有机硅胶在太阳能光伏组件领域的应用

编辑:wangyun 时间:2013年12月12日 访问次数:1908

有机硅胶在太阳能光伏组件领域的应用
陶小乐1郑苏秦1 高建军1 郑期瑞1  
1杭州之江有机硅化工有限公司,浙江杭州,311203)
 
摘要:本文综述了太阳能光伏产业的发展,以及光伏组件在电站和建筑上的应用,分析了有机硅密封胶在光伏组件上的应用现状,分析了相关产品的类型和性能。
关键词:有机硅密封胶,太阳能,光伏组件
 
从全球看,每一次经济危机之后孕育着新的科技革命,这一次也毫不例外,只是这一次的科技革命似乎是落在新能源革命上。太阳能、风能、生物质能、地热能、核聚变能、水能和海洋能以及由可再生能源衍生出来的生物燃料和氢所产生的能量都是新能源,相对于传统能源,新能源普遍具有污染少、储量大的特点,对于解决当今世界严重的环境污染问题和资源(特别是化石能源)枯竭问题具有重要意义。而太阳能产业以光伏和光热产业两大方向为基础,这场太阳革命正在向纵深发展。
当前各发达国家都在努力发展光伏发电项目,欧洲的百万屋顶计划,美国的光伏建筑计划,日本的阳光屋顶计划等等,我国政府也相继出台了《可再生能源法》、《国家中长期科技发展规划纲要(2006-2020年)》(国发[2005]44号)、《可再生能源中长期发展规划》(发改能源[2007]2174号)和《可再生能源发展专项资金管理办法》(财建[2006]237号),《金太阳示范工程财政补助资金管理暂行办法等一系列法规,进一步促进光伏发电产业技术进步和规模化发展,培育战略性新兴产业
美国迄今最大的太阳能发电站——德索托下一代太阳能中心(Desoto Next Generation Solar Energy Center)10月27日正式投入使用耗资1.5亿美元建造,计划为大约3000户家庭和企业供电据悉,德索托下一代太阳能中心的发电量仅占佛罗里达电力及照明公司(公司为400万多用户供电)总发电量的极少部分,尽管如此,25兆瓦仍是美国第二大太阳能发电站的近两倍。
据西班牙《世界报》报道,西班牙ACCIONA公司在葡萄牙建造的一座太阳能光伏电站近日投入使用,其总装机容量达46兆瓦,是目前世界上最大的太阳能光伏电站。据报道说,该电站位于葡萄牙南部的阿马雷莱雅地区,其发电能力能满足3万多户葡萄牙家庭的日常用电需求,相当于每年可以减少8.94万吨二氧化碳排放。
有机硅密封胶和灌封胶在这场太阳能光伏产业的巨大膨胀中,也得到了迅猛发展,其主要的应用领域是太阳能光伏组件框架和背板接线盒的粘接密封部位,灌封胶的主要应用是接线盒灌封。
 
1、 太阳能光伏组件框架和背板接线盒的粘接密封领域的技术要求和应用产品
1.1 太阳能光伏组件的构造
对于光伏组件,目前大致可以分为非聚光的平板太阳电池组件、聚光光伏发电组件和薄膜电池组件等三类。
而光伏组件用电池可以分为晶体硅电池(包括:单晶硅电池和多晶硅电池)、薄膜电池(包括:非晶硅电池和合金薄膜电池)。
其中晶体硅电池封装结构:玻璃/EVA or PVB /电池/EVA or PVB /TPT。非晶硅电池封装结构:玻璃+TCO(该透明导电玻璃,目前只有日本厂家能生产)/薄膜电池/EVA or PVB/PE or 玻璃。
2008年中国多晶硅产量4500t,硅锭/硅片产量20000t,太阳电池产量2300MW,光伏组件3000MW。每MW 电池耗材按9t计算:

生产环节
多晶硅材料
硅锭硅片
太阳电池
光伏组件
合并
国内成本(美元/Wp)
2.04
0.3
0.3
0.3
2.94
占成本(%)
69.4
10.2
10.2
10.2
100
国外成本(美元/Wp)
1.08
0.38
0.55
0.62
2.63
占成本(%)
41.1
14.4
20.9
23.6
100
国内成本/国外成本
1.89
0.79
0.55
0.48
1.12
国内成本-国外成本(美元
0.96
-0.08
-0.25
-0.32
0.31

 
1.2光伏组件在建筑上的应用
中国住房与建设部,中国幕墙协会等多家机构已经在不断推动光伏组件与建筑的结合,在建筑上应用的部位有光伏屋顶:利用原有建筑和标准光伏组件,实现发电;光伏幕墙:利用标准组件或双玻璃组件,实现发电;光伏建筑构件:光伏电池与建筑材料结合,成为建筑构件。
光伏与建筑结合方式分为附着式(BAPV)和镶嵌式(BIPV),前者施工简单,当前常用方式,适用已有建筑;后者施工复杂,适用新建筑,未来发展趋势。
 
