官 敏，彭 壽,，邢寶山，曹 欣，常 鄭

(1.中國(guó)建材國(guó)際工程集團(tuán)有限公司，上海 200063；2.中建材蚌埠玻璃工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，蚌埠 233000)

0 引 言

光伏發(fā)電是 21 世紀(jì)重要的新能源產(chǎn)業(yè)，截止到2018年，我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)全球占比達(dá) 70%以上，并仍保持高速增長(zhǎng)。光伏組件由光伏玻璃和太陽(yáng)能電池片構(gòu)成，是太陽(yáng)能運(yùn)用中的核心器件，其中雙玻組件具有發(fā)電效率高、壽命長(zhǎng)、易于建筑集成等優(yōu)勢(shì)，是光伏建筑一體化的理想材料，預(yù)計(jì)未來(lái)將超過(guò)單玻組件成為光伏組件的主流產(chǎn)品。光伏組件的輕量化可以降低制造和配套設(shè)施成本，提高組件的安裝效率，減輕建筑和大棚的承重，在光伏建筑一體化中應(yīng)用效益十分顯著。光伏玻璃薄型化對(duì)光伏組件，尤其是雙玻組件的輕量化貢獻(xiàn)巨大，且同時(shí)能夠提高太陽(yáng)光透過(guò)率和組件的散熱能力。目前在光伏組件中應(yīng)用的光伏玻璃厚度主要為3.2 mm和4.0 mm，少數(shù)幾家可以生產(chǎn)厚度為2.5 mm和2.0 mm的光伏玻璃，但基本都存在成品率低，玻璃板厚薄差大，壓延花紋變形等問(wèn)題，更薄的光伏玻璃還未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)[1]。因此，開(kāi)發(fā)高強(qiáng)超薄光伏玻璃是我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)的迫切需求！

高強(qiáng)超薄光伏玻璃規(guī)?；圃旒夹g(shù)成為亟待攻克的技術(shù)難題。光伏組件復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境要求超薄光伏玻璃保持較高的強(qiáng)度，現(xiàn)有玻璃料方無(wú)法滿(mǎn)足要求；玻璃厚度向2.5 mm以下發(fā)展，現(xiàn)有熔化、成形等工藝技術(shù)無(wú)法滿(mǎn)足要求；超薄光伏玻璃生產(chǎn)對(duì)工藝控制精度、全過(guò)程智能化提出了更高的要求，需要多學(xué)科、多技術(shù)的交叉與融合[2]。針對(duì)以上難點(diǎn)，中國(guó)建材國(guó)際工程集團(tuán)有限公司組織聯(lián)合攻關(guān)，開(kāi)發(fā)高強(qiáng)高透超薄光伏玻璃料方，開(kāi)發(fā)高透熱玻璃液多級(jí)熔窯結(jié)構(gòu)；研發(fā)高壓超薄壓延成形工藝技術(shù)及裝備；開(kāi)發(fā)“低變形傳輸、立體網(wǎng)狀溫度控制”退火技術(shù)；搭建超薄光伏玻璃智能工廠架構(gòu)，建設(shè)了國(guó)際首條工業(yè)化穩(wěn)定生產(chǎn)1.5～2.5 mm的超薄壓延光伏玻璃的生產(chǎn)線(xiàn)，技術(shù)鏈如圖1所示。

圖1 超薄光伏玻璃技術(shù)鏈
Fig.1 Ultra-thin photovoltaic glass technology chain

1 創(chuàng)新技術(shù)及應(yīng)用

1.1 環(huán)保、長(zhǎng)料性壓延玻璃氧化物組成體系

圖2 1.5 mm厚度的產(chǎn)品Fig.2 Product with thickness of 1.5 mm

針對(duì)超薄光伏玻璃具有的環(huán)保、高強(qiáng)、高溫快速成形等物化、工藝性能需求，設(shè)計(jì)RO-R2O3-SiO2-CeO2系氧化物組成體系。系統(tǒng)開(kāi)展了光伏玻璃組分-網(wǎng)絡(luò)構(gòu)效關(guān)系研究，探明玻璃網(wǎng)絡(luò)形成體、中間體及外體的比例對(duì)玻璃結(jié)構(gòu)和性能的影響，延長(zhǎng)玻璃液料性、降低熔化溫度，優(yōu)化壓延性能。研發(fā)高CeO2含量的環(huán)境友好型復(fù)合澄清劑，大幅度降低微氣泡缺陷，透過(guò)率提升至92%，原片產(chǎn)品性能指標(biāo)(見(jiàn)表1)全面滿(mǎn)足下游生產(chǎn)廠商生產(chǎn)及使用的嚴(yán)苛需求。如圖2所示，產(chǎn)品厚度測(cè)量為1.5 mm。

