CN106847965A - 太阳能无人机中柔性封装的太阳能电池组块及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳能无人机中柔性封装的太阳能电池组块及其制备方法。包括太阳能电池片和紧贴在太阳能电池片背面的纤维增强材料，纤维增强材料通过环氧树脂胶压合在太阳能电池板背面；主要由自上而下依次叠放的表面封装膜、太阳能电池片、电极线层、环氧树脂胶层、玻璃纤维布层的五层组成，以玻璃纤维布作为纤维增强材料，电极线层紧贴在太阳能电池片下表面形成整体。本发明能满足太阳能无人机在电池转换效率和单位面积电池比功率两方面的综合要求，并能有效解决刚性太阳能电池阵与飞机翼型曲面的有效结合问题，并能有效降低太阳能无人机在结构重量方面的损耗，进而提高太阳能无人机的载荷能力。

Description

太阳能无人机中柔性封装的太阳能电池组块及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能无人机研究领域，特别是涉及了一种太阳能无人机中柔性封装的太阳能电池组块及其制备方法。
背景技术
能源和环境危机是当今人类面临的严峻挑战。太阳能是可再生能源，是取之不尽的能源资源，如何有效地开发和利用这些资源则日益受到全球范围的重视。太阳电池片的制备经历一个多世纪的科学发展和技术进步，太阳能电池的种类也越来越多，从计算器传统太阳能灯、太阳能充电器，到光伏发电站、光伏建筑一体化，分布式屋顶发电系统等，在各个领域都得到广泛的应用。单个太阳能电池片往往因为输出电压太低，输出电流不合适，晶体硅太阳能电池片本身又比较脆，不能独立抵御外界恶劣条件，因而在实际使用中需要把单体太阳能电池片进行串并联，并加以封装，接出外连线，成为可以独立作为光伏电源使用的太阳能电池片组。太阳能电池片组件通过吸收阳光，将太阳的光能直接变成用户所需的电能输出。
现有技术的缺陷和不足：
1.在一般的市场应用中，绝大多数采用的是单晶硅电池、多晶硅电池和非晶硅电池等太阳能电池片，均以玻璃封装，脆弱易损不能同时满足轻、薄、可在曲面使用安装等要求。
2.非晶硅、铜铟镓硒、染料敏化等大多数柔性太阳能电池组件，存在转换效率低或量产性差等问题。
3.太阳能电池片暴露在空气中易氧化，在使用过程中易受到污染，使用寿命短；
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种太阳能无人机中柔性封装的太阳能电池组块及其制备方法。
本发明制备获得的太阳能电池组块安装到太阳能无人机机翼上，能满足太阳能无人机在电池转换效率和单位面积电池比功率两方面的综合要求，并能有效解决刚性太阳能电池阵与飞机翼型曲面的有效结合问题，可有效降低太阳能无人机在结构重量方面的损耗，进而提高太阳能无人机的载荷能力。
本发明采用的技术方案是：
一、一种太阳能无人机中柔性封装的太阳能电池组块：
包括太阳能电池片和紧贴在太阳能电池片背面的纤维增强材料，纤维增强材料通过环氧树脂胶压合在太阳能电池板背面。
本发明以高效的刚性太阳能电池为基础，通过柔性薄膜太阳能电池封装技术的合理借鉴与改进，利用单层玻璃纤维布材料，配以EL2环氧树脂胶将刚性太阳能电池进行柔性模块化封装，形成刚柔一体太阳能电池模块。
主要由自上而下依次叠放的表面封装膜、太阳能电池片、电极线层、环氧树脂胶层、玻璃纤维布层的五层组成，以玻璃纤维布作为纤维增强材料，电极线层紧贴在太阳能电池片下表面形成整体。
本发明五层的太阳能电池组块在制作过程中先由自上而下依次叠放的第一pet聚酯薄膜、太阳能电池片、电极线层、环氧树脂胶层、玻璃纤维布、第二pet聚酯薄膜的六层材料组成，再将第一pet聚酯薄膜和第二pet聚酯薄膜撕去，将表面封装膜贴在电池片表面。
所述的表面封装膜为高透超轻保护膜，高透是指透明度高于等于90％，超轻是指膜的单层每平方米质量小于等于20克。
具体实施的太阳能电池片采用刚性太阳能电池片。
所述纤维增强材料也可以采用芳纶、尼龙丝等其他绝缘纤维材料编织成布。
二、一种太阳能无人机中柔性封装的太阳能电池组块的制备方法：
1)电池片焊接：在洁净室内，将太阳能电池片电极焊接，先进行单片焊接，再进行多片串焊，形成多片太阳能电池片组成一块太阳能电池板，并将电极线层贴附在其下表面；所述的单片焊接和多片串焊均在表面带预热系统的串接模板上进行。
其中，在进行太阳能电池片焊接时，为确保该太阳能电池组件输出的高效性，焊接过程应在洁净室内完成。
2)进行裁剪和清理：将第一pet聚酯薄膜、表面封装膜、第二pet聚酯薄膜和玻璃纤维布根据太阳能电池板的面积进行剪裁，然后对第一pet聚酯薄膜和第二pet聚酯薄膜进行清洁和打蜡的预处理，使得第一pet聚酯薄膜的下表面和第二pet聚酯薄膜的上表面无异物和杂质并经打蜡处理；
3)将第二pet聚酯薄膜铺在干净平整的桌面上，将剪裁好的玻璃纤维布展开覆盖在第二pet聚酯薄膜上；
