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摘要:

高質(zhì)量高可靠的地面用晶硅雙玻組件TSM-PDG5（后面簡(jiǎn)稱雙玻組件）是天合光能開(kāi)發(fā)的一款差異化產(chǎn)品。該雙玻組件取消鋁邊框和傳統(tǒng)聚合物材料的背板，正反面都采用2.5mm薄玻璃的封裝結(jié)構(gòu)，是一款可以全面應(yīng)用于地面電站、商業(yè)、民用屋頂及農(nóng)業(yè)大棚的高可靠長(zhǎng)壽命組件產(chǎn)品。其先進(jìn)性在于：全球首家采用2.5+2.5mm薄玻璃的封裝結(jié)構(gòu)，獲得TUV61215[1]和UL1703[2]雙認(rèn)證；獲得亞太首家UL及TUV的最高防火等級(jí)Class A等級(jí)證書(shū)；具有優(yōu)良的抗PID性能；卓越的抗鹽霧、酸堿和沙塵的耐候性能；雙層玻璃的設(shè)計(jì)，可以有效地保護(hù)電池片，防止電池片隱裂；無(wú)金屬邊框，免接地，安裝更快捷，節(jié)省人力成本，有效降低LCOE；減少邊緣積灰，降低日常維護(hù)保養(yǎng)成本；能滿足1500V系統(tǒng)電壓設(shè)計(jì)；其特殊設(shè)計(jì)的安裝夾具可達(dá)到正壓6700Pa和負(fù)壓5400Pa的載荷性能，適合颶風(fēng)區(qū)應(yīng)用。

背景

隨著光伏發(fā)電市場(chǎng)需求的不斷增加，客戶對(duì)光伏產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性以及低LCOE要求越來(lái)越高，開(kāi)發(fā)高可靠、長(zhǎng)壽命、便捷安裝等優(yōu)點(diǎn)的光伏組件產(chǎn)品成為必須。天合光能以光伏科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)，研究新技術(shù)，開(kāi)發(fā)出高效率低成本的產(chǎn)品，雙玻組件就是其中之一。PV-Tech網(wǎng)站公布“2013年最受歡迎新品發(fā)布前十位”，天合光能的雙玻組件排名第二。該組件為高溫高濕和鹽霧酸堿地區(qū)使用光伏組件提供了很好的解決方案，解決了現(xiàn)有邊框組件中的背板作為有機(jī)材料在戶外容易降解的缺點(diǎn)，同時(shí)也解決了薄膜組件容易破裂和轉(zhuǎn)換效率低的缺點(diǎn)，是目前市場(chǎng)上最堅(jiān)固耐用的組件之一。目前常規(guī)組件在長(zhǎng)期使用中，作為高分子聚合物的背板有機(jī)材料在戶外使用過(guò)程不可避免的產(chǎn)生降解老化而影響組件產(chǎn)品的耐候、絕緣性能和降低輸出功率，使用玻璃這個(gè)無(wú)機(jī)材料代替背板能很好的解決這一問(wèn)題。

雙玻組件的設(shè)計(jì)

該組件采用6*10pcs電池片串聯(lián)，正反兩面都由2.5mm薄強(qiáng)化玻璃的封裝結(jié)構(gòu)，開(kāi)創(chuàng)了行業(yè)的先例。圖一是該雙玻組件的示意圖，圖二雙玻組件和和傳統(tǒng)邊框組件的截面圖，表一列出了雙玻組件，傳統(tǒng)組件和薄膜組件的區(qū)別。同時(shí)為了提高組件輸出功率，電池片背面的EVA封裝材料采用白色EVA，也可以使用2層透明EVA，用于農(nóng)業(yè)大棚，車棚等場(chǎng)所。

雙玻組件的技術(shù)難點(diǎn)

