农田信息采集装备用光伏电池封装材料研究

陈永明 林萍 李杜

摘要：光伏电池封装材料直接影响到农田信息采集装备的稳定性和投资成本。本文介绍了目前农田信息采集装备使用到的光伏电池的封装技术的发展现状。由于干电池或蓄电池储能有限，不适合于长时间工作，另外大面积地更换电池非常费时与费力，因此采用干电池或蓄电池的监测手段往往只限制在实验室环境中。光伏电池可以通过获取太阳的能量对农田信息采集装备持续供给能量，这样为信息采集装备实现全天候农田环境中农作物的生长状况监测提供了可能。探讨了光伏电池封装技术和材料对农田信息采集装备性能的影响，并指出了农田信息采集装备用的光伏电池封装材料未来发展的趋势。

关键词：农田信息；采集装备；光伏电池；封装材料

中图分类号：TQ325文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）08（b）-0000-00

传统采用干电池或蓄电池的手段对农田监测设备进行供电，然而农作物生长周期一般都比较长，因此需要监测的时间也比较长[1]。由于干电池或蓄电池储能有限，不适合于长时间工作，另外大面积地更换电池非常费时与费力，而且投资成本较大，因此采用干电池或蓄电池的监测手段往往只限制在实验室环境中。光伏电池可以通过获取太阳的能量对农田信息采集装备持续供给能量，这样为信息采集装备实现全天候农田环境中农作物的生长状况监测提供了可能[2， 3]。

本文首先介绍目前农田信息采集装备中运用到的光伏电池的封装技术，然后介绍了农田信息采集装备中光伏电池的封装材料包括：封装胶和封装膜的理化特性，指出了这些材料的在农田中运用的范围。本文内容可以为农业科技工作者合理选用光伏电池材料来提高农田信息采集装备电能供给性能提供了参考。

1 封装技术

目前，农田信息采集装备中使用到的光伏电池的封装技术主要采用非玻璃封装和玻璃封装。

1.1 非玻璃封装技术

非玻璃封装技术[4]一般采用树脂板、复合封装膜、金属膜等，然后利用真空加热加压手段，对光伏电池板进行封装。非玻璃封装材料具有抗老化、质量轻、柔韧性能好等的优点，采用非玻璃封装材料可以制作出柔性电池，但由于目前其所需加工工艺比较复杂且生产成本相对较高，因此非玻璃封装技术没有被广泛推广到农田信息采集装备电能供给用的光伏电池中。

1.2 玻璃封装技术

玻璃封装技术[5]一般采用乙烯-醋酸乙烯共聚物膜（Ethylene-Vinyl Acetate Copolymer， EVA）、热塑性聚氨酯薄膜（Thermoplastic Polyurethane， TPU）、聚乙烯醇缩丁醛膜（Polyvinyl Butyral， PVB）等原料来生成封装材料。玻璃封装光伏电池时，将敷设好的光伏电池放入层压机内，通过真空抽气机将光伏电池板组件内的空气抽出，然后加热使胶膜熔化，熔化后的胶膜将电池、玻璃和背板粘接在一起，冷却取出组件，加上金属边框后，完成光伏电池的制作。相对于非玻璃封装材料而言，其具有的显著特点包括：成本较低、加工工艺简单，因此玻璃封装技术被广泛应用于生产和加工农田信息采集装备电能供给的用光伏电池中。

2 封装材料

目前，农田环境监测装备中用于光伏电池的封装材料主要包括：封装胶和封装膜。

2.1 封装胶

封装胶可以防止光伏电池在农田环境中受到水汽、灰尘、农药等侵蚀的影响。下面主要讨论了农田环境监测装备中常用的三种光伏电池封装胶包括：环氧树脂胶（Epoxy Resin）、有机硅胶以及丙烯酸树脂胶（Acrylic Acid Resin））等的性能及其适用范围。

