一种增强型轻质光伏组件及制造方法与流程

本发明涉及一种增强型轻质光伏组件及制造方法，属太阳能光伏技术领域。

背景技术：

太阳能是一种永不枯竭的清洁能源，光伏发电已成为重要的绿色能源，目前光伏电池主要分为块状的晶体硅电池和沉积的薄膜电池，而作为光伏发电的核心部件，太阳能光伏电池片的封装和保护尤其重要，直接影响太阳能光伏电池的产品质量、安全可靠性和寿命。

目前光伏组件主要有刚性封装和柔性封装，所谓的刚性光伏组件主要是由钢化玻璃、粘结层和背板将太阳能光伏电池芯片类似三明治的结构封装起来，加上铝合金边框和接线盒即可形成刚性光伏组件，刚性光伏组件安全、可靠，但是刚性组件体型笨重，表面钢化玻璃脆弱易破碎，不易携带，在用于宿营、帐篷上等场合造成很大不便，一般主要用于地面固定电站；所谓的柔性封装的光伏组件，主要是在柔性材料衬底（不锈钢、聚合物等）上制备的薄膜太阳能光伏电池，然后使用柔性材料进行三明治结构封装，即可形成柔性光伏组件，柔性光伏组件的特点是重量轻、薄、可卷曲以及适合折叠和携带，适合用于宿营、帐篷等场合上使用。但是目前柔性太阳能光伏电池成本高，转换效率偏低，因此只能用于消费类产品和特殊场合下使用，大型电站和并网光伏电站则因成本原因未被推广应用。

为了既有柔性组件的轻质优点又能克服柔性组件中薄膜光伏电池的转换效率低的问题，目前军、民市场有很多种使用晶体硅太阳能电池封装的半柔性轻质光伏组件，产品特点是比刚性光伏组件重量轻，可弯曲，能量密度高，便于携带等，结构上介于刚性光伏组件和柔性光伏组件之间，转换效率比柔性光伏组件高，深受移动市场和军工市场的欢迎和青睐，但是目前半柔性轻质光伏组件在追求太阳能电池轻、柔的同时，也牺牲了部分产品的质量，因此存在很大的质量缺陷，其造成产品质量下降原因主要是：第一，晶体硅电池片越来越薄，也就比较脆弱，芯片受到外力作用会导致裂纹、破损，从而可能引起热斑，特别是晶体硅电池电流密度大，有潜在火灾的风险，而这种外力存在于操作安装、运输、搬运中，以及在风压变化载荷和雪压的恒定荷载下，过大的弯曲和震动都会使单晶硅电池芯片形成隐裂甚至断裂，特别是半柔性光伏组件一般结构是背面加上承载板来保护单晶硅电池芯片不受破坏，正面为了提高透过率使用较薄etfe和热熔胶膜来进行封装，往往忽略了来自正面的冲击应力对单晶硅电池芯片破坏，如冰雹、飞沙走石的破坏导致单晶硅电池芯片损坏引起热斑造成火灾的风险；第二，在使用过程中来自水汽渗透对半柔性光伏组件系统绝缘电阻的影响，导致系统不工作或漏电造成安全事故，甚至引起雷击造成半柔性光伏组件破坏，造成漏电事故的原因如下：（1）半柔性光伏组件一般采用拉索悬挂、或者支撑点固定的方法进行固定，半柔性光伏组件各层封装材料受到风载荷的反复应力下，固定点的材料受到应力下会变形→撕裂→分层，水汽会顺着缝隙进入单晶硅电池芯片内部，导致封装失效，降低绝缘性；（2）半柔性光伏组件一般都是采用无边框设计，各层封装材料长期受到雨水、风雪、盐雾、以及紫外线和热胀冷缩的侵蚀，加上变化荷载应力的破坏，半柔性光伏组件会在边缘开始分层，致使水汽从边缘侵入晶体硅电池芯片内部，导致封装失效，降低绝缘性；（3）半柔性光伏组件一般采用高分子材料和热熔材料进行封装，表面的封装材料的破坏，导致水汽从边缘或破坏位置侵入晶体硅电池芯片内部，导致绝缘失效；（4）半柔性光伏组件使用过程中晶体硅电池芯片造成破坏、或者阴影的遮挡、鸟粪、树叶等都会造成局部热斑，使其封装材料长期在比较高的温度下老化→开裂→分层→烧毁，降低绝缘性。针对以上问题，中国专利公开号：cn112189264a《包括聚合物构成的前层和复合材料构成的后层轻质且柔性的光伏模块》给出了部分解决方案，通过在背光面增加基于纤维的预浸料型复合材料及附加层提高强度，但不能解决正面受到的外力损伤；第三，目前太阳能光伏组件接线盒都是采用传统的接线盒，其存在以下缺陷：（1）一旦太阳能光伏组件被破坏或产生热斑，可以导致接线盒内部旁路保护二极管长时间导通产生过热，造成潜在火灾风险；（2）光伏组件局部破坏可能导致绝缘电阻降低，影响整个系统工作，现有的技术只能更换太阳能光伏组件，无法对太阳能光伏组件进行修复使用，造成成本上升；（3）传统的接线盒在光伏组件进行组串连接时，光伏组件的组串电压超过安全电压36v，甚至超过1000v以上，在特殊场合操作时会产生电击安全事故；（4）传统的接线盒在组串连接后，电压都超过安全电压36v，一旦光伏电站发生火灾，光伏阵列是带电体，消防员是不能通过水灭火的，只能眼睁睁地看着电站被烧毁，甚至会造成巨大的安全事故。

