要求。

2.3 組件濕漏電測試

本測試項目是評價組件在潮濕工作條件下的絕緣性能，驗證雨、霧、露水或融雪的潮氣等不能進(jìn)入組件的工作部分。測試設(shè)備為標(biāo)準(zhǔn)測試儀器，選擇組件4邊的中點位置a、b、c、d作為測試點。樣品中，部分組件含有封裝膠膜EVA，部分組件不含EVA，將二者的測試結(jié)果進(jìn)行對比。具體測試結(jié)果如表6所示。

組件濕漏電測試電阻＞51 MΩ即視為通過。由表6的數(shù)據(jù)可以看出，EVA能起到保護(hù)組件不受水汽侵入影響的作用，提高了組件的安全可靠性。因此，后續(xù)樣品制作及產(chǎn)品生產(chǎn)將采用EVA封裝方式。

經(jīng)過重復(fù)性測試，得出了該BIPV光伏彩鋼板的基本性能參數(shù)[10-12]，如表7所示。

表6 組件濕漏電測試結(jié)果

表7 BIPV光伏彩鋼板的基本性能參數(shù)

后續(xù)研究將針對組件的散熱性能對BIPV光伏彩鋼板進(jìn)行改良。一方面，對薄膜光伏組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，用散熱性能更好的材料取代背板玻璃；另一方面，在彩鋼板四周合理設(shè)計散熱通風(fēng)孔，便于BIPV光伏彩鋼板發(fā)散熱量，降低溫度升高對組件發(fā)電功率下降的不利影響。

3 結(jié)論

本文主要開發(fā)了一種主體為薄膜光伏組件/聚氨酯(PU)/彩鋼板的“三明治”結(jié)構(gòu)的BIPV建筑材料，利用彩鋼板成型結(jié)構(gòu)技術(shù)，將薄膜光伏組件和彩鋼夾芯板二者有機(jī)結(jié)合，并利用聚氨酯發(fā)泡材料進(jìn)行粘接，實現(xiàn)了薄膜光伏組件的機(jī)械支撐和該類組件之間的有效互連，同時保證了整個BIPV光伏彩鋼板的機(jī)械性能和熱工性能。經(jīng)過組件電性能測試、絕緣耐壓測試及濕漏電測試等可靠性測試，該BIPV光伏彩鋼板單位面積輸出功率≥65 W，絕緣耐壓性好，濕漏電測試(含EVA封裝膠膜)電阻＞51 MΩ，粘結(jié)強(qiáng)度≥0.09 MPa，燃燒性能達(dá)到B2級，耐火等級為二級，基本滿足國家建筑標(biāo)準(zhǔn)的要求。這種新型的BIPV光伏彩鋼板將成為一種兼具發(fā)電功能的時尚、綠色、低碳的建筑材料，滿足高端鋼結(jié)構(gòu)綠色建筑的需要。