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EVA太阳能光伏膜流延成型技术
作者:熊国中
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太阳能发电展厅
太阳能发电机, 光伏发电设备, 风光互补发电系统, 多晶硅生产设备, ...
太阳能电池胶膜是用EVA为主要原料,添加各种改性助剂充分混合后,经生产加工设备加热流延挤出成型的薄膜状产品,生产工艺流程如下:

原料配比混合→真空上料→挤出→换网器→熔体管道→计量泵→模具→流延压花、冷却定型→在线测厚→回火、冷却定型→牵引及切边→双工位中心收卷→成品卸卷 →边料卷绕→边料处理

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原料

太阳能电池封装用EVA膜原料的组成及主要供应商情况

太阳能电池封装用EVA是以EVA(醋酸乙烯含量为30-33%)为基料,辅以数种改性剂,一般包括EVA树脂、交联剂、紫外光吸收剂、抗氧化剂(或抗热老化剂)、紫外光稳定剂、增塑剂、增粘剂等,经挤出流延成薄膜型产品。该产品在太阳能电池封装过程中受热,产生交联反应,属热固性的热熔胶膜。固化后的胶膜具有相当高的透光率、粘接强度、热稳定性、气密性及耐老化性能。

在太阳电池的封装材料中,EVA是最重要的材料。EVA封装膜对于光伏组件不仅是起粘接密封作用,而且对太阳能电池的质量与寿命起着至关重要的作用,从某种意义上说,EVA封装膜决定了太阳能电池板的寿命。而EVA封装膜的质量又决定于原料、工艺配方、生产设备等。`所以一款好的EVA胶膜产品,配方是关键,其次才是工艺流程、工艺设备、生产环境等。

中国是世界上最大的太阳能电池生产基地。长期以来,这一行业“两头向外”的特征明显,高端原材料需从国外进口,成品主要销往国外,国内从事的只是简单的组装。产品对国际市场依赖性大,受国际原材料价格影响很大。太阳能电池EVA胶膜高端市场长期被国外化工巨头杜邦、三井、普利司通垄断。国内产品性能和国外产品存在一定差距,较为突出的是胶膜的耐候性差,容易变黄,影响本身的透光率,从而降低太阳能组件的光电转换效率。杜邦、三井、普利司通等三家企业占了国内市场60%以上的份额,高端市场占有率达到100%。进口EVA胶膜的价格昂贵,是国产胶膜价格的2-3倍。世界EVA太阳能光伏膜原料供应情况见表1。

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原料的配比和混合

一般采用上述国外杜邦、三井、普利司通等原厂的光伏用EVA粒子,可不需造粒,直接用于混料。但是如采用国内厂商,尤其是一些小厂商的EVA粒子作原料时,由于其来源往往非常复杂,甚至包括光伏组件厂用剩的边角余料,这种材料是需要进行重新加工粉碎造粒的,并且必须控制好相应的工艺参数和混掺比例。即便这样做,最终成品EVA的质量仍难以控制,如果继续用于光伏行业,尤其是大型组件的制造,会留下诸多隐患。

在EVA原料的配比混料生产过程中,有些助剂配比很低(例如小于0.1%),如何使这些低配比助剂能够混合均匀是一个很重要的工艺问题。可采用多次混合的办法,使小配比助剂与少量其他物料混合,再与较多的其他物料混合,最后与全部其他物料混合。经这样多次混合,可解决低配比助剂的均匀性问题。

为了确保配比的精确和混料的均匀,可选用全自动矢量计重和混料装置,为防止EVA原料在混合搅拌中过热,应选用低温低速的混料机。

挤出

用于太阳能光伏EVA胶膜产品,应满足如下要求:

(1) 高透光率,提高组件的光电转化效率。
(2) 合理的交联度,保证组件良好的稳定性和使用寿命。
(3) 卓越的耐紫外老化性能和优秀的耐湿热老化性,保证组件在户外长达25年的使用寿命。
(4) 极低的收缩伸长率,保证组件尺寸稳定性和一致性。
(5) 对各种背板和玻璃较强的粘接性能,保证组件安全高效的运行。

要生产出合格的产品,除原材料、辅料、配方的正确选用和严格的操作规程外,生产的设备、工艺流程、生产环境等都要根据太阳能光伏EVA胶膜的特点进行设计、制造和操作。

太阳能光伏EVA胶膜挤出装置的结构及工艺特点

太阳能光伏EVA胶膜的成型温度范围很窄,所以它的挤出要领是:既要塑化良好,又要避免在塑化过程中产生过高的剪切热,为了确保挤出薄膜的连续、均匀,还要严格控制挤出时压力的波动。所以,太阳能光伏EVA胶膜挤出装置的结构及工艺特点如下:

(1) 螺杆应采用无剪切单元(如屏障段)的计量型EVA专用螺杆,避免在塑化过程中产生过高的剪切热螺杆转速≤60r/min,挤出时压力(计量泵前)的波动应控制在±0.1MPa内,确保太阳能光伏EVA膜在低温、低压、低速下挤出。