技术实现要素：

基于以上半柔性光伏组件存在的技术问题，因此发明一种增强型轻质光伏组件，目的之一是提高半柔性光伏组件的耐冲击强度，保护晶体硅电池芯片不受破坏；目的之二是可以检测每块电池芯片的热斑温度，避免热斑造成的损失，并能快速对受损组件进行简单维修和复原，从而提高太阳能光伏组件的快速维修和可靠性；目的之三是能快速地对影响系统安全的太阳能电池单元进行绝缘隔离，排除绝缘故障；目的之四是通过设置接线盒内部开关电路，在组串发生火灾时，可以快速关断光伏组件的电能输出，保障人员安全。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：为了使半柔性光伏组件正面进行有效的保护，同时不减少太阳能光透过率的损失，在封装材料内部增加转换材料加强层，加强层不仅增加了抗冲击强度，还可以将晶体硅电池不能吸收的紫外光和红外光转成可见光，通过荧光聚光和光陷阱的作用下重新被晶体硅电池吸收，从而提高了光伏组件的单位发电效率，另外在每块晶体硅电池下方设有温感材料，在背板开有观测窗口，可随时观测到电池温度，获知哪块电池可能产生热斑，其具体技术特征如下：一种增强型轻质光伏组件，包括封装层、承载层、粘结层、块状光伏电池，其特征在于：光伏组件从受光面依次叠层为前封装层、第一粘结层、前承载层、第二粘结层、块状电池、第三粘结层、后承载层、第四粘结层、后封装层；所述的后承载层为印刷有和光伏电池的涂锡带焊接电路的玻纤板，亦称为电路板；光伏组件还包括接线盒，位于后封装层背面，光伏组件的电能引出线从电路板引入到接线盒内，从接线盒引出光伏组件的输出正电极和负电极。

所述的后承载层为双面印刷有和光伏电池的涂锡带焊接电路的玻纤板，亦称为电路板。

所述光伏组件还包括接线盒，位于后封装层背面，块状光伏电池的电能引出线从电路板引入到接线盒内。

所述的前、后封装层为透光高分子聚合物，如聚碳酸酯(pc)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚偏二氟乙烯(pvdf)、乙烯-四氟乙烯(etfe)、乙烯氯三氟乙烯(ectfe)或氟化乙烯丙烯(fep)等。

所述的粘结层为热熔胶膜层，如eva胶膜、pvb胶膜、poe胶膜或sgp胶膜等。

所述的前承载层为璃纤维网，玻璃纤维网为若干条直径40-60μm的玻璃纤维丝组合成0.5-1.2mm玻璃纤维绳编制形成，玻璃纤维网网孔在2×2mm至4×4mm之间。