白色EVA的應(yīng)用

傳統(tǒng)組件，前后EVA都采用透明EVA，但是背板是白色的，具有較好的反射功能用以提高組件輸出功率，如果背板采用透明玻璃，那么功率就損失很大。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們創(chuàng)新的批量使用了白色EVA作為背面EVA，代替背板的這個(gè)反射功能，達(dá)到了和傳統(tǒng)組件一樣的效果，見(jiàn)圖三所示的反射率。因?yàn)椴捎冒咨獷VA，所以帶來(lái)了很多層壓工藝，如電池片和匯流條溢白（如層壓工藝章節(jié)中圖七和圖八），我們通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)和工藝摸索，成功的解決了這個(gè)問(wèn)題。
前后玻璃都采用2.5mm薄玻璃，并實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)這款雙玻組件和傳統(tǒng)的BIPV雙玻組件不同之處在于，BIPV組件一般為了滿足建筑需要，玻璃厚度需要5mm以上，封裝材料需要用PVB，而且定制化要求很高，因此具有重量大，層壓工藝非常困難（一般良率只有80%左右），
價(jià)格高的缺點(diǎn)而不能全面推廣。

而對(duì)于傳統(tǒng)邊框組件，使用的前板超白壓花鋼化玻璃厚度一般為3.2mm，因?yàn)?.2mm厚度對(duì)于玻璃的原片壓花生產(chǎn)工藝和鋼化工藝，都已經(jīng)是極限厚度了，2.5mm雖然,有使用，但都是實(shí)驗(yàn)和樣品階段，天合光能與戰(zhàn)略供應(yīng)商共同開(kāi)發(fā)，一起克服了這個(gè)困難，實(shí)現(xiàn)了2.5mm玻璃的量產(chǎn)，其中特別是鋼化工藝，不但要保證一定的強(qiáng)度，而且要保證較好的平整度。

前后玻璃均采用2.5mm強(qiáng)化玻璃，不但解決了薄膜組件重量大，效率低的問(wèn)題，也解決了薄膜組件因?yàn)楸∧こ练e的工藝需要，前板玻璃只能采用原片玻璃，因此玻璃強(qiáng)度不夠，引起安裝使用過(guò)程容易破損的缺點(diǎn)。同時(shí)后玻璃解決了普通組件背板的高分子材料較弱的耐候性能和高水汽透過(guò)率的問(wèn)題，又由于其自身的強(qiáng)度大幅度提高，取消了鋁邊框，同時(shí)實(shí)現(xiàn)免接地，大幅降低了組件成本和系統(tǒng)BOS成本，成為一款適用于地面電站，商業(yè)和民用屋頂?shù)炔煌瑧?yīng)用方向的高可靠長(zhǎng)壽命組件產(chǎn)品。

背面薄玻璃的打孔技術(shù)

對(duì)于雙玻組件，有很多公司都比天合光能要早1~2年進(jìn)行研發(fā)和展出，但是一直沒(méi)有量產(chǎn)，究其主要原因，一是因?yàn)閷訅汗に嚨牧悸什桓?，一般只?0%左右，導(dǎo)致成本大幅度增加，二是因?yàn)榻M件設(shè)計(jì)問(wèn)題，其中特別是接線盒的選用，一般采用小的側(cè)邊接線盒，如圖四，這樣組件設(shè)計(jì)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但是很多可靠性不能保證和滿足，如絕緣性能，UL的低溫沖擊。天合光能經(jīng)過(guò)對(duì)各種不同的接線盒方案和組件設(shè)計(jì)，最后選擇了背面玻璃打孔如圖五，采用和常規(guī)組件一樣的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)和引出線設(shè)計(jì)，但是這樣一來(lái)，薄玻璃的打孔技術(shù)成為了玻璃深加工行業(yè)的一大難題。天合光能全面調(diào)研了相關(guān)技術(shù)，和供應(yīng)商共同研究，調(diào)試，摸索，最后成功實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)。

