雙組分有機硅膠在光伏組件密封上的應用

雙組分有機硅膠在光伏組件密封上的應用摘要：本文主要是對雙組分有機硅膠應用于光伏組件密封上的實現(xiàn)路徑的具體探索，從雙組分有機硅膠的分類、市場情況、性能等各方面探究雙組分膠在光伏組件密封上應用的可行性，以及實現(xiàn)產業(yè)化應用的路徑方案。關鍵詞：應用化學、雙組分密封膠、光伏組件、自動施膠系統(tǒng)1引言隨著人類經(jīng)濟和社會的發(fā)展，對環(huán)保的要求日趨嚴苛，傳統(tǒng)發(fā)電模式逐漸暴露出很多弊端，全球面臨著日益嚴重的能源危機。新能源的發(fā)展愈來愈受到人們的重視，各個國家都已積極介入，搶占技術制高點。新能源是指剛開始開發(fā)利用或正在積極研究、有待推廣的能源，如太陽能、地熱能、風能、海洋能、生物質能和核聚變能等。太陽能發(fā)電是指利用光生伏打效應使太陽光輻射能轉變成電能[1]。太陽能電池片是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件。由于太陽能電池片自身存在著薄、脆、易氧化等物理、化學缺陷，暴露在空氣、雨水等自然條件下很容易造成永久性破壞，使得太陽能發(fā)電難以在惡劣的自然條件下大規(guī)模應用[2]。因此，要實現(xiàn)太陽能發(fā)電的工業(yè)化應用，就要求對其進行保護性密封與封裝，從而形成光伏組件[3]。這種保護性密封和封裝是實現(xiàn)光伏發(fā)電工業(yè)化生產和大規(guī)模應用的一項關鍵性技術。光伏組件制造過程主要是由分揀電池片、正面焊接、背面串接、拼裝、檢測、層壓、削邊、檢測、裝框、焊接接線盒、測試等個步驟組成，其中在裝框與安裝接線盒兩個步驟中需要在鋁框的邊框以及接線盒跟背板之間涂敷密封膠，以達到粘結、密封、絕緣之作用，以確保組件和電池片的25年使用壽命[4]。光伏組件邊框密封的主要方式有：1）橡皮圈（見圖1），安裝簡便，但只能起到機械緩沖作用，密封性較差；2）雙面膠帶（見圖2），粘結性強，無需固化時間，但返修時不易撥開，并且阻燃性較差；3）EVA嵌條（見圖3），屬于舊物利用，成本低，但操作不方便，需要層壓后固化爐固化，且需要大量人工；4）硅膠（見圖4），性能最佳，密封性、穩(wěn)定性優(yōu)異，但成本偏高，施膠量不易控制，容易外溢，需額外的勞動力清洗；圖1橡皮圈圖2雙面膠帶圖3EVA嵌條圖4硅膠（單組分小包裝）2光伏組件密封用有機硅膠介紹由硅和氧原子交替組成的線性有機硅聚合物作為光伏組件邊框密封膠，能在-60~200℃的溫度范圍內使用，顯示出優(yōu)良的耐高低溫性能、耐電絕緣性、彈性、耐老化性、耐紫外線輻射、耐臭氧、化學穩(wěn)定等特性，具有安全可靠，耐候性好，使用壽命長等優(yōu)點，符合光伏組件的使用要求，因而已越來越顯示出廣闊的發(fā)展前景，市場也逐年看好。適用于光伏組件邊框及接線盒密封的有機硅膠主要有改性硅烷密封膠和室溫硫化硅橡膠。2.1改性硅烷密封膠一般來講，硅改性密封膠主要有兩種，一種是對聚醚進行硅氧烷封端改性的硅烷改性聚醚(MS)，另外一種就是對聚氨酯進行硅氧烷封端改性的硅烷改性聚氨酯(SPU)。兩種改性密封膠合成、制備方法和性能各有不同[5~7]。硅烷改性聚醚密封膠的合成是通過將聚醚端接可水解性的硅烷，按一般制備密封膠的工藝，加入各種填料、增塑劑、觸變劑和催化劑等，經(jīng)混合分散制備成硅烷改性聚醚密封膠，其固化機理如下：同硅烷改性聚醚密封膠相似，硅烷氧改性聚氨酯是將聚氨酯端接可水解性的硅烷制得，制備的密封膠在一定的相對濕度下，通過水氣的作用進行交聯(lián)固化，反應過程如下[10]：2.2室溫硫化硅橡膠室溫硫化硅橡膠（RTV）在分子鏈的兩端（有時中間也有）各帶有一個或兩個官能團，在一定條件下（空氣中的水分或適當?shù)拇呋瘎?