1.3光伏组件在大型电站的应用
太阳能光伏电站,即指通过太阳能电池组件方阵将太阳能辐射能转换为电能的发电站。太阳能光伏电站按照运行方式可分为独立太阳能光伏电站和并网太阳能光伏电站。
未与公共电网相联接独立供电的太阳能光伏电站称为离网光伏电站。主要应用于远离公共电网的无电地区和一些特殊场所,如为边远偏僻农村、牧区、海岛、高原、沙漠的农牧渔民提供照明、看电视、听广播等基本的生活用电,为通信中继站、沿海与内河航标、输油输气管道阴极保护、气象电站、公路道班以及边防哨所等特殊处所提供电源。独立系统由太阳电池方阵、系统控制器、蓄电池组、直流/交流逆变器等组成。
与公共电网相联接且共同承担供电任务的太阳能光伏电站称为并网光伏电站。它是太阳能光伏发电进入大规模商业化发电阶段、成为电力工业组成部分的重要发展方向,是当今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。并网系统由太阳能电池方阵、系统控制器、并网逆变器等组成。
 
1.2 太阳能光伏组件框架粘接要求
太阳能光伏组件用胶从其应用环境来看,主要是在户外,必须满足使用环境外部地理气候条件的差异,也就为其性能特点提出了以下要求:
良好的耐候能力:能够耐受高低温环境考验,如西部省份,炎热干燥,如南部省份,高温潮湿,防潮、抗环境腐蚀能力;
良好的耐紫外线曝晒能力;耐黄变性;
良好的粘接能力(在UV照射,暴雨,大风,高低温环境);
良好的耐燃烧能力;
抗机械冲击热冲击、防震能力;
从施工应用上来讲,除了手动打胶外,密封胶必须能与高速XY表和自动点胶设备组合使用,提高光伏组件的成品效率。
市场上应用的光伏组件胶主要有脱酮肟和脱醇有机硅胶两类,其中脱酮肟以天山的1527,DC的PV804等为代表,例如尚德主要应用天山的有机硅胶,其后回天的906等也逐渐进入了市场,而DC的7091是最早采用的脱醇类硅胶,之江公司在应用的光伏组件胶上也有脱酮肟和脱醇两类。
脱醇类性能比较表1

性能指标
回天
HT 9661
道康宁
DC 7091
道康宁
DC PV 804
之江
光伏组件胶
  
颜色
白色膏状
白色膏状
白色膏状
白色膏状
相对密度(g/cm3,  25
1.35
1.4
1.4
1.37
表干时间(min)
15
15
30
15
完全固化时间(hr,  25
72~120
24
24
24
固化类型
单组份脱醇型
单组份脱醇型
单组份脱醇型
单组份脱醇型
 
 
固化后
硬度(Shore A
30
37
39
35
扯断伸长率(%
600
680
620
600
拉伸强度(MPa
~
2.5
2.6
2.0
体积电阻率(Ω·cm
≥5×1015
~
≥1×1015
≥1×1015
介电强度(kV/mm
≥18
15
16
≥16
介电常数(MHz
2.8
~
~
3.0
损耗因子(MHz
0.001
~
~
0.001
阻燃等级
UL94 HB
~
UL94 HB
UL94 HB
使用温度范围(
-50~150
~
~
-40~260

 
脱酮肟类性能比较表2

性能指标
回天HT906Z
道康宁780
天山1527
之江光伏组件胶
固化前
外观
白色膏状
白色膏状
白色膏状
白色膏状
相对密度(g/cm3
1.35-1.41
1.4
1.35
1.35
表干时间(min
5~10
25~90
5~15
15-25
完全固化时间 (d)
1~2
12
1
1~2
固化类型
单组分脱酮肟型
单组分脱酮肟型
单组分脱酮肟型
单组分脱酮肟型
硬度(Shore A)
50±2
33
~
35~45
抗拉强度(MPa
2±0.2
1.1
1.9
1.9
剪切强度(MPa
1.5±0.2
~
~
~
扯断伸长率(%
200300
~
400
350
剥离强度(N/mm
6
~
~
~
使用温度范围()
-60260
~
 -54~210
-50~250
体积电阻率  (Ω·cm)
≥5.0×1015
~
≥4.5×1015
≥2×1015
介电强度 (kV/·mm)
≥18
16
~
17
介电常数 (1.2MHz)
2.8
 
