光伏組件層壓機(jī)的加熱方式研究及發(fā)展趨勢(shì)展望

傅家勤

(上海申科技術(shù)有限公司，上海 201709)

0 引言

隨著我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展越來越成熟，規(guī)模不斷壯大，從光伏產(chǎn)品的生產(chǎn)設(shè)備到光伏產(chǎn)品的質(zhì)量都需要進(jìn)一步提升，才能滿足迅速發(fā)展的市場(chǎng)需求。由于市場(chǎng)對(duì)光伏組件質(zhì)量的要求越來越高，且光伏組件的面積也越來越大，因此對(duì)光伏組件層壓機(jī)的要求也隨之提高。光伏組件層壓機(jī)是光伏組件生產(chǎn)過程中的核心設(shè)備，其主要作用是將鋼化玻璃板、EVA、連接好的單體太陽電池、EVA、光伏組件背板通過真空熱壓成型的方式壓合成光伏組件。光伏組件層壓機(jī)的加熱方式，以及其在層壓過程中的溫度控制精度、溫度均勻性等都與光伏組件的質(zhì)量密切相關(guān)[1]。

當(dāng)光伏組件的鋼化玻璃板進(jìn)入層壓機(jī)腔室后，其未被層壓前容易受熱發(fā)生嚴(yán)重的翹曲變形，形變量在30 mm以上；且此時(shí)由于鋼化玻璃板處于正壓力為零的半自由狀態(tài)，整體光伏組件也會(huì)處于受熱不均勻的狀態(tài)，從而導(dǎo)致成品光伏組件中間區(qū)域的交聯(lián)度超過95%，而邊角區(qū)域的交聯(lián)度最低的甚至低于60%，嚴(yán)重不達(dá)標(biāo)。毫無疑問，通過改進(jìn)光伏組件層壓機(jī)的加熱方式來提升光伏組件的層壓效果和層壓質(zhì)量，對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有至關(guān)重要的作用。

本文對(duì)光伏組件層壓機(jī)的常規(guī)加熱方式進(jìn)行了介紹，對(duì)其優(yōu)、劣勢(shì)進(jìn)行了分析；并主要論述了針對(duì)常規(guī)加熱方式的弊端進(jìn)行改進(jìn)得到的新型加熱方式，即點(diǎn)陣式電加熱方式及雙面電加熱方式的優(yōu)勢(shì)，然后對(duì)未來光伏組件層壓機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1 常規(guī)加熱方式

目前，光伏組件層壓機(jī)加熱系統(tǒng)采用的加熱方式主要為油加熱方式和電加熱方式，這2種加熱方式都各有優(yōu)、劣勢(shì)，下文進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1.1 油加熱方式

采用油加熱方式的加熱系統(tǒng)是由油鍋爐、加熱器、加熱板(封裝平臺(tái))、膨脹油箱、熱油泵、加熱功率控制器和鉑電阻溫度傳感器等組成；油加熱方式是利用導(dǎo)熱油或其他介質(zhì)對(duì)加熱板進(jìn)行間接加熱，傳熱效果較好[2-3]。由于該加熱方式對(duì)溫度的控制要求是恒溫，因此只控制1個(gè)加熱板參考點(diǎn)的溫度或控制1爐油的溫度即可，屬于間接控制方式。而加熱板溫度的均勻性取決于管路的布局、管徑的大小、壓力的高低(導(dǎo)熱介質(zhì)流速的大小)等。加熱負(fù)載的特性屬于沖擊性加熱，即其工作狀態(tài)是對(duì)冷的鋼化玻璃板進(jìn)行加熱，在光伏組件完成封裝后離開加熱區(qū)，冷的“進(jìn)”和熱的“出”交替，周而復(fù)始。所以對(duì)于光伏組件的生產(chǎn)而言，層壓機(jī)采用油加熱方式是最簡(jiǎn)單、實(shí)用的方法。

目前，國(guó)內(nèi)的層壓機(jī)大多采用油加熱的方式。但由于導(dǎo)熱油介質(zhì)的特殊性，油加熱方式存在污染環(huán)境、易燃、易爆等問題，而且還會(huì)受到油加熱系統(tǒng)的管路布局和溫度控制等方面技術(shù)的限制。

1.2 電加熱方式

采用電加熱方式的加熱系統(tǒng)是一種以熱傳導(dǎo)方式傳熱的系統(tǒng)。電加熱方式是將電加熱棒插入到碳素鋼加熱板內(nèi)進(jìn)行加熱，加熱速度快，操作方便；而且相較于油加熱方式，電加熱方式還具有效率高、能耗低、設(shè)備占地面積小的優(yōu)點(diǎn)。

但是電加熱方式的熱傳導(dǎo)過程容易形成溫度梯度，造成層壓過程中光伏組件受熱不均勻的現(xiàn)象；另外，電加熱方式是加熱棒直接接觸加熱板，容易造成加熱板變形和加熱器損壞；同時(shí)，該加熱方式的傳熱效果會(huì)受到電加熱棒和加熱板接觸效果的影響。

