華夏易能（南京）新能源有限公司 ■ 衛(wèi)成剛 陸傳達(dá) 王奇

0 引言

隨著我國(guó)現(xiàn)代化及城市化建設(shè)進(jìn)程的加快，越來(lái)越多新技術(shù)及新材料被運(yùn)用到建筑領(lǐng)域[1-2]。在光伏建筑一體化(BIPV)領(lǐng)域，薄膜光伏組件較傳統(tǒng)的晶體硅光伏組件有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[3-4]，大力推廣薄膜光伏組件在BIPV領(lǐng)域的應(yīng)用顯得尤為重要。由于建設(shè)大規(guī)模光伏幕墻的初期投資成本較高，另外還需要改變?cè)O(shè)計(jì)師傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)觀念，推廣難度較大，因此，如何將薄膜光伏組件與現(xiàn)已廣泛使用的建筑材料完美結(jié)合成為當(dāng)前的研究重點(diǎn)。國(guó)內(nèi)已有一種光伏彩鋼板的研究專利，是通過一系列的設(shè)計(jì)巧妙地將新型建筑材料——輕鋼結(jié)構(gòu)彩鋼板與薄膜光伏組件完美結(jié)合，從而得到這種新型的功能型綠色建筑材料[5-6]。由于其具有環(huán)保發(fā)電的功能，目前受到越來(lái)越多的關(guān)注和研究。

本文將開發(fā)一種由薄膜光伏組件和彩鋼夾芯復(fù)合板有機(jī)結(jié)合的新型BIPV光伏彩鋼板及光伏彩鋼單元，并將該產(chǎn)品融入彩鋼板的連續(xù)生產(chǎn)線中，實(shí)現(xiàn)BIPV光伏彩鋼板的自動(dòng)化生產(chǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 薄膜光伏組件與彩鋼板的結(jié)合設(shè)計(jì)

彩鋼板通過邊口成型后，作為背面板，將帶有支撐的薄膜光伏組件放置其內(nèi)部，然后通過聚氨酯發(fā)泡實(shí)現(xiàn)彩鋼板與組件的結(jié)合固定，最終完成產(chǎn)品[7]。圖1為該BIPV光伏彩鋼板的設(shè)計(jì)圖及實(shí)物圖。

圖1 BIPV光伏彩鋼板設(shè)計(jì)圖及實(shí)物圖

1.1.1 背面板邊口成型設(shè)計(jì)

將彩鋼板放置在下開卷機(jī)，經(jīng)過夾送結(jié)構(gòu)傳輸進(jìn)入鋼板成型機(jī)，在成型機(jī)中直接軋制背面板，通過多道成型工藝最終實(shí)現(xiàn)邊口成型[8]。鋼板成型機(jī)是保證尺寸精度和板型的重要設(shè)備，對(duì)于板材的安裝精度來(lái)說極為重要。鋼板成型機(jī)寬度采用固定形式，在生產(chǎn)背面板時(shí)，應(yīng)確保機(jī)器不跑偏，達(dá)到幾何形狀規(guī)范。通過鋼板成型機(jī)，可將薄膜光伏組件牢固地鑲嵌在彩鋼板中，為后續(xù)的發(fā)泡及成型奠定基礎(chǔ)，降低建設(shè)二次成本。圖2 為背面板邊口成型圖及鋼板成型機(jī)實(shí)物圖。

圖2 背面板邊口成型圖及鋼板成型機(jī)實(shí)物圖

1.1.2 聚氨酯發(fā)泡設(shè)計(jì)

聚氨酯主要由聚醚多元醇(A)和異氰酸酯(B)雙組份通過一定的配比混合發(fā)泡而成。聚醚多元醇和異氰酸酯分別通過槍頭注入，然后經(jīng)過加壓和一定時(shí)間的發(fā)泡凝固。聚氨酯發(fā)泡生產(chǎn)設(shè)備配有可隨時(shí)顯示工作狀態(tài)、液位、溫度、壓力、流量、原料配比及布料往復(fù)速度等各種參數(shù)的控制窗口，且可根據(jù)生產(chǎn)線速度及生產(chǎn)工藝實(shí)現(xiàn)流量、壓力、布料往復(fù)速度的自動(dòng)閉環(huán)調(diào)整，以確保發(fā)泡的品質(zhì)。本研究中，聚氨酯雙組份的物理性質(zhì)如表1所示，其按重量配比混合為 A∶B=100∶(140～180)。

表1 聚氨酯雙組份的物理性質(zhì)

聚氨酯發(fā)泡的反應(yīng)時(shí)間也是控制聚氨酯發(fā)泡品質(zhì)的一個(gè)重要因素。本研究對(duì)JAZ-01型聚氨酯發(fā)泡的反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了較為詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

表2 JAZ-01型聚氨酯發(fā)泡各階段反應(yīng)時(shí)間

通過對(duì)聚氨酯發(fā)泡配比和發(fā)泡反應(yīng)時(shí)間的研究，得到了品質(zhì)較好的聚氨酯有機(jī)材料，其各項(xiàng)性能基本可滿足BIPV光伏彩鋼板的生產(chǎn)要求。JAZ-01型聚氨酯泡沫的性質(zhì)如表3所示。

發(fā)泡的難點(diǎn)在于控制比例分配和壓力調(diào)節(jié)。由于發(fā)泡時(shí)的壓力較高，玻璃體存在碎裂的可能，可通過調(diào)節(jié)發(fā)泡壓力、設(shè)計(jì)減壓緩沖墊等方案來(lái)解決這一難題。圖3為聚氨酯發(fā)泡后的樣品圖及剝離狀況。

表3 JAZ-01型聚氨酯泡沫的性質(zhì)