(2) 选用高精度的温控系统,并对温度传感器的检测温度与实际温度进行校核,消除安装不当与各类干扰造成的误差,确保温度控制精度在±1℃。

(3) 采用计量泵,并在换网器前后、计量泵后安装高精度的压力传感器,并对压力传感器的检测压力与实际压力进行校核,消除安装不当与各类干扰造成的误差,并通过压力闭环控制系统,确保压力波动应控制在±0.1MPa内。

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流延压花冷却装置

1) 为了提高薄膜贴辊效果,本机采用负压风刀,通过气刀的气流使薄膜紧贴冷却辊表面,从而提高冷却效果,生产出较透明的薄膜。同时,还有两个电子锁边装置,单独压住薄膜边部,防止边部扭曲,还可以减少薄膜两端的缩颈。

2) 为了获得均匀的冷却效果,生产出较透明的薄膜,流延压花辊、压花胶辊、冷却辊依靠强制水循环冷却。为了提高冷却效果,降低辊筒表面温差,辊套设计为双螺旋夹套式,辊筒内是空心的,冷却介质从一端进入,沿螺旋槽流动;从另一端流出,辊筒表面温度控制为±1℃。

3) 调整流延成型装置的前后移动装置,便于清理模头。调整流延压花辊的升降装置,将模头到流延压花辊的距离即气隙调整到最佳成膜状态。

4) 流延压花辊表面进行特殊处理,初步调整流延压花辊转速,在获得所需的规格和形状的EVA光伏膜的同时,防止发生胶膜粘辊现象。

5) 流延压花辊、冷却辊采用AC380V/三相/50HZ/4P交流变频电机+减速机构驱动,交流变频电机采用(Siemens)西门子矢量闭环变频器控制,以流延辊线速度为基准,实现无极变速及与其它牵引机构的同步控制,将冷却辊、牵引辊的速度控制在0.2%以内,防止EVA光伏膜在牵引过程被拉伸。

测厚仪

采用了法国思肯德(SCANTECH)公司X射线测厚仪,型号:Model LF1-2350,扫描有效宽度:2350mm。可对薄膜宽度方向上进行连续扫描,由PLC微电脑控制系统处理由测量头测得的信号,将目标值与真实值相比较,显示出薄膜厚度、偏差及平均值。测量值可连续显示在LED显示屏上。同时,将薄膜厚度、偏差及平均值的测量信号,转为控制信号,可控制和调整螺杆转速,模头温度、流延辊、冷却辊、牵引辊转速,实现对薄膜厚度进行控制,使产品的厚度范围控制在±4%以内。

回火冷却定型机构

为了消除EVA膜在加工过程所存在的内应力,将成品收缩率控制在2%的规定范围内,该设备设定了回火冷却定型机构,将EVA膜二次加热后再冷却定型。

1) 回火装置

(1) 远红外加热回火烘箱,采用进口陶瓷加热器,不锈钢加热罩,温度控制器(精度±1%)。

(2) Φ300mm加热辊若干根。辊套设计为螺旋夹套式,辊筒内是空心的,介质从一端进入,沿螺旋槽流动;从另一端流出,介质温度由模温控制器控制,辊筒表面温度控制为±1℃。

(3) 牵引辊采用德国西门子交流变频电机+(SEW)减速机驱动,西门子矢量闭环变频控制器控制,实现无极变速及与其它牵引机构的同步控制。

2) 冷却定型机构

(1) Φ300mm冷却辊若干根。辊套设计为螺旋夹套式,辊筒内是空心的,介质从一端进入,沿螺旋槽流动;从另一端流出,介质温度由模温控制器控制,辊筒表面温度控制为±1℃。

(2) 牵引辊采用德国西门子交流变频电机+(SEW)减速机驱动,西门子矢量闭环变频控制器控制,实现无极变速及与其它牵引机构的同步控制。

切边装置及废边处理

1) 转动手轮,调整切边及在线分切刀片的角度及位置,得到切边和分切后制品的宽度尺寸。

2) 调整边料自动卷绕装置的速度,使之与牵引速度一致,边料卷绕后另行处理。

牵引、展平、张力控制及收卷装置

1) 调整牵引机构采用矢量闭环变频器,实现各级牵引单机运转、整机联动、同步。

2) 手动调节展平辊采用弧型橡胶弯辊中高,使膜面平整、无折皱、暴筋。

3) 调整张力控制器。使各级牵引的张力控制在0-2N,避免EVA薄膜在牵引过程的拉伸变形,而影响薄膜的收缩率。

4)通过膜面质量检查架及灯箱,可在线观察、检查太阳能光伏EVA胶膜的成型情况。

5)为避免EVA薄膜在收卷过程的拉伸变形和收卷时薄膜与收卷动力辊的接触压力变形,而影响薄膜的收缩率。本机采用双工位中心间隙收卷装置。生产线采用双工位换卷系统,当一个工位满卷后,计米器发出信号,翻卷电机带动翻卷机构旋转180°,备用气涨轴转至主动辊一侧,将已收好的膜卷旋转至卸卷位置,同时飞刀切断薄膜,套在备用气涨轴的纸管上已缠上了胶粘带,新薄膜将粘在备用气涨轴的纸管上,由收卷辊带动进行下一次收卷。