~
2.8

 
光伏组件厂商通常需要配套材料厂家提供SGS,UL,或者TUV认证等。其中UL测试要求提供FV-0级,也有的仅要求提供HB级。而TUV证书事实上是跟光伏组件相关的,密封胶厂家能够提供的只能是TUV的企业体系认证,而非太阳能组件所能提供的产品莱茵认证,例如EN IEC 61215 2005版是对地面用晶体硅光伏组件进行设计鉴定和定型; IEC 61730 2004版是对光伏组件进行安全鉴定,第一部分:结构要求,第二部分:测试要求;而IEC 61646 2008版对地面用薄膜光伏组件进行设计鉴定和定型。只有有机硅胶的产品应用到组件上,该组件获得认证,可以说密封胶产品质量是过关的,但并非是密封胶产品认证证书。
 
2、 接线盒灌封的技术要求和应用产品
太阳能光伏接线盒是介于太阳电池组件构成的太阳电池方阵和太阳能充电控制装置之间的连接器,是太阳能发电设备必不可少的配套部件,其灌封胶的性能概述如下:
 
 
户外耐候能力,耐受严寒、酷暑、大风暴雨等侵蚀;
抗老化能力;
耐阻燃性,UL 94 V0 或 V1级别;
绝缘能力强;
同时具有一定的导热能力,对旁路二极管起到散热保护的作用;
 
从施工应用的角度讲,产品要满足光伏组件加工的快速生产要求,一般如果是脱醇缩合类,室温固化,加成类是加热固化体系。市场上天山3153,如回天,道康宁,之江都能提供此类产品。
市场上常用的双组份有机硅灌封胶列表3如下:

性能指标
各厂家产品
回  天HT-5299W
道 康 宁
Sylgard 160
之  江
JS-A
之  江
JS-B
固化前
颜色
白色
深灰色
灰色
灰色
混合比(重量比)
10:1
1:1
1:1
1:1
混合后粘度(mPa·s,25℃)
6000
6400
4500
3500
室温可操作时间(min,25℃)
40
25
30
80
室温固化时间(h,25℃)
4
24
20
24
热固化时间(min/
10min/100℃
10min/100℃
50min/50
固化后
固化机理
缩合型
加成型
加成型
加成型
密度(g/cm3
1.57
1.52
1.57
硬度(邵氏A)
30
56
58
53
拉伸强度(Mpa)
2.0
线性热膨胀系数(µm/m·℃
220
200
230
275
导热系数(w/ m·k)
0.3
0.62
0.60
0.7
介电强度(kV/mm)
20
19
20
32
介电常数(100Hz)
3.15
3.51
 
2.72
体积电阻率(Ω·cm)
1015
5.6×1014
5.5×1014
1015
损耗因数(100Hz)
0.0047
0.0062
0.0186
阻燃级别
UL 94 V-1
UL 94 V-0
UL 94 V-0
UL 94 V-0

3、 结论
虽然新兴太阳能行业如火如荼,但是也存在多晶硅产能过剩,光伏组件厂商产能过剩利润率大幅下降等多种忧患。
最近,欧美将焦点转向中国太阳能的倾销问题,包括全球最大太阳能电池制造商德国Q-cells(2009年可能被尚德代替)、美国sunpower等大厂,都已向官方反映,期望当地政府能重视中国低价竞争对于本土业者的冲击。德国太阳能电池厂Conergy,solarworld等业者联合向德国政府与欧盟进行游说,认为中国太阳能业者受政府不当补贴,并以低价策略抢进其它市场,已经是倾销的行为,政府应对中国进行某种程度的制裁。而Q-cells执行长也曾表示,中国太阳能电池厂普遍不遵循环保标准,加上中国政府补贴支持,让中国、德国太阳能产业的竞争已经遭到扭曲
因此,这个产业虽然是有机硅胶的一个新兴应用领域,但其产业价值迅速跌落,对于有志进入该行业的企业应该进行充分的分析和考证。
 
 
 
 
参考文献:
 
[1] 中国太阳能光伏网(http://www.solar-pv.cn
[2] 《太阳能技术与应用》,2009.10 
[3] 道康宁网站 www.dowcorning.com.cn
[4] 内部资料
 
 
Silicone Adhesive Applied in Solar Photovoltaic Industry
Xiaole TaoJianjun Gao1 Caie Shen1 Zheng Suqin1 Jiang Xin1
1Hangzhou Zhijiang Silicone Chem. Co., 311203)
 
 
Abstract:The development of Sun Power PV industry has been discussed including the application of photovoltaic unit in power station and buildings. The application of Silicone Adhesive in PV has been analyzed about the type and properties of listed relative products.
Keywords:Silicone Adhesive, Solar Power, Photovoltaic unit