層壓工藝

如前所述，一般雙玻組件的良率只有80%左右，主要工藝不良有氣泡，電池串移位，電池破片（圖六），白色EVA溢到電池片和匯流條（圖七和圖八）等，天合光能經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)的實(shí)驗(yàn)和摸索，成功的克服了這個(gè)行業(yè)第一大難題，量產(chǎn)工藝良率達(dá)到了96%以上，為雙玻的量產(chǎn)和全面推廣起到了決定性的作用。

雙玻的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

最高防火等級(jí)Class A，提高安全性能當(dāng)組件安裝在屋頂上，其防火安全性能就顯得特別重要。光伏系統(tǒng)由于熱斑和電弧等故障的影響，會(huì)有發(fā)生自燃的隱患，一旦發(fā)生，就會(huì)引起屋頂火災(zāi)。經(jīng)常會(huì)有報(bào)導(dǎo)，在裝有光伏系統(tǒng)的屋頂，會(huì)因?yàn)楣夥到y(tǒng)的故障帶來(lái)組件自燃
和屋頂火災(zāi)，給用戶帶來(lái)巨大的損失（如圖九、十）。

究其原因，是因?yàn)榻M件的防火等級(jí)不夠。根據(jù)UL 790[3]的燃燒塊測(cè)試和火焰蔓延測(cè)試，分為3個(gè)防火等級(jí)，防火能力從高到低分別為Class A，B，C。一般情況下，傳統(tǒng)組件因?yàn)楸嘲迨歉叻肿泳酆衔锊牧希虼巳菀灼鸹鹑紵纬傻温湮?，所以防火測(cè)試只有Class C。 而雙玻組件因其特殊結(jié)構(gòu)，由于沒(méi)有高分子背板材料的可燃物，可以達(dá)到ClassA，大大提高了防火性能。天合光能也憑此獲得了亞太首家UL及TUV的最高防火等級(jí)A級(jí)并取得認(rèn)證證書(shū)。

卓越的耐候性能，提高組件使用壽命

傳統(tǒng)組件的背板有一定的透水率，會(huì)吸進(jìn)氧氣、水汽，加速材料的降解，引起背板老化、裂開(kāi)，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致組件內(nèi)部發(fā)生電化學(xué)腐蝕，增加出現(xiàn)PID和黑線的概率。背板使用無(wú)機(jī)材料的玻璃后，因?yàn)椴ＡР牧喜煌杆?，戶外長(zhǎng)期使用中不會(huì)降解，所以避免了這些問(wèn)題，并且具有優(yōu)良的抗鹽霧、酸堿，沙塵等性能，同時(shí)可以滿足1500V系統(tǒng)電壓，抗熱斑能力強(qiáng)。天合光能光伏科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)雙玻組件進(jìn)行了大量的長(zhǎng)期可靠性測(cè)試，結(jié)果表明，雙玻組件具有卓越的高可靠性，部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)下圖十一所示。



優(yōu)良的載荷和抗EL性能

雙層夾膠玻璃結(jié)構(gòu)能夠提供更高的剛度和撓度，因此在同樣的載荷下，雙玻的變形量要遠(yuǎn)低于普通邊框組件。如下圖十二所示，用FEA模擬分析雙玻組件在5400Pa的載荷測(cè)試過(guò)程中變形量均勻，最大變形量比普通組件降低了接近40%，在實(shí)際載荷時(shí)候的變形量也和這個(gè)數(shù)值非常接近。

同時(shí)，雙玻組件上下玻璃厚度一致，電池片在組件結(jié)構(gòu)的中性層，這種獨(dú)特的夾心面包特殊的設(shè)計(jì)方式使得中性層上無(wú)應(yīng)力，如圖十三。大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也表面，雙玻組件在生產(chǎn)，運(yùn)輸，安裝過(guò)程幾乎沒(méi)有EL隱裂。
雙玻組件的安裝和應(yīng)用：