水冷却系统

本机配有二台水泵(由二台交流电机驱动),分别向料筒冷却部分、流延辊强制供应符合工艺要求的冷却水。

电气控制部分

整机控制采用(Siemens)西门子S7-300PLC控制系统,LED大屏幕彩色触摸屏显示,并配有电源控制、温度控制、挤出控制、牵引控制、收卷控制等多个电控柜,总操作及收卷操作等二个操作台,可对EVA膜生产的全过程:真空上料,料筒的温度,螺杆的挤出速度、压力,模头的温度,流延压花辊的转速和温度,薄膜厚度,牵引,边料回收,快速断膜,收卷等有关参数进行设定、显示、适时监控、修改;可实现机组各部件动作的协调、同步、高效及全自动控制。系统具有工艺参数储存及故障自我诊断显示、报警功能。整机设有手动、自动操作。

1) 温控部分采用欧陆MIN18或RKC温控模块,设定与监控进入人机界面。

2) 流延辊、卷取机构采用矢量闭环变频器控制三相交流变频电机加减速机构驱动,挤出螺杆、采用开环V/F变频器控制三相交流变频电机+减速机构驱动,可实现单机运转、整机联动、同步。

3) 测厚仪的反馈信号与计算机相连,经分析计算,可调整螺杆转速、模唇开口间隙(手调)、牵引速度等,以控制薄膜厚度在规定的精度范围内。

太阳能新光伏材料的开发及进展

最近几年,世界各国在开发太阳能光伏材料方面又取得了新的进展和突破,如:道康宁公司在美国密歇根州Freeland新的太阳能应用中心于2009年9月10日宣布,为顺应太阳能光伏工业的特定需求,而拓展开发新材料业务,为太阳能光伏(PV)工业推出了新粘合剂和密封剂:道康宁PV-8303超快速固化密封剂和道康宁PV-8030粘合剂,应用于粘合和密封光伏模块组件。这种材料并可替代常用的乙烯基醋酸酯树脂,可大大提高太阳能板生产效率、有效地降低太阳能发电的成本。据称,这一技术揭示了太阳能工业又向前推进了一步,并有助于使太阳能发电成为全球可持续利用的能源方案。

拜耳材料科技公司通过和德国一家公司合作于2008年6月中旬宣布,研发人员开发成功的一种耐光热塑性聚氨酯,为太阳能电池的生产提供了新的解决方案。这种聚氨酯制成一种商品名为VISTASOLAR的新型薄膜,将其用作太阳能电池原料替代传统的EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚物)薄膜,不仅使太阳能电池的生产更为方便和快捷,也大大提高了太阳能电池的发电效率。耐光聚氨酯薄膜具有很好的透明性,透光性好,熔点高,在制作太阳能电池时不必进行交联,可加快太阳能电池的生产过程,减少生产周期,同时还能提高太阳能电池的发电效率和利用率。因为热塑性聚氨酯可重新熔融,遇到质量问题需要拆修时,可以快速、方便地更换有瑕疵或坏掉的组件,而以前遇到这样的问题不管是修复还是再生产都需要花很长时间,并使其内部昂贵的太阳能电池可再次使用,与采用EVA封装膜相比,节省时间,降低维修费用。

近年来,世界上许多公司竞相开发研究太阳电池的一个新品种-柔性衬底薄膜太阳电池,所谓柔性衬底太阳电池是指在柔性材料(如不锈钢、聚醋膜)上制作的电池,与平板式晶体硅、玻璃衬底的非晶硅等硬衬底电池相比,其最大的特点是重量轻、可折叠和不易破碎。目前从事这项研究的有美国的United SolarSystems公司(United Solar),欧洲的VHF-technologies公 司,日本的Sharp公司和 Sanyo公司,及国内的天津津能电池有限公司、上海空间电源研究所等。以美国Uni-Solar公司采用不锈钢作衬底为例,不锈钢的厚度仅为127μm,且具有极好的柔软性,可以任意卷曲、裁剪、粘贴, 既使弯成很小的半径,作数百次卷曲,电池性能也不会发生变化。而以高分子聚合物聚酰亚胺为柔性衬底制备的非晶硅太阳电池,器件总厚度约100μm左右(含封装层),功率重量比可达到500W/kg以上,比不锈钢衬底非晶硅电池高出近十倍,是世界上最轻的太阳能电池。

可以预期,随着这些新技术、新材料的不断推出,太阳能电池的成本会进一步降低,其应用前景会更加广阔。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (9/25/2012)
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