1.2 太阳能玻璃的应用
太阳能玻璃是指人类在利用和转化太阳能能量的过程中,应用于太阳能产品中的特殊玻璃制品。其中,应用于太阳能电池发电领域的太阳能玻璃称为光伏玻璃;应用于太阳能光热发电和热能利用(如农业阳光房、太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能灶、海水淡化等)领域的玻璃称为光热玻璃。
1.2.1 光伏玻璃
从广义上讲,一切应用于光伏产品中的玻璃制品都是光伏玻璃,包括应用于晶硅电池上的盖板玻璃、背板玻璃,应用于薄膜电池的TCO基板玻璃、背板玻璃,以及应用于光伏建筑一体化的BIPV玻璃,它们(不包括背板玻璃)的共同特点是必须具有高透光率、高强度。目前,晶硅电池主要是使用太阳能超白压延玻璃,薄膜电池主要是使用超白浮法玻璃。
(1)晶硅电池玻璃
晶硅电池玻璃主要应用于单晶硅和多晶硅电池组件的盖板和背板。目前98%的晶硅电池采用超白压延镀膜或钢化玻璃做盖板,用玻璃做背板的双玻组件正在推广之中。
超白压延钢化或镀膜钢化玻璃作为电池盖板,覆盖在太阳能电池组件的正面,构成组件的最外层,它既要透光率高,又要起到长期保护电池的封装作用。具体组成形式为:钢化或镀膜钢化玻璃盖板+封装EVA(或POE、PVB)胶膜+晶硅电池片+封装EVA(或POE、PVB)胶膜+TPT(PET)塑胶背板以及铝合金边框。
随着技术的进步,为了克服TPT(PET)塑胶背板组件的老化等问题,提高组件的发电性能,有些组件制造商将晶硅太阳能电池组件的TPT(PET)塑胶背板改为超白钢化玻璃,制作成双玻组件和双面组件(双玻组件的背板是用普通浮法玻璃加工成的钢化玻璃;双面组件的背板是用超白玻璃加工成的钢化玻璃,具有两面发电的功能)。双玻组件的组成形式为:钢化或镀膜钢化玻璃盖板+封装EVA(或POE、PVB)胶膜+晶硅电池片+封装EVA(或POE、PVB)胶膜+玻璃背板(根据情况使用铝合金边框)。
带铝边框的晶硅电池组件安装在光伏电站工作4~5年后会出现发电功率衰减现象,即出现电势诱导衰减(potential induced degradation,PID)效应。业内许多专家认为,这是由于单个光伏电池组件的封装材料和其上表面及下表面的材料、晶硅电池片与光伏阵列组件接地金属边框之间形成了偏电压。虽然单个电池组件的电压比较低,但多个电池组件串联之后,就形成了较高的电压,越靠近负极,输出端的组件承受的负偏压现象越明显,在高负偏电压(-1000V)的作用下,出现离子迁移,形成漏电流通路。漏电流阳极Na+由玻璃表面→EVA→电池片→边框→支架,最终流向大地,负电荷在电池片表面堆积,吸引光电载流子(空穴)流向N型硅的表面聚集起来,而不是像正常状态下一样流向正极(P极),从而出现电池组件发电功率衰减的现象,这种由表面极化现象而引起的输出功率衰减就是PID效应。PID现象最容易在潮湿高温的条件下发生,且与潮湿程度相关。PID效应对太阳能电池组件的输出功率影响巨大,是光伏电站发电量的“恐怖杀手”。从晶硅光伏电池的组成来看,晶硅电池片、EVA和玻璃均有可能引起PID现象。为了从玻璃方面避免出现此种现象,笔者对此产生机理经过认真分析,并经过两年的潜心研究试验后,开发出了在潮湿高温等恶劣环境条件下性能优异的抗PID晶硅电池玻璃。
(2)薄膜电池玻璃
薄膜电池玻璃上采用的镀膜材料品种较多,主要有铜铟镓硒(CIGS)、碲化镉(CdTe)、砷化镓(GaAs)、钙钛矿、非/微晶硅(a-Si)、染料敏化材料等。
目前薄膜电池所采用的基板材料多为使用浮法成形工艺生产的超白钢化玻璃。
薄膜电池玻璃的生产方法主要有在线镀膜和离线镀膜两种。
在线镀膜玻璃是指在浮法线上直接生产的薄膜玻璃,目前利用在线镀膜技术生产的镀膜玻璃有热反射玻璃、低辐射玻璃和透明导电氧化物(transparent conducting oxide,TCO)镀膜玻璃。
