CN103580593A - 一种用于支撑光伏太阳能模块的构件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种支撑和/或保护光伏模块的构件，该构件包括贯穿构件轴向的纤维和作为基质的塑料。其中，所述纤维包括玻璃纤维、碳纤维、金属纤维及其任意混合物；所述塑料为聚氨酯。纤维的重量为构件总重量的约30％-95％。本发明具有和铝框相似的强度和刚性，以及优良的电绝缘性能，耐腐蚀性，和光伏模块中其它材料比如玻璃在热膨胀性能上的匹配性。

Description

一种用于支撑光伏太阳能模块的构件
技术领域
本发明涉及光伏模块的组成构件。
背景技术
能够将太阳能直接转换成电能的光伏模块可以满足环保和节约不可再生能源的需要。然而，光伏模块的普及取决于它的成本效益，包括光伏电池的转换效率，光伏模块的生产、运输、安装成本和光伏模块的使用寿命。
一个光伏模块一般由以下组件构成：前板、背板、位于其中的一个或多个相互连接的光伏电池、封装材料以及用于进一步保护和/或支撑光伏模块的构件。
前板一般由透明的玻璃制成，特别合适的是对波长位于300nm和1150nm之间的光波有较好透光率的低铁含量的钢化玻璃。
光伏电池一般由单晶或多晶硅制备。
封装材料将前板、背板、光伏电池等组件粘结在一起。常用的封装材料包括乙烯醋酸乙烯共聚物(EVA(ethylene-vinyl acetate))，它的作用是阻隔氧气和水分对光伏电池中金属触点的腐蚀。一旦金属触点遭到损坏，所有串联在一起的光伏电池都会遭到破坏。
背板不但能保护光伏电池和封装材料免受氧气和水分的侵蚀，还能保护它们不被划伤以及作为电绝缘体。玻璃及复合材料都可作为背板，其中最常用的是聚氟乙烯复合膜。
CN102097504公开了一种光伏模块的支撑框架，该框架是由铝制成的。铝制框架易被腐蚀，同时较为沉重，从而增加了运输和安装的成本。
US4,830,038和US5,008,062公开了一种通过反应注射成型(RIM)方式制备的聚氨酯弹性体，可以对光伏模块起支撑，密封和隔离的作用。优选的，该聚氨酯弹性体的弹性模量位于200～10000psi之间(等同于1.4～69.0N/mm2)。反应注射成型方式增加了光伏模块生产的成本和复杂性，且制得的弹性体相对于铝框的刚性要低得多。
CN1893121披露了在太阳能组件中使用具有持久弹性和挠性的由合成材料制成的圆周框架。
WO2008/060539公开了一种通过拉挤工艺制备的纤维增强的光伏板的框架。其中，纤维可以是玻璃纤维，碳纤维或合成材料纤维。
上述专利及专利公开的全部内容以引用的方式并入本文作为参考。
发明内容
铝及其它的一些合成材料作为光伏模块的支撑和/或保护构件具有各种不足之处。这些不足之处包括材料的强度和刚性，电绝缘性能，耐腐蚀性，以及和光伏模块中其它材料比如玻璃在热膨胀性能上的匹配性。
本发明的一个目的是提供一种对光伏模块起支撑和/或保护作用的构件，该构件由复合材料制成。所述复合材料具有和铝相似的机械强度，因而可以适用现有的铝框的设计和安装方式。
本发明的另一个目的是提供一种对光伏模块起支撑和/或保护作用的构件，该构件具有较好的电绝缘性能，从而减少闪电击穿和漏电的可能性，还可以降低光伏电池效率的电位诱发衰减(potential induced degradation，PID)。
本发明的再一个目的是提供一种对光伏模块起支撑和/或保护作用的构件，该构件具有较好的相对于化学和/或电化学腐蚀的惰性，从而延长光伏模块的使用寿命。
本发明的依旧另一个目的是提供一种对光伏模块起支撑和/或保护作用的构件，该构件具有和光伏模块的其它组成部件，例如前板玻璃相近的热膨胀系数，因此能够防止在使用过程中由于热胀冷缩效应导致前板玻璃碎裂。
在一方面，本发明公开了一种用于支撑和/或保护光伏模块的构件，该构件包括贯穿构件轴向的纤维和作为基质的塑料，其中，所述塑料为聚氨酯，所述纤维包括玻璃纤维、碳纤维、金属纤维及其任意混合物，所述纤维的重量为构件总重量的约30％-95％。
