光伏组件层压机的加热方式研究及发展趋势展望

傅家勤

(上海申科技术有限公司，上海 201709)

0 引言

随着我国光伏产业的发展越来越成熟，规模不断壮大，从光伏产品的生产设备到光伏产品的质量都需要进一步提升，才能满足迅速发展的市场需求。由于市场对光伏组件质量的要求越来越高，且光伏组件的面积也越来越大，因此对光伏组件层压机的要求也随之提高。光伏组件层压机是光伏组件生产过程中的核心设备，其主要作用是将钢化玻璃板、EVA、连接好的单体太阳电池、EVA、光伏组件背板通过真空热压成型的方式压合成光伏组件。光伏组件层压机的加热方式，以及其在层压过程中的温度控制精度、温度均匀性等都与光伏组件的质量密切相关[1]。

当光伏组件的钢化玻璃板进入层压机腔室后，其未被层压前容易受热发生严重的翘曲变形，形变量在30 mm以上；且此时由于钢化玻璃板处于正压力为零的半自由状态，整体光伏组件也会处于受热不均匀的状态，从而导致成品光伏组件中间区域的交联度超过95%，而边角区域的交联度最低的甚至低于60%，严重不达标。毫无疑问，通过改进光伏组件层压机的加热方式来提升光伏组件的层压效果和层压质量，对光伏产业的发展有至关重要的作用。

本文对光伏组件层压机的常规加热方式进行了介绍，对其优、劣势进行了分析；并主要论述了针对常规加热方式的弊端进行改进得到的新型加热方式，即点阵式电加热方式及双面电加热方式的优势，然后对未来光伏组件层压机的发展趋势进行了展望。

1 常规加热方式

目前，光伏组件层压机加热系统采用的加热方式主要为油加热方式和电加热方式，这2种加热方式都各有优、劣势，下文进行详细介绍。

1.1 油加热方式

采用油加热方式的加热系统是由油锅炉、加热器、加热板(封装平台)、膨胀油箱、热油泵、加热功率控制器和铂电阻温度传感器等组成；油加热方式是利用导热油或其他介质对加热板进行间接加热，传热效果较好[2-3]。由于该加热方式对温度的控制要求是恒温，因此只控制1个加热板参考点的温度或控制1炉油的温度即可，属于间接控制方式。而加热板温度的均匀性取决于管路的布局、管径的大小、压力的高低(导热介质流速的大小)等。加热负载的特性属于冲击性加热，即其工作状态是对冷的钢化玻璃板进行加热，在光伏组件完成封装后离开加热区，冷的“进”和热的“出”交替，周而复始。所以对于光伏组件的生产而言，层压机采用油加热方式是最简单、实用的方法。

目前，国内的层压机大多采用油加热的方式。但由于导热油介质的特殊性，油加热方式存在污染环境、易燃、易爆等问题，而且还会受到油加热系统的管路布局和温度控制等方面技术的限制。

1.2 电加热方式

采用电加热方式的加热系统是一种以热传导方式传热的系统。电加热方式是将电加热棒插入到碳素钢加热板内进行加热，加热速度快，操作方便；而且相较于油加热方式，电加热方式还具有效率高、能耗低、设备占地面积小的优点。

但是电加热方式的热传导过程容易形成温度梯度，造成层压过程中光伏组件受热不均匀的现象；另外，电加热方式是加热棒直接接触加热板，容易造成加热板变形和加热器损坏；同时，该加热方式的传热效果会受到电加热棒和加热板接触效果的影响。

由于电加热方式有效避免了导热油传递热量的环节，因此从光伏组件的整个层压过程来看，采用电加热方式的层压机(下文简称“电加热层压机”)的加热系统的平均能耗远小于采用油加热方式的层压机(下文简称“油加热层压机”)的加热系统的平均能耗，因此从节约能源的角度考虑，电加热方式的性价比更高，也是未来光伏组件层压机的发展方向[4]。

2 新型加热方式

针对光伏组件层压机采用的常规油加热方式及电加热方式的弊端，对加热方式进行革命性改进，提出了光伏组件层压机的新型加热方式，即点阵式电加热方式和双面电加热方式。下文对这2种加热方式进行详细介绍。

2.1 点阵式电加热方式

点阵式电加热方式是在加热板中直接嵌入陶瓷电加热器，以热传导的方式产生热量，此种情况下，全部的电能释放在加热板中，提高了热能的有效利用率。在采用高温导线作为电导线的条件下，除了对加热板的工作面，还对层压机的上、下真空腔室外侧等均采取了一定的保温措施，以减少车间的散热，同时还可以提高加热板整体温度的均匀性，其温度补偿范围缩小至±5 ℃。

