光伏玻璃釉膜及環(huán)境性能影響*

馬欣彤 馬小鵬 楊中英

(1 西安建筑科技大學(xué)華清學(xué)院 西安 710043)(2 咸陽(yáng)陶瓷研究設(shè)計(jì)院有限公司 陜西 咸陽(yáng) 712000)

綠色環(huán)保能源在當(dāng)今社會(huì)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中愈發(fā)突出和重要。2018年全國(guó)光伏發(fā)電新增裝機(jī)容量4 426萬k W,累計(jì)并網(wǎng)容量達(dá)1.74億k W,約占電源總裝機(jī)的9%;目前我國(guó)的太陽(yáng)能和風(fēng)電的裝機(jī)總量為6.35億k W,約占全球總裝機(jī)容量的50%多;到2040年,世界上最大電力來源或取自太陽(yáng)能,屆時(shí)光伏的裝機(jī)容量將占到全球電量的15%～20%[1～3]。目前,光伏電池的發(fā)電成本高于傳統(tǒng)的火力和水力發(fā)電,提高發(fā)電效率是降低成本的重要手段。我國(guó)是綠色能源利用量最多的國(guó)家,光伏發(fā)電對(duì)中國(guó)政府承諾的到2035年實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”目標(biāo)承擔(dān)著重要的使命。

我國(guó)的太陽(yáng)能資源非常豐富,有2/3的國(guó)土面積每年的日照時(shí)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(guó)太陽(yáng)能資源分布如圖1所示[4]。2020年光伏玻璃產(chǎn)能為27 423 t/d,而需求量達(dá)31 702 t/d,2020年第四季度起光伏玻璃的市場(chǎng)供應(yīng)出現(xiàn)短缺現(xiàn)象,目前和光伏玻璃生產(chǎn)有關(guān)的在建和擬建項(xiàng)目有19個(gè),總規(guī)模超170億元[5],我國(guó)光伏玻璃的市場(chǎng)進(jìn)入了快速增長(zhǎng)期。

圖1 中國(guó)太陽(yáng)能資源分布

太陽(yáng)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(yáng)電池充分吸收光能,并且保護(hù)太陽(yáng)電池免遭各種不利因素的影響。背板光伏玻璃是支撐、保護(hù)太陽(yáng)電池的重要的部件,關(guān)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(wǎng)格狀高反射率釉膜,經(jīng)過燒制成無機(jī)材料性狀反射釉面,可以使光伏電池的發(fā)電效率提高約2%[6]。有資料表明,太陽(yáng)能光伏電池的發(fā)電效能提高1%,發(fā)電成本可以降低7%,可見高反射率釉面帶來的經(jīng)濟(jì)效益是顯著的。

圖2 光伏組件的結(jié)構(gòu)圖

光伏組件長(zhǎng)久置于自然環(huán)境中,易受到多種氣候因素破壞,從而影響發(fā)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(chǎn)生反應(yīng)的成分,紫外線強(qiáng)烈照射使封裝材料老化,長(zhǎng)時(shí)間露天放置使得光伏組件的水汽隔阻性、絕緣性、抗風(fēng)沙磨損性、耐腐蝕性和機(jī)械強(qiáng)度均會(huì)降低,如何減少設(shè)計(jì)使用期(一般為25年)內(nèi)受自然侵害的損害程度(即提高耐候性),是光伏組件的重要?dú)夂颦h(huán)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(diào)節(jié)劑。熔劑為無機(jī)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(huán)氧樹脂或丙烯酸樹脂或聚氨酯樹脂的水性基料。調(diào)節(jié)劑主要有流平劑、增稠劑、消泡劑、潤(rùn)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(jié)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(tǒng),再適量添加其他熔劑氧化物以滿足設(shè)計(jì)要求。通常由以下三個(gè)系列[7～10]試驗(yàn)獲得。

1.2.1 KNa-Ca-Zn-Si體系

傳統(tǒng)的配方設(shè)計(jì)范圍,得到的熔劑粉末物理化學(xué)性能穩(wěn)定,適應(yīng)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(shù)低,化學(xué)穩(wěn)定性好,能較好地發(fā)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(fā)揮了硼硅酸鹽熔融體可形成低共熔物質(zhì)的特性,能夠形成良好的熔劑,有較好的開發(fā)前景。硼硅酸鹽熔劑有許多優(yōu)良的特性,能夠賦予光伏釉膜較好的使用性。硼硅酸鹽的結(jié)構(gòu)完整性好且致密度高,膨脹系數(shù)較小,因此具有良好的抗熱沖擊性,同時(shí)具有較高的抗折強(qiáng)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(huán)境放置。此外硼硅酸鹽熔劑融化溫度低、節(jié)能,易使乳濁劑產(chǎn)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(dān)著將熔劑和增白劑鏈接起來,并且具有一定的流動(dòng)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(tuán)以實(shí)現(xiàn)水性化的樹脂[11～13],而溶劑部分是去離子水而非揮發(fā)性溶劑(如二甲苯、甲苯、工業(yè)酒精等)。2005年開始,包括我國(guó)在內(nèi)的世界多國(guó)對(duì)揮發(fā)性有機(jī)化合物VOC(Volatile Organic Compounds)的控制納入到了法律法規(guī),限制使用溶劑型[14～16]油墨(料漿)。水性連接料溶液是環(huán)保型無毒物質(zhì)、不釋放揮發(fā)性成分、不污染作業(yè)環(huán)境,是目前涂料、油漆行業(yè)主推的連接料和研發(fā)優(yōu)化的重要原材料。

