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太阳能电池模块的制造工艺和性能

信息来源:nooeoo.com  时间:2008-02-15  浏览次数:167

  标准的太阳能电池模块应在尽可能低的成本下获得最大功率输出。最常见的结构是用EVA(聚烯烃塑料)封装材料将玻璃和电池片粘贴在一起的薄片。这种模块具有固定的尺寸和输出功率。一般尺寸大小无特殊要求,以标准的框架装配,而在建筑一体化应用时就有其特殊的形状。一个典型的标准太阳能电池模块有36~72个电池组成,输出功率为50~140W。晶体硅电池通常分列为4排,形成尺寸为1×1.5m的长方形。但标准模块也可制成输出功率为340W,尺寸为2.5×1.25m。安装在特殊位置上的太阳能电池模快通常是定制的,例如太阳能建筑一体化的遮阳设施,太阳能电池模块玻璃面屋顶或建筑物幕墙等。用途决定其构造、形状和颜色。
  模块制造工艺
  因为每一个单独的太阳能电池功率都很小,因此模块内部都以电池串的形式联接在一起。每个电池的上面(负极)与下一个电池的背面(正极)焊接,虽然可以手工操作,但通常还是采用薄片串(Tapper-Sringers)的自动化工艺加工。
  每一串的末端都伸出最后一个电池的边缘以供电气联接。联接之后,脆弱的太阳能电池就需要加上适当的保护层以承受外部的机械应力,气候条件的变化和湿度等。因此人们首先在联接端嵌入透明的粘接材料粘贴,同时也进行绝缘。然后把电池串片夹在前面和背面两层薄片中。前面是对光线敏感面,材料必须是透明的,一般使用超白绒面玻璃,诸如高透光率的太阳玻璃。低离子(low ion)的太阳玻璃允许91%的入射光线穿透,近来开发的太阳玻璃穿透率达96%。其功率比标准的太阳玻璃高3.5%。PV电池背面是一种不透明的材料,欧洲的制造商一般采用一种叫TPT的箔,用多层PVF(聚氟乙烯)制成。亚洲的制造商倾向于使用金属氧化物作为背面材料。背面有时也用通常的硬化玻璃片制成。这种两面都透明的模块一般用作玻璃面的屋顶和建制物的幕墙。
  封装工艺在玻璃和太阳能电池之间提供了光学连接和保护。所选的材料应能粘贴上面和背面的薄层,而且其组分不会随时间的推移损害PV电池,也不会因紫外线和湿度而改变组分。因为发生任何半透明情况都会极大地降低模块的性能。粘贴必须保证牢靠,不会发生脱层。用于晶体硅电池的封装材料主要是EVA。PV电池串的EVA封装在真空室(真空层压器)里进行。一般包括三道工序:第一道工序是将所有的组件叠放在一起, 放入真空室(不能有任何气泡和错位),第二道工序是加热加压,(仍在真空状态下)此时箔开始融化,并完全包裹住电池,将所有的组件“沾湿”。第三道工序是再加热,使EVA相互交链,(crosslink) 这一道工序改变了聚合物的结构,使其在太阳光的充分照射下也不会再软化。软化会使太阳能电池组件移位。但有些制造商采用PVB(聚乙烯醇缩丁醛)箔作为封装材料,应用在玻璃-玻璃(前面-背面)的模块封装中。
  PVB是一种标准的层压玻璃用的安全材料。过去曾经用在光伏产业中,但因为其在水蒸气中会变得模糊而不受欢迎。但近来的研究表明PVB在玻璃——玻璃(前面——背面)的模块的制造中有其优势,而最新的PVB箔在保持透明度方面有与EVA同样的性能。PVB的另一个优点是用于玻璃面的屋顶和建筑一体化的幕墙时能满足建筑规范的要求。而EVA在粘接玻璃时因粘贴力太弱而不能满足上部冲击力的标准要求。PVB和其它热塑性材料在组件用完报废或损坏时可以回收用作再次封装的材料。
  偶尔也有用Teflon(特氟隆)作为封装材料,主要用于小量特殊的模块封装。在用为填充材料时模块尺寸可达2.5×3.8m。
  电压波动
  太阳能电池模块很少能在正常的操作条件下工作,因为阳光辐射和温度是不断变化的。额定的太阳能电池模块输出功率是按标准测试条件(STC)测得的,但这些条件很少能符合实际使用条件。因此其操作性能可能是额定功率的85%~90%。但有些模块功率也会高于额定值。
  阳光辐射会在最大程度上影响模块电流。当辐射量减小一半,功率也降低一半。而额定电压却保持相对稳定(当大量模块串联时其影响也会累积增大,电压会下降40V)。模块电压主要受温度变化的影响,在欧洲的STC条件下夏季的电压波动可达-8V,冬季时可达10V,当有大量模块串联时能达到100V。高温时功率会比在标准测试条件下降低35%。这就是为什么模块安装时必须保证其有良好的通风而且制造商也试图让产品具有最好的导热性能。
  热岛效应与旁通二极管
  在有些操作条件下,有阴影的太阳能电池会发热以至破坏电池,这就是所谓的热岛效应。当电池的某一部分被遮盖时就会发生这种情况,例如一片树叶落在太阳能电池模块上面时,被遮盖的电池显然就不产生电流,反而会成为一种负荷——使其它电池产生逆向电流。为了防止热岛效应扩大,就内置一个旁路-旁通二极管,将电流改道绕过这个被遮盖的电池。通常每18~20个电池设置一个旁通二极管。如果一个标准的太阳能电池模块有36~40个电池,就要设置二个旁通二极管,可以流过最大电流就是短路电流。在独立的PV电池模块中通常采用一个短路负荷控制器。框架能给模块以更加稳定的保护。框架一般用氧化铝或铝合金制成。对气候有最大的抗力和耐用性。但也有用银色和黑色的。
  正确选择模块
  在安装太阳能电池模块时主要考虑是否为并网装置,以及所需要的功率大小,阳光强度和安装位置的条件(如屋顶的倾斜度等)。装置大小由功率大小决定。最小的独立型装置功率只有几瓦,家用太阳能发电装置功率大约是2~4kW。大型太阳能建筑一体化的装置功率可能达到几百kW,而大型地面安装的装置可以达到几MW。此外安装模块处的纬度,朝向和倾斜度也有影响。
  一般而言10㎡的太阳能电池模块功率可达1kW,但也因太阳能电池所用材料而有所不同,1㎡单晶硅电池方阵所提供的有用功率为90~110kW/年,而1㎡三结薄膜太阳能电池提供的有用功率为60~80kW/年。
  其它要考虑的因素还有:在照射的光线较弱时模块的性能,模块安装地的温度,模块的自清洁能力(一般倾斜度为15度),模块化的结构(需要时现有的模块可以扩展),系统抗故意破坏的能力,回收的可能性,以及安装系统的适应性,框架的颜色等等。
  安装太阳能电池模块的简便性也很重要,与尺寸大小无关。安装公司及供应商都同样喜欢无故障的安装工程。
  当然,费用肯定是一个重要考虑因素。太阳能电池模块的质量保证是至关重要的。因此必须有合格的资质证明机构的质量保证文件。欧洲的质量标准一般为:IEC 61215,IEC61646等。
  来源:《光伏专刊》

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