本发明公开的构件可通过拉挤工艺制备，且所述构件的轴向拉伸模量为至少20000N/mm2，轴向弯曲模量为至少20000N/mm2，表面电阻为至少1×1014Ω且轴向热膨胀系数α最大为20×10-6/K(温度范围-20℃至100℃)，密度为至少1500kg/m3。
在另一方面，本发明还公开了一种光伏模块，包括前板，背板，位于其中的至少一个光伏电池，封装材料以及用于支撑和/或保护光伏模块的构件。
在又一方面，本发明还公开了一种制备用于支撑光伏模块的构件的方法，包括用拉挤的工艺生产型材，所述型材包括贯穿轴向的纤维和作为基质的塑料；将所述型材切割成适当的尺寸和形状；并且将切割后的型材固定连接在光伏模块上。其中，所述塑料为聚氨酯；所述纤维包括玻璃纤维、碳纤维、金属纤维及其任意混合物；且所述构件的轴向拉伸模量为至少20000N/mm2，轴向弯曲模量为至少20000N/mm2，表面电阻为至少1×1014Ω且轴向热膨胀系数α最大为20×10-6/K(温度范围-20℃至100℃)，密度为至少1500kg/m3。
附图说明
图1示意性地显示了一种通过拉挤工艺制备的纤维增强复合材料的截面图。
图2示意性地显示了一种通过拉挤工艺制备的型材的截面图。
具体实施方式
本发明公开的用于支撑和/或保护光伏模块的构件是由纤维增强的复合材料制成的。该复合材料一般由拉挤工艺制备。在拉挤工艺中，纤维应该具有足够的长度穿过至少一个树脂浸润盒，可选择的定型模具，至少一个树脂固化区，并将穿出的一端连接在一个能够产生拉力的装置上。通常加热树脂固化区使树脂在其中凝胶化并固化。拉挤工艺能够连续产生具有相同的同向强度的型材，并且该型材的形状，纤维在其中的含量和分布情况都可以通过调节工艺参数，例如模具的设计来实现。图1示意性地显示了一种通过拉挤工艺制备的纤维增强复合材料的截面图，包括位于中心沿轴向(垂直于纸面方向)伸展的纤维101和环绕在其周围的作为基质的塑料102。除了图1所示意的方式，也可以使用多层的相同或不同的纤维，浸润在一种或多种不同的树脂中。制成的型材可按需要切割成适当的长度。拉挤工艺的细节在本领域中是公知的，例如美国专利US3,960,629和US5,617,692，它们公开的全部内容都以引用的方式并入本文作为参考。缠绕-拉挤工艺也可用来生产本发明的型材。
纤维在拉挤工艺中被拉伸的方向即为纤维方向，此方向也被定义为所得型材的轴向，和由此制得的构件的轴向。与轴向垂直的方向定义为型材或构件的横向。在安装光伏模块时，起支撑和/或保护作用的构件的轴向一般与光伏模块的边缘大致平行。
本发明中的纤维可以是单束的，辫状束的，交织或非交织的以及单层或多层的毡状结构和它们的任意组合。虽然单条的纤维有可能产生断裂或不连续的情况，但作为整体，纤维是贯穿型材的轴向的。
为了达到需要的机械强度，本发明中的纤维应该至少包括玻璃纤维，碳纤维，金属纤维或其任意混合物。其它适合添加的纤维还包括聚酯纤维，天然纤维，聚酰胺纤维，尼龙纤维，或其任意混合物。优选的纤维是玻璃纤维，碳纤维，更优选玻璃纤维。
在本发明的构件中，纤维的重量占构件总重量的约30％～95％，或约50％～90％，优选为约75％～85％。这样的构件能够满足本发明的目的，并且具有下列的宏观参数：
轴向拉伸模量，平行于纤维方向并采用DIN EN ISO 527-4测量，其数值至少为约20000N/mm2，或至少为约30000N/mm2，或至少为约40000N/mm2，优选为至少约45000N/mm2。
轴向弯曲模量，平行于纤维方向并采用DIN EN ISO 14125测量，其数值至少为约20000N/mm2，或至少为约30000N/mm2，优选为至少约40000N/mm2。
当构件的轴向拉伸模量和轴向弯曲模量大于或等于上述所列的最小值时，该构件具有较好的稳固性和刚性，在运输安装和使用中时不易变形。
表面电阻，采用GB/T 1410测量。其数值至少为约1x1014Ω，优选为约5x1014Ω，或更优选为约1x1015Ω。较高的表面电阻可以增加电绝缘性和耐腐蚀性。