，這些官能團可發(fā)生反應，從而形成高分子量的交聯(lián)結構。按其硫化機理可分為縮合型和加成型，光伏組件密封主要是應用縮合型，其具體分類見表1[8~10]：表1：縮合型密封膠分類及性能簡介分類交聯(lián)劑種類縮合產物優(yōu)點缺點脫醋酸型強度、透明性、粘接性好、硫化速度快有醋酸氣味，對金屬有腐蝕性脫酮肟型沒有太大氣味，對各種材料有較好的粘接性對銅稍有腐蝕脫醇型無味、無腐蝕性硫化速度慢，保存性差，粘接性稍差脫丙酮型無味、無毒、硫化速度快，保存性、操作性、密封性、耐熱性好成本較高脫酰胺型無臭、無毒、低模量粘接性稍差脫羥胺型環(huán)狀氨基硅氧烷硫化性能好，模量低、粘接性、耐久性好有氨味脫氨型硫化速度快有氨味、腐蝕性、毒性其中以脫醋酸型為例，其固化機理如下：光伏組件用密封膠按包裝方式可分為雙組分和單組分兩種類型，單組分的固化反應靠空氣中的水分進行引發(fā)，雙組分的固化反應不是靠空氣中的水分,而是靠催化劑來進行引發(fā)。通常是將硅生膠、填料、交鏈劑作為一個組分包裝，催化劑單獨作為另一個組分包裝，當兩種組分完全混合時才開始固化。雙組分有機硅膠在光伏組件密封上的應用傳統(tǒng)的單組分密封膠的固化時間長，可進入下步工序的時間一般≥4小時，完全固化時間更要求≥7天，這就大大延長了生產周期，而且還需要特定的場地用來初步固化，不利于生產線的自動化；這種傳統(tǒng)工藝不僅增加搬運等操作工序，而且還容易在搬運過程中對組件造成損傷。而雙組分硅膠的固化時間相對較短，一般1小時即可進入下道工序，可實現(xiàn)在線固化，而不需要另外轉移地點單獨等待固化。不僅簡化工藝、大大縮短生產周期，還可提高場地面積的利用率，可實現(xiàn)自動化。雙組分雖有較多優(yōu)勢，但成功應用的案例較少，且成本比較高。將雙組分膠應用于光伏組件密封上，需要考慮的因素主要有：雙組分膠性能是否滿足光伏組件密封要求，如何在光伏組件密封上具體應用。3.1雙組分膠性能研究根據(jù)UL1703、IEC61215、IEC61730對光伏組件及密封膠的要求，聚合物材料應滿足一定的阻燃性能、絕緣性能、耐老化性能、機械性能及外觀等其他要求。表2是光伏組件密封膠的具體要求指標及市場現(xiàn)有雙組分密封膠（四家樣品）的性能調查結果，測定方法根據(jù)相關規(guī)定執(zhí)行。表2：雙組分密封膠性能調查表樣品項目指標技術要求樣品1樣品2樣品3樣品4密封膠類型-A:改性硅烷B:含乙二醇等物質縮合型硅橡膠聚二甲基硅烷(PDMS)羥基封端聚二甲基硅氧烷、白炭黑A、B組分配比-10:14:110:110:1外觀A、B組分外觀細膩、均勻、無結塊、雜質、凝膠、氣泡，同一批顏色應一致。外觀：無氣泡、結塊、顏色均一，無特殊氣味A、B組分外觀細膩、均勻、無結塊、雜質、凝膠、氣泡，同一批顏色應一致。白色白色/黑色黏度A：200Pa·s～700Pa·sB：0.05Pa·s～95Pa·sA:150Pa·s~300Pa·sB:70Pa·s~120Pa·sA：200Pa·s～500Pa·sB：0.05Pa·s～95Pa·sA:約700Pa·sB:約95Pa·s-可操作時間25℃±5℃，55%±5%條件下混合后可操作時間5~25℃±5℃，55%±5%條件下混合后可操作時間1025℃±5℃，55%±5%條件下混合后可操作時間≤25℃±5℃，55%±23±2℃，50±20-25min