在采用点阵式电加热方式的层压机(下文简称“点阵式电加热层压机”)中，尺寸为12000 mm×2800 mm的加热板采用了12800个独立的加热器，按品字形分布，划分为60个加热区域；每个加热区域的温控点切换以光伏组件的摆放位置为准，加热板的温度控制精度可达±1 ℃；在加热板的有效加热面积11800 mm×2600 mm内，静态(指模拟工况下加热过程中)光伏组件表面测温点的温度均匀度达到±1.5 ℃，动态(指正常层压过程中)光伏组件表面测温点的温度均匀度小于等于±2.5 ℃。在保证加热温度均匀性的基础上，点阵式电加热方式有效提高了加热器自身的寿命，点阵式电加热层压机在服役过程中创造了连续工作11年未检修的成绩。

相比于油加热层压机，点阵式电加热层压机的优势主要体现在节能、安全、环保这3个方面。

1)节能。点阵式电加热层压机省去了油加热层压机配套的油锅炉、热油泵等设备，因此在相同产能情况下，相较于油加热层压机，点阵式电加热层压机的加热系统能耗可节约30%以上。同时，由于点阵式电加热方式的散热相对更少，因此在车间的环境温度控制方面又避免了一定的能源消耗。

2)安全。采用油加热方式时，当导热油加热至220～240 ℃时，遇到空气中的尘埃会起火燃烧，存在严重的安全隐患；同时，油加热层压机采用了油锅炉及热油循环方式的加热系统，该加热系统为三类压力容器，会增加生产成本，并且其安全问题也不容忽视。但点阵式电加热层压机不存在这些问题。

3)环保。油加热层压机在安装调试、定期维护、更换导热油时都会不可避免的造成油污污染。但点阵式电加热层压机不存在这些问题。

点阵式电加热层压机已经完全拥有了油加热层压机的各项优点，并弥补了油加热层压机的缺陷，成为光伏组件层压机的一个重要发展方向。

2.2 双面电加热方式

采用双面电加热方式的层压机(下文简称“双面电加热层压机”)是在点阵式电加热层压机的基础上发展起来的主要适用于双玻光伏组件的层压机。与点阵式电加热层压机相比，二者的主要区别在于：双面电加热层压机的腔室上盖具有红外线辐射加热功能，利用辐射加热可以使真空腔体中的光伏组件受热更均匀；下腔室仍然采用点阵式电加热方式，通过上、下腔室形成的热辐射和热传导，使进入真空腔体中的光伏组件能够均匀、迅速地交联，减少因单一热传导方式引起的光伏组件翘曲或光伏组件背板受热缓慢的问题[5]。而且，采用此种加热方式，真空腔体内的光伏组件四周边缘均能快速加热，光伏组件的最大加热温度可达到200 ℃。

在当前社会对所有生产企业均有节能降耗要求的形势下，双面电加热层压机在加热系统结构上的改进可以提高能源利用率，节约占地面积，提高了光伏组件的层压质量，有效降低了光伏组件的生产成本。可以看出，双面电加热层压机将是未来层压机的发展方向之一[6-7]。

根据车间实测数据显示：生产同种规格的光伏组件、其他工艺相同的情况下，在层压过程中，双面电加热层压机每层光伏组件的层压电耗仅为油加热层压机每层光伏组件层压电耗的50%，大幅降低了生产过程中的能量损耗，节约了能源。另外，双面电加热层压机的出料铝板带有自动升降功能，其采用水冷冷压系统，可以明显改善层压后光伏组件降温速度慢的问题，大幅缩短了光伏组件的生产时间。

综上所述可知，双面电加热层压机可以做到光伏组件生产过程中的减时降耗，有效提高光伏组件层压时的生产效率，并降低生产成本。同时，双面电加热层压机工作过程中无污染、无噪音、易维护，使用寿命比常规电加热层压机长约2倍，更适于当前光伏组件层压机市场的发展应用。

3 光伏组件层压机的发展趋势展望

由于针对光伏组件层压机加热方式的研究涉及到传热学理论，因此基于传热学理论知识，辅助以Ansys有限元分析软件等模拟仿真的分析，通过理论和试验的方式使层压机的温度精度控制和加热温度的均匀性有所提升；另外，智能化控制和自动化控制也是未来光伏组件层压机的主要发展方向。

1)从光伏组件层压机的性能方面考虑，仍需进一步提升层压机的安全性和服役寿命，并提高温度控制的精度等。

2)从企业节能降耗方面考虑，大面积、多腔室、单次实现多层层压的立体封装设备是光伏组件层压机发展的主要方向。

4 结论

本文对光伏组件层压机的常规加热方式和新型加热方式分别进行了介绍与对比分析。点阵式电加热方式和双面电加热方式是针对常规加热方式的弊端做出重大改进后提出的2种新型加热方式，其对光伏组件层压机的加热温度控制精度和设备生产效率有较大的提升，是光伏组件层压机领域的重大研究进展。通过实践证明：点阵式电加热方式的温度控制精度可达±1 ℃，且点阵式电加热层压机的服役寿命大于11年；相对于常规油加热方式而言，双面电加热方式在缩短生产时间的同时，还可以节约电耗多达50%。