光伏玻璃釉膜及环境性能影响*

马欣彤 马小鹏 杨中英

(1 西安建筑科技大学华清学院 西安 710043)(2 咸阳陶瓷研究设计院有限公司 陕西 咸阳 712000)

绿色环保能源在当今社会、经济运行中愈发突出和重要。2018年全国光伏发电新增装机容量4 426万k W,累计并网容量达1.74亿k W,约占电源总装机的9%;目前我国的太阳能和风电的装机总量为6.35亿k W,约占全球总装机容量的50%多;到2040年,世界上最大电力来源或取自太阳能,届时光伏的装机容量将占到全球电量的15%～20%[1～3]。目前,光伏电池的发电成本高于传统的火力和水力发电,提高发电效率是降低成本的重要手段。我国是绿色能源利用量最多的国家,光伏发电对中国政府承诺的到2035年实现“碳达峰”目标承担着重要的使命。

我国的太阳能资源非常丰富,有2/3的国土面积每年的日照时间都在2 200 h 以上,并且具有5 000 MJ/m2以上的年辐射量,能够提供较好的光能资源,我国太阳能资源分布如图1所示[4]。2020年光伏玻璃产能为27 423 t/d,而需求量达31 702 t/d,2020年第四季度起光伏玻璃的市场供应出现短缺现象,目前和光伏玻璃生产有关的在建和拟建项目有19个,总规模超170亿元[5],我国光伏玻璃的市场进入了快速增长期。

图1 中国太阳能资源分布

太阳能光伏组件由5部分组成,如图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阳电池充分吸收光能,并且保护太阳电池免遭各种不利因素的影响。背板光伏玻璃是支撑、保护太阳电池的重要的部件,关乎光伏组件的寿命。置于背板光伏玻璃上的光伏电池单元件有间隙空位,在空位上印刷网格状高反射率釉膜,经过烧制成无机材料性状反射釉面,可以使光伏电池的发电效率提高约2%[6]。有资料表明,太阳能光伏电池的发电效能提高1%,发电成本可以降低7%,可见高反射率釉面带来的经济效益是显著的。

图2 光伏组件的结构图

光伏组件长久置于自然环境中,易受到多种气候因素破坏,从而影响发电效率和寿命。如极端天气——冰雹、冷冻、沙尘。大气水分易于和前、后板玻璃产生反应的成分,紫外线强烈照射使封装材料老化,长时间露天放置使得光伏组件的水汽隔阻性、绝缘性、抗风沙磨损性、耐腐蚀性和机械强度均会降低,如何减少设计使用期(一般为25年)内受自然侵害的损害程度(即提高耐候性),是光伏组件的重要气候环境性能。

1 光伏玻璃用釉膜

1.1 釉膜料浆的组成

光伏用高反射率釉膜的料浆由4部分组成,即熔剂(熔块)、增白剂、水性连接料溶液和调节剂。熔剂为无机低温粉末材料,由易熔氧化物组成。增白剂采用二氧化钛粉末。连接料溶液通常选取以水为溶剂的环氧树脂或丙烯酸树脂或聚氨酯树脂的水性基料。调节剂主要有流平剂、增稠剂、消泡剂、润湿分散剂等。

1.2 熔剂

光伏玻璃的基本组成是钠-钙-硅体系,为了使反射釉膜与背板光伏玻璃结合牢固,熔剂的主体成分接近背板玻璃成分的钠-硼-钙-硅组成系统,再适量添加其他熔剂氧化物以满足设计要求。通常由以下三个系列[7～10]试验获得。

1.2.1 KNa-Ca-Zn-Si体系

传统的配方设计范围,得到的熔剂粉末物理化学性能稳定,适应面较广,但是釉膜温度偏高。

1.2.2 P(V)-B-Sr-Zn体系

添加V2O5部分取代P2O5,有效降低熔化温度和提高物化性能。该熔剂体系的软化温度和膨胀系数低,化学稳定性好,能较好地发挥增白剂的作用,但原料成本偏高。

1.2.3 B(KNa)-Ca(Sr)-Zn-Si体系

该体系熔剂成分较多,充分发挥了硼硅酸盐熔融体可形成低共熔物质的特性,能够形成良好的熔剂,有较好的开发前景。硼硅酸盐熔剂有许多优良的特性,能够赋予光伏釉膜较好的使用性。硼硅酸盐的结构完整性好且致密度高,膨胀系数较小,因此具有良好的抗热冲击性,同时具有较高的抗折强度和表面硬度。硼硅酸盐不但具有很好的耐酸碱性,而且抗水解性高,适合露天环境放置。此外硼硅酸盐熔剂融化温度低、节能,易使乳浊剂产生良好的效果。