由于電加熱方式有效避免了導(dǎo)熱油傳遞熱量的環(huán)節(jié)，因此從光伏組件的整個(gè)層壓過程來看，采用電加熱方式的層壓機(jī)(下文簡(jiǎn)稱“電加熱層壓機(jī)”)的加熱系統(tǒng)的平均能耗遠(yuǎn)小于采用油加熱方式的層壓機(jī)(下文簡(jiǎn)稱“油加熱層壓機(jī)”)的加熱系統(tǒng)的平均能耗，因此從節(jié)約能源的角度考慮，電加熱方式的性價(jià)比更高，也是未來光伏組件層壓機(jī)的發(fā)展方向[4]。

2 新型加熱方式

針對(duì)光伏組件層壓機(jī)采用的常規(guī)油加熱方式及電加熱方式的弊端，對(duì)加熱方式進(jìn)行革命性改進(jìn)，提出了光伏組件層壓機(jī)的新型加熱方式，即點(diǎn)陣式電加熱方式和雙面電加熱方式。下文對(duì)這2種加熱方式進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 點(diǎn)陣式電加熱方式

點(diǎn)陣式電加熱方式是在加熱板中直接嵌入陶瓷電加熱器，以熱傳導(dǎo)的方式產(chǎn)生熱量，此種情況下，全部的電能釋放在加熱板中，提高了熱能的有效利用率。在采用高溫導(dǎo)線作為電導(dǎo)線的條件下，除了對(duì)加熱板的工作面，還對(duì)層壓機(jī)的上、下真空腔室外側(cè)等均采取了一定的保溫措施，以減少車間的散熱，同時(shí)還可以提高加熱板整體溫度的均勻性，其溫度補(bǔ)償范圍縮小至±5 ℃。

在采用點(diǎn)陣式電加熱方式的層壓機(jī)(下文簡(jiǎn)稱“點(diǎn)陣式電加熱層壓機(jī)”)中，尺寸為12000 mm×2800 mm的加熱板采用了12800個(gè)獨(dú)立的加熱器，按品字形分布，劃分為60個(gè)加熱區(qū)域；每個(gè)加熱區(qū)域的溫控點(diǎn)切換以光伏組件的擺放位置為準(zhǔn)，加熱板的溫度控制精度可達(dá)±1 ℃；在加熱板的有效加熱面積11800 mm×2600 mm內(nèi)，靜態(tài)(指模擬工況下加熱過程中)光伏組件表面測(cè)溫點(diǎn)的溫度均勻度達(dá)到±1.5 ℃，動(dòng)態(tài)(指正常層壓過程中)光伏組件表面測(cè)溫點(diǎn)的溫度均勻度小于等于±2.5 ℃。在保證加熱溫度均勻性的基礎(chǔ)上，點(diǎn)陣式電加熱方式有效提高了加熱器自身的壽命，點(diǎn)陣式電加熱層壓機(jī)在服役過程中創(chuàng)造了連續(xù)工作11年未檢修的成績(jī)。

相比于油加熱層壓機(jī)，點(diǎn)陣式電加熱層壓機(jī)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在節(jié)能、安全、環(huán)保這3個(gè)方面。

1)節(jié)能。點(diǎn)陣式電加熱層壓機(jī)省去了油加熱層壓機(jī)配套的油鍋爐、熱油泵等設(shè)備，因此在相同產(chǎn)能情況下，相較于油加熱層壓機(jī)，點(diǎn)陣式電加熱層壓機(jī)的加熱系統(tǒng)能耗可節(jié)約30%以上。同時(shí)，由于點(diǎn)陣式電加熱方式的散熱相對(duì)更少，因此在車間的環(huán)境溫度控制方面又避免了一定的能源消耗。

2)安全。采用油加熱方式時(shí)，當(dāng)導(dǎo)熱油加熱至220～240 ℃時(shí)，遇到空氣中的塵埃會(huì)起火燃燒，存在嚴(yán)重的安全隱患；同時(shí)，油加熱層壓機(jī)采用了油鍋爐及熱油循環(huán)方式的加熱系統(tǒng)，該加熱系統(tǒng)為三類壓力容器，會(huì)增加生產(chǎn)成本，并且其安全問題也不容忽視。但點(diǎn)陣式電加熱層壓機(jī)不存在這些問題。

3)環(huán)保。油加熱層壓機(jī)在安裝調(diào)試、定期維護(hù)、更換導(dǎo)熱油時(shí)都會(huì)不可避免的造成油污污染。但點(diǎn)陣式電加熱層壓機(jī)不存在這些問題。

點(diǎn)陣式電加熱層壓機(jī)已經(jīng)完全擁有了油加熱層壓機(jī)的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，并彌補(bǔ)了油加熱層壓機(jī)的缺陷，成為光伏組件層壓機(jī)的一個(gè)重要發(fā)展方向。