离线镀膜玻璃是指以浮法玻璃生产线生产的玻璃为原片(又称基片),在其他场地利用镀膜设备进行镀膜的生产方法。离线镀膜技术有磁控溅射、溶胶-凝胶、脉冲激光沉积(PLD)、真空蒸镀、化学气相沉积(CVD)等。利用这些方法可以生产热反射镀膜玻璃、LOW-E镀膜玻璃、TCO镀膜玻璃等各种镀膜玻璃。热反射镀膜玻璃、LOW-E镀膜玻璃主要用于建筑物等,TCO镀膜玻璃主要用于电子仪器仪表和太阳能电池前电极等。
TCO镀膜玻璃是在平板玻璃表面以在线或离线的方式通过物理或者化学的方法均匀镀上一层透明的导电氧化物薄膜,导电氧化膜主要包括In、Sn、Zn和Cd的氧化物及其复合的多元氧化物薄膜。TCO导电膜玻璃可分为掺锡氧化铟锡透明导电膜玻璃(ITO)、掺氟氧化锡氟透明导电膜玻璃(FTO)和掺铝氧化锌铝透明导电膜玻璃(AZO)三种。
对于薄膜太阳能电池应用来说,透明导电氧化物(TCO)起着至关重要的作用,由于中间半导体层几乎没有横向导电性能,因此必须使用TCO玻璃有效收集电池的电流,同时TCO薄膜具有高透和减反射的功能,让大部分光进入吸收层。所有主流的薄膜太阳能电池,如非晶硅/微晶硅叠层、碲化镉,都使用TCO材料(主要是铝掺杂的氧化锌ZnO∶Al,即AZO)作为透明导电层。离线镀膜大都采用磁控溅射工艺来沉积这种材料。
1.2.2 光热发电玻璃
光热发电(CSP)原理为:超白浮法玻璃基片→镀镜→经过弯钢化制成曲面反射聚光镜(即定日镜) →两次反射太阳光,将太阳光汇聚反射到真空玻璃管聚光器上→加热玻璃管中流动的熔融盐或油质液体,使其温度升高到300℃以上→熔融盐或油将热能传导给蓄水的热交换罐→通过热交换产生高温、高压的水蒸气→带动涡轮发电机发电。
聚光光伏(CPV)发电原理基本与光热发电类似,利用光学系统(定日镜跟踪),将太阳能汇聚到高倍聚光太阳能电池芯片[代表性电池是砷化镓(GaAs)]上,然后再利用光伏效应把光能转化为电能。在业界它被看作是能取代部分晶硅市场的第三代光伏技术(第一代、第二代分别是晶硅技术和薄膜技术)。
上述光热发电和聚光光伏发电所用的聚光玻璃就称为光热发电玻璃。
1.2.3 光热利用玻璃
光热利用玻璃是利用太阳能加热玻璃容器中的物质,使之转化成热能,被人们所利用,例如平板太阳能集热器、太阳能智慧农业、太阳能干燥房、太阳能蒸发器、海水淡化器等。
太阳能集热器是吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热介质的装置。国外太阳能集热器市场以平板集热器为主。虽然平板集热器初期投资高,但具有结构简单、系统运行可靠、维护成本低、承压能力强、吸热面积大、水质不会污染和系统寿命长等特点;此外,同等面积下,平板集热器采光面积要大于传统真空玻璃管集热器采光面积,所以,平板集热器太阳能热水系统的产水量要高于同等面积的真空玻璃管集热器系统,并有利于实现太阳能系统与建筑结合,节省占地面积,不仅能满足平常洗澡,而且还可为冬天提供采暖及生活热水。由于目前国内平板太阳能集热器和国外先进水平仍存在一定差距,所以仍以真空玻璃管热水器为主,平板太阳能集热器正处于起步阶段。未来平板太阳能集热器在选择性涂层、集热器的优化设计和生产工艺等方面提高后,国内将大面积使用平板太阳能集热器,而能有效透过太阳光、并保护太阳能平板集热器的主要部件正是超白压延玻璃。
太阳能智慧农业即是利用轻钢结构和太阳能压延玻璃建设的特大型(每一个约70000m2)阳光房,在房内可种植各种农作物,并利用计算机技术对它们进行自动化控制:控制太阳能进入、热能吸收、氧气合成、施肥、浇灌、病虫害防治等。在未来,随着太阳能智慧农业技术的成熟和成本的降低,它将取代目前的塑料薄膜大棚,为我们提供安全、卫生、无公害的农业产品。
太阳能干燥器是利用太阳辐射的热能,将湿物料(例如粮食、果品、叶类作物、棉花、中药材、木材等)中的水分蒸发除去的一种干燥装置。太阳能干燥器干燥原理是,由吸热体、盖板、保温层和外壳构成厢式或棚式带透明顶板和涂黑内层的密闭空间形成太阳能空气集热器,吸热体首先吸收太阳辐射,将辐射能转换成自身的热能,自身温度升高,当室外空气流经吸热体时,利用自然对流或强迫对流形式,通过对流换热,加热冷空气,达到使物体干燥的目的。比较典型的太阳能空气集热器是平板型空气集热器,其使用的顶棚即为超白压延玻璃。