熔剂的制作工艺如图3所示。

图3 熔剂的制作工艺

1.3 水性连接料溶液

水性连接料溶液是釉膜料浆的重要组成部分,承担着将熔剂和增白剂链接起来,并且具有一定的流动性和粘度,能够均匀分散形成浆状胶粘体,并能印刷成膜于背板光伏玻璃上。水性连接料溶液(也称聚合物乳液)的主要组分为具有亲水基团以实现水性化的树脂[11～13],而溶剂部分是去离子水而非挥发性溶剂(如二甲苯、甲苯、工业酒精等)。2005年开始,包括我国在内的世界多国对挥发性有机化合物VOC(Volatile Organic Compounds)的控制纳入到了法律法规,限制使用溶剂型[14～16]油墨(料浆)。水性连接料溶液是环保型无毒物质、不释放挥发性成分、不污染作业环境,是目前涂料、油漆行业主推的连接料和研发优化的重要原材料。

1.4 丝网印釉膜料浆的制作

向专用容器中投入制备待用的熔剂、二氧化钛和去离子水,加入适量润湿分散剂,用高速搅拌器(4 000 r/min)打成浆状,然后用砂磨机进行超细粉碎,待D97平均粒径达到2～5μm 时满足要求。

向D97平均粒径为2～5μm 的浆料中加入聚合物乳液及添加剂(必要时添加流平剂或增稠剂或消泡剂),采用专用搅拌器(2 000 r/min)制浆,三辊机研磨并均化。浆料中含固量应满足72%～74%,粘度值(旋转粘度计)达到40 000～50 000 P,制成丝网印釉膜料浆待用。

1.5 应用

用丝网方式将料浆印刷在背板光伏玻璃上,在马弗炉内烧制,在690～720℃下保持95 s左右。烧制的样品直观判断应是洁白高反射、不掉粉、平整无针孔、边缘无齿状。

2 釉膜性能要求和应用常见问题

2.1 釉膜料浆性能要求

釉膜料浆为稠浆状物,它的粘度、细度、含固量如前文所述,在烧成温度690～720℃下保持95 s左右,釉膜厚度25～30μm 时,附着力达到0～1级,反射率78%以上,膨胀系数为85×10-7/℃左右。而这些要求应作为日常检查指标。

2.2 反射釉膜其他技术要求

烧成后的釉膜为白色反射釉层,长久置于室外自然环境中,务必经受各种因素损害,因此还应测试以下性能指标:耐湿热性能、黄变指数、耐中性盐雾性能、耐湿冻性能、耐热循环性能、耐酸雾试验(SO2)、耐紫外性能、PCT 加速老化试验、耐氨气试验、耐热冲击性能、紫外湿冻老化试验、紫外热循环老化试验、紫外湿热老化试验。

2.3 应用常见问题

光伏玻璃釉膜在大生产应用时最常见的问题有[6、17]:附着力不合格、印刷釉浆面不匀、印刷尺寸不合格、釉浆层边缘缺陷、针孔、印版漏浆、网版过早损坏、久置料油离析等,应依据实际状况具体分析解决。

3 环境性能

气候环境性能是光伏组件的重要技术要求。我国地域广大,同期地区间环境条件差距很大,要保持光伏组件在户外正常工作25年,并使其性能维持在原有的80%以上,是一项不小的挑战,如何使光伏组件不受损坏,就要了解哪些环境因素影响它的发电功能和使用寿命。图4为我国2018年1月29日08∶00～1月31日08∶00最低气温分布,可以看出此刻我国东北大部和新疆北端气温＜-28℃,这儿的极端低温在-38℃以下。青海、西藏不但冷且紫外线辐射也很强,华南、华东地区潮湿多雨,西北地区及内蒙古大部多风沙,夏季冷热交换天气频多。

图4 2018年1月29日08∶00～1月31日08∶00我国最低气温分布图

前板和背板玻璃易受冰雹、强风的冲击影响;玻璃成分为钠钙硅基础体系,在极端潮湿环境下易产生水解,生成硅酸溶胶和氢氧化钠,从而导致反射膜开裂、起皱并脱落;极端低温不仅会产生结冰损坏反射膜,还使封装材料发生隐裂、低冷脆、脱层现象;强烈的紫外线照射会使封装材料发生脱乙烯反应,生成烯烃和乙酸,严重影响组件寿命。因此,通过调整玻璃组成来提高和改善光伏玻璃的透光性、耐水化性能和减少紫外线的透过率,通过向封装材料加入不同性能的添加剂和偶联剂以增强抗紫外线、提高粘结力、拓宽适应温度范围,提高抗老化能力与使用寿命。

4 结语

我国太阳能资源丰富,光伏玻璃发电产业有着较好的发展基础。在光伏背板玻璃上烧制无机反射膜,可以产生良好的经济效益。无机反射釉膜由熔剂、增白剂、水性连接料溶液和调节剂组成,作为无毒、无污染绿色中间材料,能够安全使用。气候环境性能对光伏组件有很大影响,应该不断提高改进,使其适应自然环境性能。