一种新型BIPV光伏彩钢板的研究

华夏易能（南京）新能源有限公司 ■ 卫成刚 陆传达 王奇

0 引言

随着我国现代化及城市化建设进程的加快，越来越多新技术及新材料被运用到建筑领域[1-2]。在光伏建筑一体化(BIPV)领域，薄膜光伏组件较传统的晶体硅光伏组件有着独特的优势[3-4]，大力推广薄膜光伏组件在BIPV领域的应用显得尤为重要。由于建设大规模光伏幕墙的初期投资成本较高，另外还需要改变设计师传统的设计观念，推广难度较大，因此，如何将薄膜光伏组件与现已广泛使用的建筑材料完美结合成为当前的研究重点。国内已有一种光伏彩钢板的研究专利，是通过一系列的设计巧妙地将新型建筑材料——轻钢结构彩钢板与薄膜光伏组件完美结合，从而得到这种新型的功能型绿色建筑材料[5-6]。由于其具有环保发电的功能，目前受到越来越多的关注和研究。

本文将开发一种由薄膜光伏组件和彩钢夹芯复合板有机结合的新型BIPV光伏彩钢板及光伏彩钢单元，并将该产品融入彩钢板的连续生产线中，实现BIPV光伏彩钢板的自动化生产。

1 实验

1.1 薄膜光伏组件与彩钢板的结合设计

彩钢板通过边口成型后，作为背面板，将带有支撑的薄膜光伏组件放置其内部，然后通过聚氨酯发泡实现彩钢板与组件的结合固定，最终完成产品[7]。图1为该BIPV光伏彩钢板的设计图及实物图。

图1 BIPV光伏彩钢板设计图及实物图

1.1.1 背面板边口成型设计

将彩钢板放置在下开卷机，经过夹送结构传输进入钢板成型机，在成型机中直接轧制背面板，通过多道成型工艺最终实现边口成型[8]。钢板成型机是保证尺寸精度和板型的重要设备，对于板材的安装精度来说极为重要。钢板成型机宽度采用固定形式，在生产背面板时，应确保机器不跑偏，达到几何形状规范。通过钢板成型机，可将薄膜光伏组件牢固地镶嵌在彩钢板中，为后续的发泡及成型奠定基础，降低建设二次成本。图2 为背面板边口成型图及钢板成型机实物图。

图2 背面板边口成型图及钢板成型机实物图

1.1.2 聚氨酯发泡设计

聚氨酯主要由聚醚多元醇(A)和异氰酸酯(B)双组份通过一定的配比混合发泡而成。聚醚多元醇和异氰酸酯分别通过枪头注入，然后经过加压和一定时间的发泡凝固。聚氨酯发泡生产设备配有可随时显示工作状态、液位、温度、压力、流量、原料配比及布料往复速度等各种参数的控制窗口，且可根据生产线速度及生产工艺实现流量、压力、布料往复速度的自动闭环调整，以确保发泡的品质。本研究中，聚氨酯双组份的物理性质如表1所示，其按重量配比混合为 A∶B=100∶(140～180)。

表1 聚氨酯双组份的物理性质

聚氨酯发泡的反应时间也是控制聚氨酯发泡品质的一个重要因素。本研究对JAZ-01型聚氨酯发泡的反应时间进行了较为详细的实验，结果如表2所示。

表2 JAZ-01型聚氨酯发泡各阶段反应时间

通过对聚氨酯发泡配比和发泡反应时间的研究，得到了品质较好的聚氨酯有机材料，其各项性能基本可满足BIPV光伏彩钢板的生产要求。JAZ-01型聚氨酯泡沫的性质如表3所示。

发泡的难点在于控制比例分配和压力调节。由于发泡时的压力较高，玻璃体存在碎裂的可能，可通过调节发泡压力、设计减压缓冲垫等方案来解决这一难题。图3为聚氨酯发泡后的样品图及剥离状况。

表3 JAZ-01型聚氨酯泡沫的性质

图3 聚氨酯发泡后的样品图及剥离状况

1.2 预留接线盒和引线设计

发泡之前，先将背面彩钢板打好孔，放置薄膜光伏组件后，引线穿过该孔，在孔边缘放置1个垫子，防止后序发泡泄漏。背面板预留接线凹槽，以便引线通过。图4 为BIPV 光伏彩钢板的接线盒及引线设计图。

