高质量高可靠的组件产品新技术 ——晶硅双玻组件

摘要:

高质量高可靠的地面用晶硅双玻组件TSM-PDG5（后面简称双玻组件）是天合光能开发的一款差异化产品。该双玻组件取消铝边框和传统聚合物材料的背板，正反面都采用2.5mm薄玻璃的封装结构，是一款可以全面应用于地面电站、商业、民用屋顶及农业大棚的高可靠长寿命组件产品。其先进性在于：全球首家采用2.5+2.5mm薄玻璃的封装结构，获得TUV61215[1]和UL1703[2]双认证；获得亚太首家UL及TUV的最高防火等级Class A等级证书；具有优良的抗PID性能；卓越的抗盐雾、酸碱和沙尘的耐候性能；双层玻璃的设计，可以有效地保护电池片，防止电池片隐裂；无金属边框，免接地，安装更快捷，节省人力成本，有效降低LCOE；减少边缘积灰，降低日常维护保养成本；能满足1500V系统电压设计；其特殊设计的安装夹具可达到正压6700Pa和负压5400Pa的载荷性能，适合飓风区应用。

背景

随着光伏发电市场需求的不断增加，客户对光伏产品质量和可靠性以及低LCOE要求越来越高，开发高可靠、长寿命、便捷安装等优点的光伏组件产品成为必须。天合光能以光伏科学与技术国家重点实验室为技术创新平台，研究新技术，开发出高效率低成本的产品，双玻组件就是其中之一。PV-Tech网站公布“2013年最受欢迎新品发布前十位”，天合光能的双玻组件排名第二。该组件为高温高湿和盐雾酸碱地区使用光伏组件提供了很好的解决方案，解决了现有边框组件中的背板作为有机材料在户外容易降解的缺点，同时也解决了薄膜组件容易破裂和转换效率低的缺点，是目前市场上最坚固耐用的组件之一。目前常规组件在长期使用中，作为高分子聚合物的背板有机材料在户外使用过程不可避免的产生降解老化而影响组件产品的耐候、绝缘性能和降低输出功率，使用玻璃这个无机材料代替背板能很好的解决这一问题。

双玻组件的设计

图一：双玻组件示意图

图二：双玻组件和传统边框组件的截面图

表一：双玻组件，传统组件和薄膜组件的区别

 
该组件采用6*10pcs电池片串联，正反两面都由2.5mm薄强化玻璃的封装结构，开创了行业的先例。图一是该双玻组件的示意图，图二双玻组件和和传统边框组件的截面图，表一列出了双玻组件，传统组件和薄膜组件的区别。同时为了提高组件输出功率，电池片背面的EVA封装材料采用白色EVA，也可以使用2层透明EVA，用于农业大棚，车棚等场所。

双玻组件的技术难点

白色EVA的应用

传统组件，前后EVA都采用透明EVA，但是背板是白色的，具有较好的反射功能用以提高组件输出功率，如果背板采用透明玻璃，那么功率就损失很大。为了解决这个问题，我们创新的批量使用了白色EVA作为背面EVA，代替背板的这个反射功能，达到了和传统组件一样的效果，见图三所示的反射率。因为采用白色EVA，所以带来了很多层压工艺，如电池片和汇流条溢白（如层压工艺章节中图七和图八），我们通过大量的实验和工艺摸索，成功的解决了这个问题。

图三：不同材料的反射率曲线

  前后玻璃都采用2.5mm薄玻璃，并实现批量化生产这款双玻组件和传统的BIPV双玻组件不同之处在于，BIPV组件一般为了满足建筑需要，玻璃厚度需要5mm以上，封装材料需要用PVB，而且定制化要求很高，因此具有重量大，层压工艺非常困难（一般良率只有80%左右），
价格高的缺点而不能全面推广。

而对于传统边框组件，使用的前板超白压花钢化玻璃厚度一般为3.2mm，因为3.2mm厚度对于玻璃的原片压花生产工艺和钢化工艺，都已经是极限厚度了，2.5mm虽然,有使用，但都是实验和样品阶段，天合光能与战略供应商共同开发，一起克服了这个困难，实现了2.5mm玻璃的量产，其中特别是钢化工艺，不但要保证一定的强度，而且要保证较好的平整度。

前后玻璃均采用2.5mm强化玻璃，不但解决了薄膜组件重量大，效率低的问题，也解决了薄膜组件因为薄膜沉积的工艺需要，前板玻璃只能采用原片玻璃，因此玻璃强度不够，引起安装使用过程容易破损的缺点。同时后玻璃解决了普通组件背板的高分子材料较弱的耐候性能和高水汽透过率的问题，又由于其自身的强度大幅度提高，取消了铝边框，同时实现免接地，大幅降低了组件成本和系统BOS成本，成为一款适用于地面电站，商业和民用屋顶等不同应用方向的高可靠长寿命组件产品。

背面薄玻璃的打孔技术

对于双玻组件，有很多公司都比天合光能要早1~2年进行研发和展出，但是一直没有量产，究其主要原因，一是因为层压工艺的良率不高，一般只有80%左右，导致成本大幅度增加，二是因为组件设计问题，其中特别是接线盒的选用，一般采用小的侧边接线盒，如图四，这样组件设计相对比较简单，但是很多可靠性不能保证和满足，如绝缘性能，UL的低温冲击。天合光能经过对各种不同的接线盒方案和组件设计，最后选择了背面玻璃打孔如图五，采用和常规组件一样的内部电路设计和引出线设计，但是这样一来，薄玻璃的打孔技术成为了玻璃深加工行业的一大难题。天合光能全面调研了相关技术，和供应商共同研究，调试，摸索，最后成功实现了量产。