所述的玻璃纤维网涂覆有碳量子点或无机量子点等转换材料，转换材料的颗粒为30-50μm，能将300-450nm的紫外光转换成300-750nm的可见光。

所述的块状光伏电池为单晶硅电池或多晶硅电池等，在晶体硅背面涂覆有温感材料，由涂锡带将光伏电池串联。

所述的块状光伏电池的串联分为数个组串，分别引出到电路板后将每串引入到接线盒将每串进行串联。

所述的接线盒的盒体内设置有上电极片、下电极片、旁路二极管、热双金属开关管、开关电路和推动导电装置，每个上电极片分别和光伏电池组串的正负极连接，下电极片之间串联接入旁路二极管和热双金属开关管，两边下电极片分别引出光伏组件的输出正极和负极，开关电路连接在组件输出正负电极之间，推动导电装置推动上电极片与下电极片连接。

所述的上电极片由拉簧连接的固定片和活动片组成，固定片固定在盒体上，活动片可前后运动与下电极片连接或脱开。

所述的推动导电装置由法兰螺帽、绝缘推动杆和防水圈组成，绝缘推动杆放置在法兰螺帽内，法兰螺帽压住防水圈拧紧在盒体上，每个绝缘推动杆对应的一个上电极片，穿过电极片的拉簧顶在活动片上，两边下电极片分别对应一个上电极片，中间的每个下电极片对应两个极性相反上电极片，绝缘推动杆推动上电极片的活动片和下电极片连接，松开绝缘推动杆后，上电极片的活动片和下电极片分开。

所述的开关电路由5v电源、单片机、mos开关管、电阻和霍尔传感器组成，5v电源供电给单片机，光伏组件输出正极穿过霍尔传感器，霍尔传感器给单片机光伏组件的电流信号，单片机接到信号后控制mos管的开关，mos开关管的集电极和发射极分别和光伏组件的正负极连接，电阻串接在mos开关管的集电极与光伏组件的正极之间，发光二极管串接在5v电源上。

所述的前封装层厚度为20μm~30μm，外表面压有凸凹纹，凸凹纹用来增加吸收光照面积。

所述的电路板在对应光伏电池背面的温感材料处开有观察孔，来观察温感材料的颜色变化，判断光伏电池的温度高低。

所述的第一、第二粘结层厚度在0.5-0.7mm之间，第三、第四粘结层厚度在0.2-0.4mm之间。

所述的光伏组件还包括防水层和装饰层，防水层位于光伏组件的前封装层和后封装层之间的四周，防水层为如丁基胶等双面密封圈，装饰层位于串联的光伏电池间隙处，增加隐蔽性。

所述的光伏组件边缘开有孔，用来固定光伏组件或彼此连接光伏组件。

一种增强型轻质光伏组件的制造方法，步骤如下：第一步：叠放膜层：在玻纤板背面依次覆盖第四粘结层和后封装层，玻纤板、第四粘结层四周小于后封装层边缘。

第二步：第一次层压：将叠好膜层放入层压机内进行第一次层压。

第三步：串联块状光伏电池：将块状光伏电池铺好后，用涂锡带焊接串联成数串。

第四步：叠放膜层：在第一次层压好的玻纤板正面铺放第三粘结层，将焊接好的块状光伏电池放到第三粘结层上，将涂锡带两端头穿过第三粘结层后焊接到电路板上；在块状光伏电池上铺放第二粘结层，再将前承载层放到第二粘结层上，在前承载层上铺放第一粘结层，将前封装层放到第一粘结层上。

第五步：第二次层压：将叠好的膜层再次放入层压机内进行第二次层压。

第六步：周边密封：在前封装层和后封装层之间，层压好的组件周边粘结防水层，用加热滚轮压实。

第七步：安装接线盒：将接线盒安装在后封装层外面，在接线盒内进行接线，完成增强型轻质光伏组件的制作。

所述的前承载层的制作方法如下：第一步：将转换材料与环氧树脂胶、固化剂、消泡剂进行充分混合，然后使用搅拌机进行匀速搅拌，搅拌速度为700-900转/分钟，搅拌3-4分钟，然后放置在真空设备中抽出搅拌过程中的掺入空气，防止固化过程中形成气泡缺陷，所述的抽真空的压力为-1.5-0.5mpa，抽真空时间为2-3分钟。