图4 BIPV 光伏彩钢板的接线盒及引线设计

1.3 光伏彩钢板各单元的连接固定设计

BIPV光伏彩钢板各单元采用横向或竖向搭接。将BIPV光伏彩钢板单元用自攻钉固定在墙面檩条上，2个独立的BIPV光伏彩钢板单元之间的缝隙先填充防火/保温材料，然后打胶水，用U型压片缝条，打螺栓固定，然后再放1个卡键嵌合，完成单元对接和收边。如此设计可形成良好的保温区间，隔断热桥，保温效果明显。

2 结果与分析

为验证上述设计方案的可靠性，本实验共制作样品8块(编号为1#～8#)，按照光伏组件测试标准，分别对样品进行组件电性能测试、绝缘耐压测试及湿漏电测试[9]。

2.1 组件电性能测试

本测试使用德雷射科太阳能模拟器，在测试前进行了校准，以减小误差。每块样品测试次数为10次，结果取平均值，具体测试结果如表4所示。

表4 组件电性能测试结果

由表4可知，与标准版的数据比较，BIPV光伏彩钢板样品的电性能并未有明显下降，这说明薄膜光伏组件经过彩钢夹芯复合板压合等工艺后，仍可满足一般薄膜光伏组件的发电功能。

2.2 组件绝缘耐压测试

本测试项目是测定组件中的载流部分与组件边框或外部空间之间的绝缘是否良好，测试设备为标准测试仪器，具体测试结果如表5所示。

表5 组件绝缘耐压测试结果

组件绝缘耐压测试结果漏电电流值＜50 μA即视为通过。由表5可知，所有样品均通过测试，都达到了绝缘要求。

2.3 组件湿漏电测试

本测试项目是评价组件在潮湿工作条件下的绝缘性能，验证雨、雾、露水或融雪的潮气等不能进入组件的工作部分。测试设备为标准测试仪器，选择组件4边的中点位置a、b、c、d作为测试点。样品中，部分组件含有封装胶膜EVA，部分组件不含EVA，将二者的测试结果进行对比。具体测试结果如表6所示。

组件湿漏电测试电阻＞51 MΩ即视为通过。由表6的数据可以看出，EVA能起到保护组件不受水汽侵入影响的作用，提高了组件的安全可靠性。因此，后续样品制作及产品生产将采用EVA封装方式。

经过重复性测试，得出了该BIPV光伏彩钢板的基本性能参数[10-12]，如表7所示。

表6 组件湿漏电测试结果

表7 BIPV光伏彩钢板的基本性能参数

后续研究将针对组件的散热性能对BIPV光伏彩钢板进行改良。一方面，对薄膜光伏组件的结构设计进行优化，用散热性能更好的材料取代背板玻璃；另一方面，在彩钢板四周合理设计散热通风孔，便于BIPV光伏彩钢板发散热量，降低温度升高对组件发电功率下降的不利影响。

3 结论

本文主要开发了一种主体为薄膜光伏组件/聚氨酯(PU)/彩钢板的“三明治”结构的BIPV建筑材料，利用彩钢板成型结构技术，将薄膜光伏组件和彩钢夹芯板二者有机结合，并利用聚氨酯发泡材料进行粘接，实现了薄膜光伏组件的机械支撑和该类组件之间的有效互连，同时保证了整个BIPV光伏彩钢板的机械性能和热工性能。经过组件电性能测试、绝缘耐压测试及湿漏电测试等可靠性测试，该BIPV光伏彩钢板单位面积输出功率≥65 W，绝缘耐压性好，湿漏电测试(含EVA封装胶膜)电阻＞51 MΩ，粘结强度≥0.09 MPa，燃烧性能达到B2级，耐火等级为二级，基本满足国家建筑标准的要求。这种新型的BIPV光伏彩钢板将成为一种兼具发电功能的时尚、绿色、低碳的建筑材料，满足高端钢结构绿色建筑的需要。