1.4 絲網(wǎng)印釉膜料漿的制作

向?qū)Ｓ萌萜髦型度胫苽浯玫娜蹌⒍趸伜腿ルx子水,加入適量潤(rùn)濕分散劑,用高速攪拌器(4 000 r/min)打成漿狀,然后用砂磨機(jī)進(jìn)行超細(xì)粉碎,待D97平均粒徑達(dá)到2～5μm 時(shí)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(shí)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(jī)研磨并均化。漿料中含固量應(yīng)滿足72%～74%,粘度值(旋轉(zhuǎn)粘度計(jì))達(dá)到40 000～50 000 P,制成絲網(wǎng)印釉膜料漿待用。

1.5 應(yīng)用

用絲網(wǎng)方式將料漿印刷在背板光伏玻璃上,在馬弗爐內(nèi)燒制,在690～720℃下保持95 s左右。燒制的樣品直觀判斷應(yīng)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(yīng)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(xì)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(shí),附著力達(dá)到0～1級(jí),反射率78%以上,膨脹系數(shù)為85×10-7/℃左右。而這些要求應(yīng)作為日常檢查指標(biāo)。

2.2 反射釉膜其他技術(shù)要求

燒成后的釉膜為白色反射釉層,長(zhǎng)久置于室外自然環(huán)境中,務(wù)必經(jīng)受各種因素?fù)p害,因此還應(yīng)測(cè)試以下性能指標(biāo):耐濕熱性能、黃變指數(shù)、耐中性鹽霧性能、耐濕凍性能、耐熱循環(huán)性能、耐酸霧試驗(yàn)(SO2)、耐紫外性能、PCT 加速老化試驗(yàn)、耐氨氣試驗(yàn)、耐熱沖擊性能、紫外濕凍老化試驗(yàn)、紫外熱循環(huán)老化試驗(yàn)、紫外濕熱老化試驗(yàn)。

2.3 應(yīng)用常見問題

光伏玻璃釉膜在大生產(chǎn)應(yīng)用時(shí)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(wǎng)版過早損壞、久置料油離析等,應(yīng)依據(jù)實(shí)際狀況具體分析解決。

3 環(huán)境性能

氣候環(huán)境性能是光伏組件的重要技術(shù)要求。我國(guó)地域廣大,同期地區(qū)間環(huán)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(xiàng)不小的挑戰(zhàn),如何使光伏組件不受損壞,就要了解哪些環(huán)境因素影響它的發(fā)電功能和使用壽命。圖4為我國(guó)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(guó)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(qiáng),華南、華東地區(qū)潮濕多雨,西北地區(qū)及內(nèi)蒙古大部多風(fēng)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(guó)最低氣溫分布圖

前板和背板玻璃易受冰雹、強(qiáng)風(fēng)的沖擊影響;玻璃成分為鈉鈣硅基礎(chǔ)體系,在極端潮濕環(huán)境下易產(chǎn)生水解,生成硅酸溶膠和氫氧化鈉,從而導(dǎo)致反射膜開裂、起皺并脫落;極端低溫不僅會(huì)產(chǎn)生結(jié)冰損壞反射膜,還使封裝材料發(fā)生隱裂、低冷脆、脫層現(xiàn)象;強(qiáng)烈的紫外線照射會(huì)使封裝材料發(fā)生脫乙烯反應(yīng),生成烯烴和乙酸,嚴(yán)重影響組件壽命。因此,通過調(diào)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(lián)劑以增強(qiáng)抗紫外線、提高粘結(jié)力、拓寬適應(yīng)溫度范圍,提高抗老化能力與使用壽命。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)太陽(yáng)能資源豐富,光伏玻璃發(fā)電產(chǎn)業(yè)有著較好的發(fā)展基礎(chǔ)。在光伏背板玻璃上燒制無機(jī)反射膜,可以產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。無機(jī)反射釉膜由熔劑、增白劑、水性連接料溶液和調(diào)節(jié)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(huán)境性能對(duì)光伏組件有很大影響,應(yīng)該不斷提高改進(jìn),使其適應(yīng)自然環(huán)境性能。