第二步：将调配好的转换材料均匀地倒在涂布机的的胶盒内，将玻璃纤维网放置安装在涂布机的滚轴上，前后进行均匀涂布，涂布速度在1.5-2.0m/min。

第三步：将涂覆好转换材料的玻璃纤维网进入隧道炉进行固化，隧道炉的速度与涂布机速度保持一致，隧道炉的温度控制在150-175℃，时间控制在22-25分钟，制成前承载层。

所述块状光伏电池的温感材料的制造方法为：用丝印网版将温控材料丝印在光伏电池芯片的背面，使用uv光固机进行光固固化，光固速度为1.5-2.0m/min，时间3-4分钟，即可制得温感材料，温感材料丝印成圆形，直径控制在15-25mm。

本发明产生的积极有益效果：第一，采用了转换材料加强层和玻纤板的上、下双层加强抗冲击强度，正反两面都进行保护，防止硅片破损造成的失效、起火等，同时，通过转换材料加强层和前封装层的光陷阱互相折射，形成平面聚光效应，使太阳能电池能充分吸收太阳光，减少反射光的损失，从而达到提高太阳能电池的目的。

第二，设置有温度检测功能，可直接观察电池片工作温度，判定是否出现硅片温度过高，并可在接线盒内直接切断故障电路，跨接到有效电路上，使光伏组件继续正常使用，处理故障快速、方便，组件利用率高。

第三，太阳能电池组串单独引出到接线盒内，可断开出现故障的电池串，故障排除迅速、快捷。

第四，在组件的外周边缘加有丁基胶密封胶，加强边缘密封性，防止湿漏电流的产生。

第五，本发明通过以上技术，可以提高太阳能电池组件的快速维修性、可靠性、测试性、安全性，从而提高产品的保障性。

附图说明

图1：本发明的结构爆炸示意图。

图2：本发明的剖面结构示意图。

图3：本发明的硅片串接示意图。

图4：本发明的玻纤板的正面示意图。

图5：本发明的玻纤板的反面示意图。

图6：本发明的光照示意图。

图7：本发明的接线盒结构示意图。

图8：本发明产品具体运用结构示意图。

图中，1、前封装层，2、胶膜层，3、转换材料加强层，3-1、聚光材料，4、光伏电池，4-1、温控材料，4-2、焊带，5、玻纤板，5-1、观察孔，5-2、引线孔，5-3、覆铜导线，5-4、覆铜电路，6、后封装层，7、接线盒，701、上电极片的活动片，715、拉簧，716、上电极片的固定片，702、下电极片，703、霍尔传感器，704，旁路保护二极管，705、热双金属开关管，706、绝缘推动杆，707、防水圈，708、法兰螺帽，709a、光伏组件正极引出线，709b、光伏组件负极引出线，710、单片机，711、电阻，712、mos开关管，713、发光二极管，714、5v驱动电源正负引出线，715、5v驱动电源，8、边缘密封胶圈。

具体实施方式

本实施例光伏电池4采用125x125mm的单晶硅硅片，光伏组件有20块硅片，每5片为一组，共4组，前封装层1为30μm的etfe，后封装层6为50μm的etfe，第一层、第二层热熔胶膜层2为0.54mm的eva，第三、第四热熔胶膜层2为0.38mm的eva，转换材料加强层3的玻璃纤维网直径为1.2mm，网孔3×3mm，上面涂敷有聚光材料3-1，玻纤板5厚度为1.0mm，在玻纤板上开有直径20mm的观察孔5-1和引线孔5-2，在玻纤板5的引线孔5-2正面和反面均有覆铜导线5-3并导通，在玻纤板5的背面有四条覆铜电路5-4分别和背面的覆铜导线5-3连接，四串硅片4的焊带4-2焊接在玻纤板5的正面覆铜导线5-2，接线盒7内共有四组接线柱，分别连接四组电池串，然后将四组进行串联，边缘密封胶圈8为丁基胶。