轴向热膨胀系数，平行于纤维方向即光伏模块边缘方向并采用DIN53752测量，测量温度范围-20℃至100℃，其数值α≤20x10-6/K。当构件的热膨胀系数和光伏模块的前板和/或背板材料(一般为玻璃)相似时，构件使用时不易因热胀冷缩造成前板和/或背板的破裂。构件垂直于纤维方向的热膨胀系数对使用无影响，因此可以＞20x10-6/K。
本发明的构件的密度可采用DIN EN ISO 845测量。所得数值至少为约1500kg/m3，优选至少为约2000kg/m3。
安装时，构件可围绕光伏模块的全部边缘，部分边缘或固定在背板上。当构件和光伏模块的边缘相接触时，构件的轴向应与光伏模块的边缘大致平行。构件可通过胶接和/或机械连接方式与光伏模块固定连接。胶接一般可使用硅胶等粘结剂；所述机械连接方式包括螺栓连接、铆接、插扣式连接、卡式连接及其任意组合。实验证明，当构件中的塑料为聚氨酯时，与其它类型的塑料，例如不饱和聚酯相比，在采用螺丝钻孔等方式固定时，构件更不容易出现裂痕。
构件的形状和尺寸可以根据光伏模块的形状和尺寸预先设计好，并采用拉挤工艺一次成型。图2显示了作为例子的一种构件的截面图。纤维方向即构件的轴向垂直于纸面。其中，凹槽201环绕在光伏模块的边缘，且凹槽201的宽度为6mm；204和205分别为与光伏模块的前板和背板相接触并可以进行固定连接的部位，它们的厚度a和b都为1.5mm；空腔202及环绕它的部件起到支撑的作用，空腔202的高度d为39mm；203可以是和屋顶或其它底座固定连接的部位，它的厚度e为2mm。承重较多的部分拐角处被设计为半径为1.5mm的圆角，这样的设计有助于分散所受到的应力。
被用来制备聚氨酯拉挤玻璃纤维光伏模块边框的聚氨酯反应体系包含多异氰酸酯和异氰酸酯反应性化合物，以及助剂/添加剂和/或填料。
所述多异氰酸酯可以是一种多异氰酸酯或者是多种多异氰酸酯的混合物。所述多异氰酸酯可用通式R(NCO)n表示，其中，R表示含2-18个碳原子的脂肪族烃基、含6-15个碳原子的芳烃基、或含8-15个碳原子的芳脂族烃基，n＝2-4。所述多异氰酸酯，优选但不限于，己二异氰酸酯(HDI)、甲苯-2，4-二异氰酸酯(TDI)、甲苯-2，6-二异氰酸酯(TDI)、二苯基甲烷-2，4’-二异氰酸酯(MDI)、二苯基甲烷-，2，2’-二异氰酸酯(MDI)、二苯基甲烷4，4’-二异氰酸酯(MDI)、亚奈基-1，5-二异氰酸酯(NDI)、它们的异构体、它们与它们的异构体之间的混合物。所述多异氰酸酯，还可以是用碳化二胺、脲基甲酸酯、异氰酸酯改性所得的异氰酸酯，或异氰酸酯封端的预聚物。
所述异氰酸酯反应性化合物为含活泼氢类化合物，优选但不限于，多元醇、多元胺，更优选多元醇。所述多元醇可以是一种多元醇或者多种多元醇的混合物。所述多元醇的平均分子量为100-10000，官能度为1-10，优选1.8-8，更优选2-6。所述多元醇，优选但不限于，聚酯多元醇、聚醚多元醇、聚碳酸酯多元醇、植物油基多元醇、或它们的混合物。
所述添加剂可以包括，催化剂、表面活性剂、阻燃剂、内脱模剂、发泡剂、着色剂、增塑剂、交联剂、扩链剂、阻链剂、及其任意混合物等。
所述填料可以包括有机填料、无机填料及其任意混合物。其中，所述有机填料包括芳族聚酰胺纤维，晶体蜡或脂类，基于聚苯乙烯，聚氯乙烯，和脲-甲醛塑料组成的粉末，软木，或任意以上组合。所述无机填料包括硅灰石，硅材料，金属氧化物，金属盐，玻璃微球，或任意以上组合。
下列实施例仅用于举例说明本发明，但并不意图限制本发明的保护范围。
实施例1
原料和试剂
将纤维依次通过导纱板，树脂浸润盒或注胶盒，纤维在树脂浸润盒或注胶盒中充分浸润并将气泡挤出，之后进入定型模具，配合适当的速度以及温度设置，拉挤出型材。型材出定型模具口一定距离之后，在树脂固化区内完全固化。所使用的拉挤机为由南京诺尔泰复合材料设备制造有限公司生产的4吨履带式拉挤机，计量混合设备是由美国Magnum VenusPlastech公司提供的MVP MINI LINK机器。