圖3 聚氨酯發(fā)泡后的樣品圖及剝離狀況

1.2 預(yù)留接線盒和引線設(shè)計(jì)

發(fā)泡之前，先將背面彩鋼板打好孔，放置薄膜光伏組件后，引線穿過該孔，在孔邊緣放置1個(gè)墊子，防止后序發(fā)泡泄漏。背面板預(yù)留接線凹槽，以便引線通過。圖4 為BIPV 光伏彩鋼板的接線盒及引線設(shè)計(jì)圖。

圖4 BIPV 光伏彩鋼板的接線盒及引線設(shè)計(jì)

1.3 光伏彩鋼板各單元的連接固定設(shè)計(jì)

BIPV光伏彩鋼板各單元采用橫向或豎向搭接。將BIPV光伏彩鋼板單元用自攻釘固定在墻面檁條上，2個(gè)獨(dú)立的BIPV光伏彩鋼板單元之間的縫隙先填充防火/保溫材料，然后打膠水，用U型壓片縫條，打螺栓固定，然后再放1個(gè)卡鍵嵌合，完成單元對(duì)接和收邊。如此設(shè)計(jì)可形成良好的保溫區(qū)間，隔斷熱橋，保溫效果明顯。

2 結(jié)果與分析

為驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)方案的可靠性，本實(shí)驗(yàn)共制作樣品8塊(編號(hào)為1#～8#)，按照光伏組件測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，分別對(duì)樣品進(jìn)行組件電性能測(cè)試、絕緣耐壓測(cè)試及濕漏電測(cè)試[9]。

2.1 組件電性能測(cè)試

本測(cè)試使用德雷射科太陽(yáng)能模擬器，在測(cè)試前進(jìn)行了校準(zhǔn)，以減小誤差。每塊樣品測(cè)試次數(shù)為10次，結(jié)果取平均值，具體測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 組件電性能測(cè)試結(jié)果

由表4可知，與標(biāo)準(zhǔn)版的數(shù)據(jù)比較，BIPV光伏彩鋼板樣品的電性能并未有明顯下降，這說明薄膜光伏組件經(jīng)過彩鋼夾芯復(fù)合板壓合等工藝后，仍可滿足一般薄膜光伏組件的發(fā)電功能。

2.2 組件絕緣耐壓測(cè)試

本測(cè)試項(xiàng)目是測(cè)定組件中的載流部分與組件邊框或外部空間之間的絕緣是否良好，測(cè)試設(shè)備為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試儀器，具體測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表5 組件絕緣耐壓測(cè)試結(jié)果

組件絕緣耐壓測(cè)試結(jié)果漏電電流值＜50 μA即視為通過。由表5可知，所有樣品均通過測(cè)試，都達(dá)到了絕緣要求。

2.3 組件濕漏電測(cè)試

本測(cè)試項(xiàng)目是評(píng)價(jià)組件在潮濕工作條件下的絕緣性能，驗(yàn)證雨、霧、露水或融雪的潮氣等不能進(jìn)入組件的工作部分。測(cè)試設(shè)備為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試儀器，選擇組件4邊的中點(diǎn)位置a、b、c、d作為測(cè)試點(diǎn)。樣品中，部分組件含有封裝膠膜EVA，部分組件不含EVA，將二者的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。具體測(cè)試結(jié)果如表6所示。

組件濕漏電測(cè)試電阻＞51 MΩ即視為通過。由表6的數(shù)據(jù)可以看出，EVA能起到保護(hù)組件不受水汽侵入影響的作用，提高了組件的安全可靠性。因此，后續(xù)樣品制作及產(chǎn)品生產(chǎn)將采用EVA封裝方式。

經(jīng)過重復(fù)性測(cè)試，得出了該BIPV光伏彩鋼板的基本性能參數(shù)[10-12]，如表7所示。

表6 組件濕漏電測(cè)試結(jié)果

表7 BIPV光伏彩鋼板的基本性能參數(shù)

后續(xù)研究將針對(duì)組件的散熱性能對(duì)BIPV光伏彩鋼板進(jìn)行改良。一方面，對(duì)薄膜光伏組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，用散熱性能更好的材料取代背板玻璃；另一方面，在彩鋼板四周合理設(shè)計(jì)散熱通風(fēng)孔，便于BIPV光伏彩鋼板發(fā)散熱量，降低溫度升高對(duì)組件發(fā)電功率下降的不利影響。

3 結(jié)論

本文主要開發(fā)了一種主體為薄膜光伏組件/聚氨酯(PU)/彩鋼板的“三明治”結(jié)構(gòu)的BIPV建筑材料，利用彩鋼板成型結(jié)構(gòu)技術(shù)，將薄膜光伏組件和彩鋼夾芯板二者有機(jī)結(jié)合，并利用聚氨酯發(fā)泡材料進(jìn)行粘接，實(shí)現(xiàn)了薄膜光伏組件的機(jī)械支撐和該類組件之間的有效互連，同時(shí)保證了整個(gè)BIPV光伏彩鋼板的機(jī)械性能和熱工性能。經(jīng)過組件電性能測(cè)試、絕緣耐壓測(cè)試及濕漏電測(cè)試等可靠性測(cè)試，該BIPV光伏彩鋼板單位面積輸出功率≥65 W，絕緣耐壓性好，濕漏電測(cè)試(含EVA封裝膠膜)電阻＞51 MΩ，粘結(jié)強(qiáng)度≥0.09 MPa，燃燒性能達(dá)到B2級(jí)，耐火等級(jí)為二級(jí)，基本滿足國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)的要求。這種新型的BIPV光伏彩鋼板將成為一種兼具發(fā)電功能的時(shí)尚、綠色、低碳的建筑材料，滿足高端鋼結(jié)構(gòu)綠色建筑的需要。