本实施例制造方法如下：第1步：转换材料加强层3的制备：将碳量子点材料、环氧树脂胶、固化剂、消泡剂进行充分混合成聚光材料3-1，然后使用搅拌机进行匀速搅拌，搅拌速度为800转/分钟，搅拌3-4分钟，然后放置在真空设备中抽出搅拌过程中的掺入空气，防止固化过程中形成气泡缺陷，所述的抽真空的压力为-1mpa，抽真空时间为2-3分钟；将调配好的荧光聚光材料3-1均匀地倒在涂布机的的胶盒内，将转换材料加强层3放置安装在涂布机的滚轴上，前后要进行均匀涂布，涂布速度控制在1.5-2.0m/min左右，然后将涂覆好荧光聚光材料的转换材料加强层3进入隧道炉进行固化，隧道炉的速度与涂布机速度保持一致，隧道炉的温度控制在165℃，时间控制在22-25分钟。通过以上两步，即可制成转换材料加强层。

第2步：玻纤板5（电路板）制作：将玻纤板首先开直径为3mm引线孔5-2和直径为20mm的温度观察孔5-1，前后制备覆铜导线5-3和覆铜电路5-4，通过引线孔5-2与覆铜电路5-4前后相连接。

第3步：覆盖胶膜层2：将玻纤板进行清洗，然后在玻纤板5背面依次覆盖第四层热熔胶膜层2和后封装层6，玻纤板5和第四层热熔胶膜层2尺寸均小于后封装层6边缘15mm。

第4步：第一次压合：将覆盖好胶膜层2的半成品放置在两层特氟龙布中间，然后放置在60℃的层压机内进行初次压合，层压时间6分钟，上腔压力充气为1个标准大气压，下腔抽真空至-0.7mpa。

第5步：铺设光伏电池4：将光伏电池4在模具上排列好，光伏电池4之间的间距控制在1-1.5mm之间，然后使用丝印网版将温感材料4-1丝印在太阳能电池片4的背面，接着使用uv光固机进行光固固化，光固速度为1.5-2.0m/min，时间3.5分钟，即可制得温感材料4-1，温感材料4-1印刷的位置要和玻纤板5上温度观察孔5-1正对，温感材料4-1直径为20mm。

第6步：焊片：使用涂锡带4-2将光伏电池4进行串联，5片一组，共四组，在玻纤板上铺放第三热熔胶膜层2，然后将每串光伏电池4转移到玻纤板5上的胶膜层2，太阳能电池片2应居中放置，将涂锡带焊接在玻纤板5的覆铜导线5-3上，然后通过引线孔5-2将串联线引到玻纤板5的背面覆铜电路5-4。

第7步：覆盖胶膜层2：在光伏电池4顶部依次覆盖第二层热熔胶膜层2，转换材料加强层3和第一层热熔胶膜层2、前封装层1，所述的第二层热熔胶膜层2，转换材料加强层3和第一层热熔胶膜层2的尺寸均小于前封装层1边缘15mm。

第8步：压合：将覆盖膜层好的半层品将至在两层特氟龙高温布中间，前特氟龙布为金字塔结构，金字塔直径为0.2mm,金字塔之间的间距控制在0.1~0.15mm,金字塔高度为0.32-0.38mm，通过层压后即可形成倒金字塔型光陷阱，后特氟龙高温布为平面结构。覆盖好特氟龙高温布将半层品放置在层压机内，层压温度设定到135℃，层压时间8分钟，上腔压力充气为1个标准大气压，下腔抽真空至-0.7mpa。

第10步：制作边缘密封胶圈8：揭开前封装层1和后封装层6，将宽度为15mm的丁基胶的双面胶层平行放在间隙处，使用加热滚轮进行压实，加热滚轮速度控制在5米/min，滚轮温度控制在65摄氏度，滚轮压力控制在0.5mpa。

第11步：安装接线盒7：将层压好的太阳能电池组件从层压机中取出，使用刀片进行修剪，即可形成太阳能光伏组件、然后使用结构密封胶将接线盒7安装在在太阳能光伏组件后封装层6的引线孔的位置上。