图四：侧边接线盒设计示意图                        图五：背面玻璃打孔示意
  
层压工艺

如前所述，一般双玻组件的良率只有80%左右，主要工艺不良有气泡，电池串移位，电池破片（图六），白色EVA溢到电池片和汇流条（图七和图八）等，天合光能经过无数的实验和摸索，成功的克服了这个行业第一大难题，量产工艺良率达到了96%以上，为双玻的量产和全面推广起到了决定性的作用。

图六： 电池片破片                                     图七：电池片溢白                                          图八： 汇流条溢白

  
双玻的技术优势：

最高防火等级Class A，提高安全性能当组件安装在屋顶上，其防火安全性能就显得特别重要。光伏系统由于热斑和电弧等故障的影响，会有发生自燃的隐患，一旦发生，就会引起屋顶火灾。经常会有报导，在装有光伏系统的屋顶，会因为光伏系统的故障带来组件自燃
和屋顶火灾，给用户带来巨大的损失（如图九、十）。

图九：2012年6月德国某光伏屋顶自燃                      图十：2013年8月中新天津生态城光伏屋顶自燃
  
究其原因，是因为组件的防火等级不够。根据UL 790[3]的燃烧块测试和火焰蔓延测试，分为3个防火等级，防火能力从高到低分别为Class A，B，C。一般情况下，传统组件因为背板是高分子聚合物材料，因此容易起火燃烧形成滴落物，所以防火测试只有Class C。 而双玻组件因其特殊结构，由于没有高分子背板材料的可燃物，可以达到ClassA，大大提高了防火性能。天合光能也凭此获得了亚太首家UL及TUV的最高防火等级A级并取得认证证书。

卓越的耐候性能，提高组件使用寿命

传统组件的背板有一定的透水率，会吸进氧气、水汽，加速材料的降解，引起背板老化、裂开，同时会导致组件内部发生电化学腐蚀，增加出现PID和黑线的概率。背板使用无机材料的玻璃后，因为玻璃材料不透水，户外长期使用中不会降解，所以避免了这些问题，并且具有优良的抗盐雾、酸碱，沙尘等性能，同时可以满足1500V系统电压，抗热斑能力强。天合光能光伏科学与技术国家重点实验室对双玻组件进行了大量的长期可靠性测试，结果表明，双玻组件具有卓越的高可靠性，部分实验数据见下图十一所示。

图十一：不同组件样品的长期可靠性测试功率衰减情况


优良的载荷和抗EL性能

双层夹胶玻璃结构能够提供更高的刚度和挠度，因此在同样的载荷下，双玻的变形量要远低于普通边框组件。如下图十二所示，用FEA模拟分析双玻组件在5400Pa的载荷测试过程中变形量均匀，最大变形量比普通组件降低了接近40%，在实际载荷时候的变形量也和这个数值非常接近。

图十二：FEA模拟计算结果
同时，双玻组件上下玻璃厚度一致，电池片在组件结构的中性层，这种独特的夹心面包特殊的设计方式使得中性层上无应力，如图十三。大量实验数据也表面，双玻组件在生产，运输，安装过程几乎没有EL隐裂。

图十三：不同组件结构的中性层位置

  双玻组件的安装和应用：

双玻组件可以用于大型地面电站，民用和商业屋顶，也更适用于大棚组件。

大型地面电站安装

和薄膜组件的安装方式相同，也是采用4个Clamp实现同样的应用，天合对市场上的Clamp夹具进行的仔细的研究和改进设计，如图十四，给组件边沿提供了更多的变形空间，可以提高载荷能力大约40%，从而达到正压6700Pa，负压5400Pa，适合于各种飓风地区。

图十四：电站安装结构

适用于平屋顶的折叠式易安装结构这款设计完全是有天合光能自主开发，拥有PCT国际专利的新型安装系统结构，适用于平屋顶光伏安装系统的解决方案。天合光能也因此获得了亚太地区首张UL2703[4]认证证书，并且同时通过了UL1703和IEC61215的双认证和Class A的防火等级认证。该设计的安装支架折叠在组件背面，如图十五，配件少，自带接地系统，安装速度快，较同类产品安装速度提高4~5倍；并且不需要生根打孔，完全不会破坏屋顶的防水层和密封性能；整个安装系统实现了轻量化，只有16.6Kg/m2，并且具有安装密度高、投资回报时间短的优点；也达到了防火最高等级Class A。该设计为平屋顶的应用和中国目前火热的分布式电站提供了完美的解决方案，已经有很多客户安装使用，得到了高度好评。示范工程之一见图十六。 

图十五：组件和支架折叠式结构                     图十六：应用示例

总结

天合光能已经完成了双玻组件的研发设计，认证，并且实现了全面量产，目前产能达到200MW/年以上，成为行业里第一个宣布量产的企业，第一个拿到双玻全套认证（包括IEC61215，UL2703和UL2703，Fire test Class A）的企业，其中fire test Class A和UL2703是亚太地区首家拿到该认证的光伏企业。天合光能的大量可靠性实验表明，双玻在各项长期可靠性方面均远优于普通组件，因此将双玻组件质保从25年延长到30年，为客户带来了更多的价值。 自2013年3月份全面上市后得到了客户的一致认可和好评，这款高质量高可靠的双玻组件必将引领了光伏行业组件产品技术的新发展。

参考文献

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 《材料力学》第4版 刘鸿文 主编 高等教育出版社

责任编辑：solar_robot