2.2 雙面電加熱方式

采用雙面電加熱方式的層壓機(jī)(下文簡(jiǎn)稱“雙面電加熱層壓機(jī)”)是在點(diǎn)陣式電加熱層壓機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的主要適用于雙玻光伏組件的層壓機(jī)。與點(diǎn)陣式電加熱層壓機(jī)相比，二者的主要區(qū)別在于：雙面電加熱層壓機(jī)的腔室上蓋具有紅外線輻射加熱功能，利用輻射加熱可以使真空腔體中的光伏組件受熱更均勻；下腔室仍然采用點(diǎn)陣式電加熱方式，通過上、下腔室形成的熱輻射和熱傳導(dǎo)，使進(jìn)入真空腔體中的光伏組件能夠均勻、迅速地交聯(lián)，減少因單一熱傳導(dǎo)方式引起的光伏組件翹曲或光伏組件背板受熱緩慢的問題[5]。而且，采用此種加熱方式，真空腔體內(nèi)的光伏組件四周邊緣均能快速加熱，光伏組件的最大加熱溫度可達(dá)到200 ℃。

在當(dāng)前社會(huì)對(duì)所有生產(chǎn)企業(yè)均有節(jié)能降耗要求的形勢(shì)下，雙面電加熱層壓機(jī)在加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)可以提高能源利用率，節(jié)約占地面積，提高了光伏組件的層壓質(zhì)量，有效降低了光伏組件的生產(chǎn)成本?？梢钥闯?，雙面電加熱層壓機(jī)將是未來層壓機(jī)的發(fā)展方向之一[6-7]。

根據(jù)車間實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示：生產(chǎn)同種規(guī)格的光伏組件、其他工藝相同的情況下，在層壓過程中，雙面電加熱層壓機(jī)每層光伏組件的層壓電耗僅為油加熱層壓機(jī)每層光伏組件層壓電耗的50%，大幅降低了生產(chǎn)過程中的能量損耗，節(jié)約了能源。另外，雙面電加熱層壓機(jī)的出料鋁板帶有自動(dòng)升降功能，其采用水冷冷壓系統(tǒng)，可以明顯改善層壓后光伏組件降溫速度慢的問題，大幅縮短了光伏組件的生產(chǎn)時(shí)間。

綜上所述可知，雙面電加熱層壓機(jī)可以做到光伏組件生產(chǎn)過程中的減時(shí)降耗，有效提高光伏組件層壓時(shí)的生產(chǎn)效率，并降低生產(chǎn)成本。同時(shí)，雙面電加熱層壓機(jī)工作過程中無污染、無噪音、易維護(hù)，使用壽命比常規(guī)電加熱層壓機(jī)長(zhǎng)約2倍，更適于當(dāng)前光伏組件層壓機(jī)市場(chǎng)的發(fā)展應(yīng)用。

3 光伏組件層壓機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)展望

由于針對(duì)光伏組件層壓機(jī)加熱方式的研究涉及到傳熱學(xué)理論，因此基于傳熱學(xué)理論知識(shí)，輔助以Ansys有限元分析軟件等模擬仿真的分析，通過理論和試驗(yàn)的方式使層壓機(jī)的溫度精度控制和加熱溫度的均勻性有所提升；另外，智能化控制和自動(dòng)化控制也是未來光伏組件層壓機(jī)的主要發(fā)展方向。

1)從光伏組件層壓機(jī)的性能方面考慮，仍需進(jìn)一步提升層壓機(jī)的安全性和服役壽命，并提高溫度控制的精度等。

2)從企業(yè)節(jié)能降耗方面考慮，大面積、多腔室、單次實(shí)現(xiàn)多層層壓的立體封裝設(shè)備是光伏組件層壓機(jī)發(fā)展的主要方向。

4 結(jié)論

本文對(duì)光伏組件層壓機(jī)的常規(guī)加熱方式和新型加熱方式分別進(jìn)行了介紹與對(duì)比分析。點(diǎn)陣式電加熱方式和雙面電加熱方式是針對(duì)常規(guī)加熱方式的弊端做出重大改進(jìn)后提出的2種新型加熱方式，其對(duì)光伏組件層壓機(jī)的加熱溫度控制精度和設(shè)備生產(chǎn)效率有較大的提升，是光伏組件層壓機(jī)領(lǐng)域的重大研究進(jìn)展。通過實(shí)踐證明：點(diǎn)陣式電加熱方式的溫度控制精度可達(dá)±1 ℃，且點(diǎn)陣式電加熱層壓機(jī)的服役壽命大于11年；相對(duì)于常規(guī)油加熱方式而言，雙面電加熱方式在縮短生產(chǎn)時(shí)間的同時(shí)，還可以節(jié)約電耗多達(dá)50%。