如图7所示，本实施例所述的接线盒7内有8个上电极片，上电极片的由拉簧715连接的固定片716和活动片701，5个下电极片702，霍尔传感器703，旁路保护二极管704，双金属开关管705，8个绝缘推动杆706，防水圈707，法兰螺帽708，光伏组件正极引出线709a，光伏组件负极引出线709b，单片机710，电阻711，开关管712，发光二极管713，5v驱动电源714。

上电极片的固定片716和下电极片702与接线盒7的壳体插接连接，旁路保护二极管704和双金属开关管705分别串联连接在5个下电极片702之间，8个4组光伏电池组串的正负极分别与8个上电极片701连接，法兰螺帽708压住防水圈707拧紧在盒体上，而在法兰螺帽708内的8个绝缘推动杆706穿过拉簧715将8个上电极片的活动片701分别压紧在5个下电极片702上，左边第一串的正极的上电极片压在最左边的第一个下电极片上，第一串的负极和第二串的正极上电极片压在第二个下电极片上，第二串的负极和第三串的正极的上电极片压在第三个下电极片上，第三串的负极和第四串的正极的上电极片压在第四下电极片上，第四串的负极的上电极片压在第五个下电极片上，第一个下电极片引出光伏组件的输出正电极709a，第五个下电极片引出光伏组件的输出负电极709b，光伏组件的正极引出线709a穿过霍尔传感器703，mos开关管712集电极与光伏组件的输出正电极709a连接，而mos开关管712发射电极与光伏组件的输出负电极709b连接，在mos开关管712集电极与输出正电极709a之间串联一个电阻711作为mos开关管712关断时电荷。

单片机710接入5v驱动电源714做为供电电源，霍尔传感器703接入单片机710的信号输入端，单片机710控制mos开关管712的开关。

如图8所示，为本实施例实际应用案例，将16块光伏组件的正极引出线709a与相邻的光伏组件的负极引出线709b进行串联，构成一个16组串的光伏方阵，然后将光伏方阵的16块的光伏组件由5v驱动电源正负引出线714进行并联接入5v驱动电源715。

本实施例所述的增加光伏组件维修性、可靠性、测试性、安全性和保障性的具体实施过程如下：（1）光伏组件在安装连接光伏阵列组串时，因为光伏组件处于开路状态，接线盒内的霍尔传感器703没有检测到电流，在没有接通5v驱动电源715，开关电路单片机710控制mos开关管712处于常闭状态，此时光伏组件的电压为零，发光二极管713熄灭，保证操作人员的安全；当光伏组件组串连接完毕后形成光伏方阵接入逆变器时，打开5v驱动电源715，此时单片机710控制mos开关管712由常闭变成常开，发光二极管713常亮，接线盒7内的霍尔传感器703检测到电流，光伏组件开始工作。

（2）当发生火灾时，立即关闭逆变器，接线盒7内的霍尔传感器703没有检测到光伏组件的电流，而霍尔传感器703发出信号给单片机710关闭mos开关管712，指示灯713熄灭，此时太阳能电池组件4电压为零，消防员可以使用水来灭火。一旦火警解除，只要打开逆变器，接线盒7内的霍尔传感器703检测到电流发出信号给单片机710打开mos开关管712，发光二极管713常亮，太阳能电池组件4可以正常发电。

（3）当光伏组件形成热斑时，旁路保护二极管704导通，此时旁路保护二极管704开始升温，当温度达到105℃时，热双金属开关管705受热导通，此时电流不经过旁路保护二极管704，通过热双金属开关管705与其他光伏电池401进行串联，当旁路保护二极管704降低到90℃时，热双金属开关管705断开，此时产生热斑的光伏电池401组串与其他光伏电池4组串进行串联，通过热双金属开关管705实现自动导通与断开。

（4）当光伏电池401出现绝缘故障，找到受损光伏组件后，可以打开调节推动导电装置防水法兰螺帽708，取出绝缘推动杆706，使光伏电池401组串的上电极片的活动片701与接线盒内的下电极片702分开，此时受损光伏电池4与合格光伏电池4组串进行隔离，排除组串故障。