通过上述拉挤工艺产生的平板状型材具有200mm x 3.2mm的截面。根据测试方式的需要，可将该型材切割成适当的尺寸和形状。对型材的各项宏观参数的测试结果如表1所示。
表1.含80％玻璃纤维的聚氨酯复合材料的性质测定
Figure BSA00000762550400071
从表1中可以看出，该型材的各项相关参数(1、2、4、6、7)达到设定的要求，满足作为支撑和/或保护光伏模块的构件的条件。
所属领域的技术人员易知，本发明不仅限于前述的具体细节，且在不脱离本发明的精神或主要特性的前提下，本发明可实施为其他特定形式。因此从任何角度来说都应将所述实施例视作例示性而非限制性的，从而由权利要求书而非前述说明来指出本发明的范围；且因此任何改变，只要其属于权利要求等效物的含义和范围中，都应视作属于发明。

Claims (27)

1.一种用于支撑光伏模块的构件，所述构件包括贯穿构件轴向的纤维和作为基质的塑料。
2.如权利要求1所述的构件，其中，所述塑料为聚氨酯。
3.如权利要求1所述的构件，其中，所述纤维包括玻璃纤维、碳纤维、金属纤维及其任意混合物。
4.如权利要求1所述的构件，其中，所述构件与光伏模块的全部边缘固定连接。
5.如权利要求1所述的构件，其中，所述构件与光伏模块的部分边缘固定连接。
6.如权利要求1所述的构件，其中，所述构件与光伏模块的背板固定连接。
7.如权利要求1-6所述的构件，其中，所述纤维的重量为构件总重量的约30％-95％。
8.如权利要求7所述的构件，其中，所述纤维的重量为构件总重量的约50％-90％。
9.如权利要求8所述的构件，其中，所述纤维的重量为构件总重量的约75％-85％。
10.如权利要求7所述的构件，其中，所述构件的轴向拉伸模量为至少20000N/mm2，轴向弯曲模量为至少20000N/mm2，表面电阻为至少1×1014Ω且轴向热膨胀系数α最大为20×10-6/K(温度范围-20℃至100℃)。
11.如权利要求7所述的构件，该构件由拉挤工艺制备。
12.如权利要求7所述的构件，该构件还包括用以增强构件横向强度的玻璃毡。
13.如权利要求7所述的构件，所述构件的密度至少为1500kg/m3。
14.如权利要求7所述的构件，所述构件的密度至少为2000kg/m3。
15.如权利要求7所述的构件，其中，所述纤维包括单束的，辫状束的，交织或非交织的以及单层或多层的毡状结构和它们的任意组合。
16.如权利要求2所述的构件，其中，所述塑料还包括助剂和/或添加剂。
17.如权利要求16所述的构件，其中，所述助剂和/或添加剂包括催化剂、内脱模剂、发泡剂、阻燃剂、着色剂、表面活性剂、增塑剂、交联剂、扩链剂、阻链剂及其任意混合物。
18.如权利要求7所述的构件，还包括有机填料、无机填料及其任意混合物。
19.如权利要求18所述的构件，其中，所述有机填料包括芳族聚酰胺纤维，晶体蜡或脂类，基于聚苯乙烯，聚氯乙烯，和脲-甲醛塑料组成的粉末，软木，或任意以上组合。
20.如权利要求18所述的构件，其中，所述无机填料包括硅灰石，硅材料，金属氧化物，金属盐，玻璃微球，或任意以上组合。
21.如权利要求7及16-20中任一项所述的构件，该构件通过胶接和/或机械连接方式与光伏模块固定连接。
22.如权利要求21所述的构件，其中，所述胶接使用硅胶。
23.如权利要求21所述的构件，其中，所述机械连接方式包括螺栓连接、铆接、插扣式连接、卡式连接及其任意组合方式。
24.一种光伏模块，包括前板，背板，位于其中的至少一个光伏电池，封装材料以及如权利要求7及16-20中任一项所述的构件。
25.一种制备用于支撑光伏模块的构件的方法，包括
a)用拉挤的工艺生产型材，所述型材包括贯穿轴向的纤维和作为基质的塑料；
b)将所述型材切割成适当的尺寸和形状；并且
c)将切割后的型材固定连接在光伏模块上。
26.如权利要求25所述的方法，其中，所述塑料为聚氨酯。
27.如权利要求25所述的方法，其中，所述纤维包括玻璃纤维、碳纤维、金属纤维及其任意混合物。
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