凝膠時間25℃±5℃，55%±5%條件下≤25℃±5℃，55%±5%條件下2525℃±5℃，55%±5%條件下≤25℃±5℃，55%±(curethrough)23±2℃，50±5%條件下拉伸強度≥2.0MPa>1.4MPa≥2.0MPa2.5MPa2.3MPa斷裂伸長率≥280%>250%≥280%280%295%剪切強度25℃±5℃，55%±5%情況下固化7d：5℃±5℃，55%±5%>1.1MPa25℃±5℃，55%±5%情況下固化7d：-完全固化后1.98MPa硬度≥35ShoreA45≥353642ShoreA介電強度≥18Kv/mm≥18Kv/mm≥18Kv/mm≥18Kv/mm24KV/mm體積電阻率≥1.0×1016Ω·cm≥1.0×1010Ω·cm≥1.0×1014Ω·cm9.3E+132.3×1015Ω·cm阻燃等級＞HB（UL94）UL94HB＞HB（UL94）UL94HBUL94HB工作環(huán)境溫度-50℃~-50℃~-50℃~-50℃~-50℃~有害物質含量符合相關國家法律法規(guī)要求符合相關規(guī)定符合相關國家法律法規(guī)要求八甲基環(huán)四硅氧烷:1~5%符合相關國家法律法規(guī)要求材料相容性能與材料剝離強度≥硅膠內聚力剝離強度2.5N/mm≥硅膠內聚力與材料剝離強度≥硅膠內聚力與材料剝離強度≥硅膠內聚力良好耐老化性能經(jīng)高低溫沖擊、高溫高濕試驗后外觀無剝離、無開裂、無黃變；抗拉強度、伸長率、邵氏硬度：≥初始值的80%經(jīng)高低溫沖擊、高溫高濕試驗后膠本身無黃變抗拉強度、伸長率、邵氏硬度：≥初始值的78%經(jīng)高低溫沖擊、高溫高濕試驗后外觀無剝離、無開裂、無黃變；抗拉強度、伸長率、邵氏硬度：≥初始值的50%-不開裂，無黃變現(xiàn)象拉伸強度：2.11MPa斷裂伸長率：474.69%邵氏硬度：36shoreA剪切強度：1.86Mpa從上面的調查表上可以看出市面上的雙組分膠基本滿足光伏組件密封要求。但在將雙組分引入光伏組件密封應用之前，應先對其進行內部測試，測試項目主要包括固化時間、機械力學性能、耐老化試驗，以確保其各項指標滿足要求。3.2雙組分膠在光伏組件密封上的應用因為雙組分膠是要求A、B組分混合后實現(xiàn)固化的，因此對A、B的混合配比有一定的要求。有些膠水對配比的要求精度較高，否則不固化，因此就需要一套精確計量系統(tǒng)實現(xiàn)定量混合。若采用手持打膠槍，需要配以小包裝膠管，以氣動方式，將兩組分在螺紋狀混合導膠管中靜態(tài)混合后涂覆在邊框及接線盒上。此種方法打出來的膠條不均勻，不容易前后收尾，易造成缺膠或溢膠的情況。手持設備較重，不易于工人操作，打膠速度有限，不能滿足高產能要求。因此，需要開發(fā)一套自動打膠設備解決以上問題。因為雙組分膠水的特殊性，在開發(fā)自動化打膠設備過程中應結合雙組分膠水特性考慮。雙組分打膠設備應主要包括以下幾個系統(tǒng)：供膠系統(tǒng)、計量系統(tǒng)、混合系統(tǒng)、施膠系統(tǒng)及施膠平臺。3.2.1由于雙組分膠的高粘度性，需要使用高壓力才能把膠從包裝桶里擠出，所以采用帶有高壓比的柱塞泵較容易實現(xiàn)輸膠。為了保證計量系統(tǒng)的精準性，需要給計量系統(tǒng)較穩(wěn)定流量的供膠，而柱塞泵因為工作原理存在著一定幅度的壓力變化，導致出膠量得不穩(wěn)定。因此需要在柱塞泵與計量系統(tǒng)之間裝置穩(wěn)壓器，以緩和壓力波動。成熟的設備制造會將穩(wěn)壓器考慮到柱塞泵的設計中，作為一個整體。