2.1.1 环氧树脂胶

环氧树脂指含有两个或两个以上环氧基团，良好的粘接性、绝缘性和耐腐蚀性等的诸多优点，被广泛运用光伏电池组件封装中[6， 7]。但由于聚合物中网状结构的存在，造成了其阻氧性能、防水性能都比较低，因此必须解决芳香环抗紫外辐射的性能，目前较好的解决办法是在环氧树脂中添加紫外光接收剂，防止环氧树脂胶在长期紫外光照射下黄变，提高了耐候性，使得环氧树脂胶可以被应用用于农田环境下的光伏电池中[12]。

2.1.2 有机硅胶

有机硅胶兼具有机性能和无机特性。有机硅胶的Si-O 键长为0.193nm，比C-C （0.154nm）的长，键对侧基转动的位阻小；Si-O-Si 的键角（145°） 比C-C-H及H-C-H的键角（109°）大，这使得Si-O之间易发生转动，链段之间相对比较柔顺，即使在-60℃的低温环境下，有机硅胶也能保持良好的性能，因此有机硅胶可以适应于冬季气候较低的农田环境监测装备应用中[8]。

2.1.3 丙烯酸树脂胶

丙烯酸树脂是由丙烯酸酯类和甲基丙烯酸酯类以及其它烯属单体共聚制成的树脂，但是，丙烯酸树脂分子呈现出线形结构，且缺少交联点，导致材料在耐水性、耐候性、抗热性指标都较低，因此丙烯酸树脂胶光伏电池不适合于直接运用于开放式的农田环境监测应用中。有研究显示，有机硅材料的添加使得丙烯酸树脂光伏电池在农田环境信息采集装备中的应用成为了可能，但其性能有待于农业科技工作者进一步验证。

2.2 封装膜

农田环境信息采集装备中应用到的常见的光伏电池封装膜有：乙烯-醋酸乙烯共聚物膜、热塑性聚氨酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛膜等。

2.2.1 乙烯-醋酸乙烯共聚物薄膜

乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）薄膜具有良好的柔软性和橡胶性质的弹性，在低于-60℃温度下仍能保持较好的挠性，因此EVA薄膜光伏电池可以被应用于冬季气候较低的农田环境信息采集装备中；目前EVA薄膜是作为封装农田环境监测装备中能源供给用的光伏电池中最主要材料。

2.2.2 热塑性聚氨酯薄膜

目前，提出的拜耳材料技术可以消除热塑性聚氨酯薄膜交联时间，这样可以很大程度上减轻热塑性聚氨酯薄膜真空层压机的负荷，有助于简化热塑性聚氨酯薄膜的生产工艺和减低其生产成本，使得到热塑性聚氨酯薄膜可以被广泛应用于农田环境信息采集装备中能源供给用的光伏电池中去。

3 结语

目前，EVA材料仍然是封装农田信息采集装备中能源供给用的光伏电池的主要材料，但随着生产技术的不断改善，新型优质的材料生产成本和周期也将会进一步减少，其它一些新型封装用的材料（如PVB）在农田信息采集装备用到的光伏电池中应用比例也将会逐渐增大，新型封装材料的应用将进一步提升农田信息采集装备的总体性能。

参考文献

[1] 万其号， 布库， 李岩， 等. 国外自动监测控制装置在农牧业机械中的应用[J]. 中国农机化学报， 2015， 1： 040.

[2] 肖摇婷，庄义庆，糜摇林，等. 物联网传感技术在大棚草莓生产中的应用[J]. 江苏农业学报，2014，30（5）：1185-1187.

[3] 李飞飞， 缪祎晟， 吴华瑞， 等. 农田能量异构无线传感器网络簇首选择机制[J]. 江苏农业科学， 2014， 42（8）： 400-402.

[4] 张秀清， 李艳红， 张超. 太阳能电池研究进展[J]. 中国材料进展， 2014， 33（7）： 436-441.

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[7] 邵燕瑛. 太阳电池组件封装技术的探讨[J]. 能源工程， 2008 （3）： 32-34.

[8] 张丽， 李楠， 张媛媛， 等. 高性能环氧树脂基体的研究进展[J]. 材料导报， 2013， 27（E22）： 242-244.