表1 項(xiàng)目成果與國(guó)外產(chǎn)品性能對(duì)比Table 1 Performance comparison of project results and foreign product

1.2 高透熱玻璃液多級(jí)澄清高效熔窯結(jié)構(gòu)

高強(qiáng)高透光伏玻璃液鋁硅含量高，底表層溫差小，垂直對(duì)流弱，均勻性差。厚度降低使產(chǎn)品對(duì)氣泡的容忍度大幅度下降，超薄光伏玻璃澄清均化難度較普通光伏玻璃大幅上升，達(dá)50%以上，成為提高產(chǎn)品質(zhì)量的技術(shù)瓶頸。

針對(duì)池底“滯止區(qū)”對(duì)玻璃液流動(dòng)影響較大的問(wèn)題，開(kāi)展了熔窯多維度溫度場(chǎng)、流場(chǎng)分布研究，開(kāi)發(fā)出分級(jí)匯流新型熔窯結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖3(a))[3]，大幅提升玻璃液的均勻性，降低低溫“滯止”玻璃液占比，將低溫“滯止”玻璃液區(qū)域前移，使“滯止區(qū)”內(nèi)不良玻璃液充分澄清，微氣泡澄清率提升至82.5%(見(jiàn)圖3(b))。

針對(duì)底層玻璃液回流會(huì)嚴(yán)重影響成形流質(zhì)量，開(kāi)發(fā)1.2 m窄淺卡脖限流調(diào)溫技術(shù)，如圖4(a)所示，在具備傳統(tǒng)“寬卡脖+深層水包”調(diào)溫效率的同時(shí)，大幅度減少底層玻璃液的流入量，提升玻璃液成形質(zhì)量，減少使用深層水包的能量消耗。窄卡脖結(jié)構(gòu)配合使用多臺(tái)階池底結(jié)構(gòu)時(shí)，澄清帶玻璃液的表層平均溫度大幅度提高，通過(guò)圖4(b)中的數(shù)據(jù)計(jì)算，澄清指數(shù)提升了8.4%[4]。

圖3 (a)超薄光伏玻璃多級(jí)窯爐池底結(jié)構(gòu)玻璃液匯流模擬圖;(b)單級(jí)和多級(jí)池底指標(biāo)對(duì)比
Fig.3 (a) Simulation diagram of glass confluent flow in multistage furnace bottom structure for ultra-thin photovoltaic glass; (b) comparison of single and multistage bottom indexes

圖4 (a)1.2 m窄卡脖的工藝示意圖;(b)相關(guān)參數(shù)比較
Fig.4 (a) Process diagram of 1.2 m narrow neck; (b) comparison of relative parameter

1.3 高壓超薄壓延成形工藝技術(shù)及裝備

超薄光伏玻璃壓延成形溫度高、速度快，需要施加多倍壓力并保證壓延輥的穩(wěn)定。超薄玻璃板單位面積載熱量小，容易產(chǎn)生形變，需要對(duì)厚度、速度、溫度等因素進(jìn)行協(xié)同控制，如圖5所示。通過(guò)對(duì)壓延成形過(guò)程中壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)的分布、壓延輥的熱通量變化和高溫高壓下輥體變形等理論研究，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，研發(fā)出反饋式超大壓力壓延成套工藝、立體多級(jí)差速控制技術(shù)，構(gòu)建開(kāi)放熱力學(xué)系統(tǒng)溫度場(chǎng)復(fù)合調(diào)控體系，實(shí)現(xiàn)“高壓力、高響應(yīng)、高轉(zhuǎn)速”超薄光伏壓延機(jī)核心裝備的國(guó)產(chǎn)化，實(shí)現(xiàn)超薄光伏玻璃的穩(wěn)定生產(chǎn)并有效控制了玻璃表面易出現(xiàn)邊部翹曲、輥印、橘皮、花紋變形等玻璃質(zhì)量缺陷的產(chǎn)生。