3.2.2因為雙組分膠是需要A、B組分混合后才實現(xiàn)固化，有些膠水對配比的要求精度較高，否則不固化，因此就需要一套精確計量系統(tǒng)實現(xiàn)定量混合。目前較成熟的是高精度計量齒輪泵，由交流馬達驅動，壓力傳感器安裝在泵外用來控制壓力。因有些雙組分膠水存在腐蝕性或者填料過多等特性，對設備的耐腐蝕性、耐磨性要求較高，在實際選用時應多加注意膠水與設備的匹配性。3.2.3雙組分的固化方式是由膠體變?yōu)槟z體，最后變?yōu)楣腆w的過程，是通過催化劑實現(xiàn)內部縮合而固化的，因此混合系統(tǒng)應放在計量之后施膠之前。且混合過程應在易更換處，而不是在某個密閉管道內，因為生產過程中可能存在間歇，當停止施膠時，管道內的膠水開始固化，這樣很容易造成管道的堵塞，因此必須將混合過程放在末端易更換處。較通用的做法是由兩條供膠管道，在施膠頭處實現(xiàn)匯流（見圖1），通過螺紋狀靜態(tài)混合管混合（見圖2）。圖1雙組分很合槍頭圖2螺紋狀靜態(tài)混合管3.2.4施膠系統(tǒng)施膠系統(tǒng)主要為施膠的具體實現(xiàn)途徑，包括施膠頭和施膠平臺。因為鋁邊框的形狀是長直線型，這就要求施膠頭和施膠平臺有相對位移。一種方法是施膠平臺固定，用機器人手臂固定施膠頭，通過運行軟件控制機器人手臂實現(xiàn)涂膠過程（見圖3）。另一種是施膠平臺有傳送功能（見圖4），施膠頭固定或者不固定，實現(xiàn)相對位移，完成施膠過程。施膠平臺應配合施膠設備的施膠系統(tǒng)，便于施膠，便于工作者工作（上下料、清潔等）。圖3機器人手臂施膠圖4遞進式施膠3.3雙組分自動施膠系統(tǒng)的技術要求上述是對雙組分自動施膠系統(tǒng)各個子系統(tǒng)的分析，將雙組分自動施膠系統(tǒng)成功應用于產業(yè)化生產，應結合企業(yè)自身生產狀況，包括生產布局、產能要求等。表3是結合某企業(yè)生產需求而對雙組分自動施膠系統(tǒng)提出的具體要求。表3某企業(yè)對雙組分打膠設備提出的參數(shù)要求序號項目技術要求及參數(shù)范圍備注1設備產能滿足100MW/年22h/天工作時間2工作頻率≤30s/套邊框盡量將接線盒包括在內3施膠精度精確到0.5mm4電源220V，50HZ正常電源5功率≤1000W節(jié)能角度考慮5供膠系統(tǒng)氣源≥5kg配有穩(wěn)壓器6控制系統(tǒng)配有自動和手動控制系統(tǒng)，PLC7設備重量≤5000kg整機重量8設備體積≤10×10×3（m*m*m）便于投入流水線使用9施膠量具體由試驗確定設備調試10膠水包裝可用55加侖大包裝節(jié)省成本與更換時間結語隨著各國光伏政策的出臺，各國光伏補貼的下調力度及頻率顯著加大，個別國家甚至設置了年度安裝量上限。光伏行業(yè)正從繁榮期向平穩(wěn)的市場化過渡。為了順應市場發(fā)展趨勢，增強技術創(chuàng)新競爭力，提高產能、降低成本成為企業(yè)發(fā)展必由之路。雙組分有機硅膠在光伏組件上的應用有其獨到的優(yōu)勢，也是未來發(fā)展的趨勢，但目前正處于開發(fā)階段，成功案例較少，很多細節(jié)需要深入研究，特備是配套打膠設備的開發(fā)。本文主要是對雙組分有機硅膠應用于光伏組件密封上的實現(xiàn)路徑的具體探索，從雙組分有機硅膠的分類、市場情況、性能等各方面探究雙組分膠在光伏組件密封應用上的可行性，以及實現(xiàn)產業(yè)化應用的路徑方案，望對雙組分有機硅的產業(yè)化應用有一定的指導作用。參考文獻[1]期刊：孔