雙玻組件可以用于大型地面電站，民用和商業(yè)屋頂，也更適用于大棚組件。

大型地面電站安裝

和薄膜組件的安裝方式相同，也是采用4個(gè)Clamp實(shí)現(xiàn)同樣的應(yīng)用，天合對(duì)市場(chǎng)上的Clamp夾具進(jìn)行的仔細(xì)的研究和改進(jìn)設(shè)計(jì)，如圖十四，給組件邊沿提供了更多的變形空間，可以提高載荷能力大約40%，從而達(dá)到正壓6700Pa，負(fù)壓5400Pa，適合于各種颶風(fēng)地區(qū)。



適用于平屋頂?shù)恼郫B式易安裝結(jié)構(gòu)這款設(shè)計(jì)完全是有天合光能自主開(kāi)發(fā)，擁有PCT國(guó)際專利的新型安裝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，適用于平屋頂光伏安裝系統(tǒng)的解決方案。天合光能也因此獲得了亞太地區(qū)首張UL2703[4]認(rèn)證證書(shū)，并且同時(shí)通過(guò)了UL1703和IEC61215的雙認(rèn)證和Class A的防火等級(jí)認(rèn)證。該設(shè)計(jì)的安裝支架折疊在組件背面，如圖十五，配件少，自帶接地系統(tǒng)，安裝速度快，較同類產(chǎn)品安裝速度提高4~5倍；并且不需要生根打孔，完全不會(huì)破壞屋頂?shù)姆浪畬雍兔芊庑阅埽徽麄€(gè)安裝系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了輕量化，只有16.6Kg/m2，并且具有安裝密度高、投資回報(bào)時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)；也達(dá)到了防火最高等級(jí)Class A。該設(shè)計(jì)為平屋頂?shù)膽?yīng)用和中國(guó)目前火熱的分布式電站提供了完美的解決方案，已經(jīng)有很多客戶安裝使用，得到了高度好評(píng)。示范工程之一見(jiàn)圖十六。 


總結(jié)

天合光能已經(jīng)完成了雙玻組件的研發(fā)設(shè)計(jì)，認(rèn)證，并且實(shí)現(xiàn)了全面量產(chǎn)，目前產(chǎn)能達(dá)到200MW/年以上，成為行業(yè)里第一個(gè)宣布量產(chǎn)的企業(yè)，第一個(gè)拿到雙玻全套認(rèn)證（包括IEC61215，UL2703和UL2703，F(xiàn)ire test Class A）的企業(yè)，其中fire test Class A和UL2703是亞太地區(qū)首家拿到該認(rèn)證的光伏企業(yè)。天合光能的大量可靠性實(shí)驗(yàn)表明，雙玻在各項(xiàng)長(zhǎng)期可靠性方面均遠(yuǎn)優(yōu)于普通組件，因此將雙玻組件質(zhì)保從25年延長(zhǎng)到30年，為客戶帶來(lái)了更多的價(jià)值。 自2013年3月份全面上市后得到了客戶的一致認(rèn)可和好評(píng)，這款高質(zhì)量高可靠的雙玻組件必將引領(lǐng)了光伏行業(yè)組件產(chǎn)品技術(shù)的新發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

1 IEC Standard, “Crystalline silicon terrestrial photovoltaic (PV)modules-Design qualification and type approval”, IEC61215-2005.

2 UL standard,“UL Standard for Safety for Flat-Plate PhotovoltaicModules and Panels”, UL 1703 Third Edition, Dated March 15,2002

3 UL Standard, “Standard Test Methods for Fire Tests of RoofCoverings”, UL 790, Eighth Edition, April 22, 2004.

4 UL standard,”RACK MOUNTING SYSTEMS AND CLAMPINGDEVICES FOR FLAT-PLATE PHOTOVOLTAIC MODULES ANDPANELS” UL2703

5 《材料力學(xué)》第4版 劉鴻文 主編 高等教育出版社