1.3.1 反饋式高壓壓延成套工藝

針對(duì)傳統(tǒng)壓延成形壓延輥壓力場(chǎng)小，輥壓分布不均及穩(wěn)定性差的技術(shù)難題。超大壓力壓延成套工藝，輥壓達(dá)到5 000 kg，提升500%；開(kāi)發(fā)反饋式自加壓壓力控制系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)壓力調(diào)節(jié)過(guò)程實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，保證了高壓場(chǎng)條件下輥壓分布的穩(wěn)定及精確調(diào)整，全面滿(mǎn)足超薄光伏玻璃載熱量小、成形速度快的生產(chǎn)工藝特性需求。針對(duì)超高壓下壓延玻璃花紋變形難以精確控制的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了立體多級(jí)差速智能控制技術(shù)及智能化遠(yuǎn)程閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)壓延機(jī)的上、下壓延主輥和接應(yīng)輥的多級(jí)速差精準(zhǔn)控制、匹配和調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)超薄光伏玻璃逐級(jí)可控拉薄[5]?？v向厚薄差為±0.08 mm，優(yōu)于國(guó)際先進(jìn)水平±0.20 mm。

1.3.2 基于開(kāi)放熱力學(xué)系統(tǒng)的溫度場(chǎng)復(fù)合調(diào)控體系

熔窯溢流口為開(kāi)放的熱力學(xué)系統(tǒng)，該處玻璃液橫向溫差受到環(huán)境、冷卻水、風(fēng)、加熱元件等眾多因素的共同作用，同時(shí)其溫度場(chǎng)的均勻性將直接影響薄玻璃板的厚度均勻性，傳統(tǒng)的直接加熱方法已不能滿(mǎn)足生產(chǎn)需求。開(kāi)發(fā)橫向分區(qū)多單元微調(diào)控溫技術(shù)、多分腔體式分水急冷冷卻工藝及“回波型”冷氣墊系統(tǒng)等組成的復(fù)合調(diào)控體系，橫向溫差±1.5 ℃，較普通壓延玻璃橫向溫差±5.0 ℃，降幅達(dá)到70%，大幅提升超薄光伏玻璃厚度均勻性。

圖5 (a)壓延輥壓力和輥速與玻璃厚度的關(guān)系;(b)多區(qū)溫度場(chǎng)協(xié)同調(diào)控技術(shù)
Fig.5 (a) Relationship between roller pressure, roll speed and glass thickness; (b) multi-zone temperature field coordinated control technology

1.3.3 超薄光伏壓延機(jī)

開(kāi)發(fā)光伏玻璃大輥徑壓延輥，有效解決超高壓力下壓延輥?zhàn)冃未?、承壓不足、冷卻不均的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)壓延輥橫向溫差、壓力波動(dòng)、區(qū)域環(huán)境均勻可控，保證成形質(zhì)量；開(kāi)發(fā)高動(dòng)態(tài)響應(yīng)矢量控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)上、下壓延輥、過(guò)渡輥、退火窯等熱端各傳動(dòng)站速度的閉環(huán)控制，完全同步控制上、下壓延輥線(xiàn)速度，提升全線(xiàn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)和控制精度；開(kāi)發(fā)高轉(zhuǎn)速、多速比齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)多級(jí)速差成形工藝，全面滿(mǎn)足超薄光伏玻璃壓延成形工藝需求。圖6展示了操作現(xiàn)場(chǎng)的超薄光伏壓延機(jī)。

圖6 壓延機(jī)操作現(xiàn)場(chǎng)圖
Fig.6 Diagram of calender operation

圖7 退火窯溫度場(chǎng)模擬分析圖
Fig.7 Ultra-thin photovoltaic glass precision annealing kiln

1.4 “低變形傳輸、立體網(wǎng)狀溫度控制” 退火技術(shù)和“缺陷反饋，優(yōu)化切割”成套工藝

針對(duì)超薄光伏玻璃約在670 ℃進(jìn)入退火工段后，溫度急劇下降，橫向溫差加大并分布不均，對(duì)變形量影響巨大的技術(shù)難題。根據(jù)變形點(diǎn)變化特性，開(kāi)發(fā)低變形傳輸技術(shù)，設(shè)計(jì)多級(jí)變速傳輸及全承載支撐技術(shù)；開(kāi)發(fā)立體網(wǎng)狀溫度控制技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)超薄光伏玻璃板弓形彎曲度降低至0.18%，波形彎曲度降低至0.1%。圖7為超薄光伏玻璃精密退火窯現(xiàn)場(chǎng)圖。

針對(duì)普通光伏玻璃生產(chǎn)線(xiàn)冷端多以單臺(tái)自動(dòng)化生產(chǎn)，全線(xiàn)自動(dòng)化程度不高的技術(shù)難點(diǎn)。開(kāi)發(fā)以超薄壓光伏玻璃“缺陷檢測(cè)、分析、反饋”、“優(yōu)化切割”技術(shù)為核心，以“玻璃輸送調(diào)配跟蹤”、“堆垛系統(tǒng)”技術(shù)為輔助的聯(lián)動(dòng)、閉環(huán)、柔性控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)冷端全線(xiàn)聯(lián)動(dòng)，產(chǎn)品良率大幅提升。

1.5 超薄光伏玻璃智能工廠架構(gòu)

開(kāi)發(fā)超薄光伏玻璃生產(chǎn)分布式控制系統(tǒng)、制造執(zhí)行系統(tǒng)，并與企業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)、產(chǎn)品自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)高度集成。實(shí)施“大連線(xiàn)”系統(tǒng)，使玻璃從粉料入倉(cāng)到深加工成品下線(xiàn)的全部工藝生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)流程化，實(shí)現(xiàn)人、設(shè)備和系統(tǒng)之間的智能連接[6]。

首次將互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)與超薄光伏玻璃制造工業(yè)深度融合，創(chuàng)建超薄光伏玻璃智能化工廠控制與信息平臺(tái)，建立超薄光伏玻璃生產(chǎn)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)和 “建材云信息服務(wù)平臺(tái)”，突破傳統(tǒng)玻璃制造工業(yè)生產(chǎn)模式，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管控、設(shè)備管理、能源管理、供應(yīng)鏈管理、辦公、輔助決策等方面智能化應(yīng)用，構(gòu)建一個(gè)高效低耗、綠色環(huán)保的的智能化工廠，如圖8所示。

圖8 太陽(yáng)能超薄光伏玻璃智能工廠生產(chǎn)控制網(wǎng)
Fig.8 Solar ultra-thin photovoltaic glass intelligent factory production control network

2 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)攻克超薄光伏玻璃的配方、熔化、成形及退火關(guān)鍵技術(shù)，提高玻璃的壓延成形性能，實(shí)現(xiàn)對(duì)超薄光伏玻璃厚度和板面質(zhì)量的精確控制，并實(shí)現(xiàn)1.5～2.5 mm超薄光伏玻璃的工業(yè)化連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。開(kāi)發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超薄光伏玻璃的成套工藝及生產(chǎn)裝備，生產(chǎn)出滿(mǎn)足輕薄光伏組件蓋板及背板的原片玻璃，開(kāi)創(chuàng)超薄光伏玻璃智能化工廠典型架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)超薄光伏玻璃智能化制造，保持關(guān)鍵技術(shù)世界領(lǐng)先，實(shí)現(xiàn)我國(guó)超薄光伏玻璃技術(shù)的重大突破，填補(bǔ)了光伏產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵基礎(chǔ)材料缺失，在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中搶占了技術(shù)制高點(diǎn)，推動(dòng)了光伏組件輕量化發(fā)展，提升了我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)整體競(jìng)爭(zhēng)力，有效增強(qiáng)了我國(guó)在本領(lǐng)域的國(guó)際話(huà)語(yǔ)權(quán)。