4)配制环氧树脂胶，采用EL2环氧树脂胶，AT30胺类快速固化剂，树脂和固化剂的质量比是10:3，EL2环氧树脂胶和玻璃纤维布的质量比是1:1，将环氧树脂胶均匀地涂抹到玻璃纤维布上，使得玻璃纤维布与第二pet聚酯薄膜完全粘合；
5)将焊好的电池片板及其下贴附的电极线层置于涂好胶水的玻璃纤维布上，再将第一pet聚酯薄膜铺在电池片板上，下表面朝下并与太阳能电池板的上表面接触；
6)通过上述步骤将第一pet聚酯薄膜和第二pet聚酯薄膜在完成层叠步骤后，用透明胶带进行临时固定；
7)将步骤6)制成的半成品放入密封的真空袋中，抽真空进行固化；
8)从真空袋中取出，形成刚柔一体的太阳能电池模块，修剪电池模块周围多余的加工余料，撕去第一pet聚酯薄膜和第二pet聚酯薄膜，然后将太阳能电池板上表面铺上表面封装膜再放入真空袋里压平，取出后获得太阳能电池组块。
所述步骤中抽真空进行固化的处理是在真空气压为-0.09Mpa的条件下，从常温加热到固化温度65℃，静置12个小时。
步骤7中，抽真空进行固化的处理是在真空气压为-0.09Mpa的条件下，从常温加热到固化温度65℃，静置12个小时。
步骤8中，抽真空进行固化的处理是在真空气压为-0.09Mpa的条件下，从常温加热到封装温度105℃，静置1个小时。
所述太阳能电池组块用于安装到太阳能无人机机翼上。
其中，该第一pet聚酯薄膜的下表面需进行预处理，具体是：第一pet聚酯薄膜的下表面需用洁净软布以旋转的方式均匀地涂抹环氧树脂脱膜蜡，15分钟后，再用净软布将朦糊的表面渐渐擦至光亮，重复三次。
其中，第一pet聚酯薄膜的下表面必须保持高度的洁净。
其中，太阳能电池片可采用高效的砷化镓太阳能电池、高效的单晶硅太阳能电池或高效的多晶硅太阳能电池。
其中，电极线层采用镀锡的无氧铜，镀银的退火无氧铜、退火的纯银箔或退火的镀银纯铝。
其中，该玻璃纤维布的剪裁布纹方向应于电池片背后的栅线垂直。
其中，该表面第二pet聚酯薄膜的上表面需进行预处理，具体是：第二pet聚酯薄膜的上表面需用净软布以旋转的方式均匀地涂抹环氧树脂脱膜蜡，15分钟后，再用净软布将朦糊的表面渐渐擦至光亮，重复三次。
其中，第一pet聚酯薄膜、第二pet聚酯薄膜、表面封装膜、玻璃纤维布的尺寸应略大于所要封装的电池片组的大小。
本发明的表面封装膜主要用于位于刚柔一体太阳能电池模块的上表面，在满足足够透光率的情况下起保护太阳能电池片的作用；电极线层主要用于输出太阳能电池片所产生的电能；环氧树脂胶层填充于太阳能电池片与增强纤维布的间隙之中。
本发明玻璃纤维布是指玻璃纤维编织成的布，玻璃纤维布位于刚柔一体太阳能电池模块的下表面，在满足太阳能电池片柔性封装的同时，起到一定结构支撑的作用；玻璃纤维布与太阳能电池片复合成一体，增加其韧性，使其具有单片电池片45°弯曲而不破碎的能力。
本发明的优势和有益效果是：
本发明可在保持太阳能电池阵高效输出的同时，有效解决刚性太阳能电池阵列与太阳能无人机翼型曲面的有效结合问题，目前较为先进用于电池片封装的CIGS薄膜面密度为1700g/m2，而此封装工艺光伏模块的面密度仅为为545g/m2，其厚度仅为0.2mm，输出功率为100W的电池板重量仅为270G，是传统封装工艺太阳能电池板的1/6，因而可为太阳能无人机的轻质化设计与载荷能力的提高提供技术支持。
本发明的表面封装膜具有双向性收缩率大，耐热性能高，奶油性能好等优点，透光率达95％，每平方米13-17g，厚度为10～15微米，背面涂有薄层热敏胶，在一定温度条件下，具有粘性，能与太阳能电池片粘合在一起，防止太阳能电池片的氧化以及保护电池片；因其具有热缩性，一定温度下，材料收缩，使电池片表面更加平滑；又因厚度薄，电池片相当于和流动的空气接触，飞行过程中，表面的空气流动，带走热量，主动散热，提高了电池片的转换效率。
总结来说，本发明制备获得电池组块柔韧性好，质量密度小，成本低，能非常好地适用于太阳能无人机，贴附在机翼上能满足太阳能无人机在电池转换效率和单位面积电池比功率两方面的综合要求，并能有效解决刚性太阳能电池阵与飞机翼型曲面的有效结合问题，能有效降低太阳能无人机在结构重量方面的损耗，进而提高太阳能无人机的载荷能力。
附图说明
图1为本发明制备过程中所需材料的结构示意图；
图2为本发明获得太阳能电池组块的结构示意图。
图3为本发明方法流程图。
图中：1.第一PET聚酯薄膜；2.太阳能电池片；3.电极线层；4.环氧树脂胶；5.玻璃纤维布；6.第二PET聚酯薄膜；7.表面封装膜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明
如图3所示，本发明的实施例及其实施制备过程如下：
实施例的太阳能电池组块是由自上而下依次叠放的表面封装膜7、太阳能电池片8、电极线层3、环氧树脂胶层4、玻璃纤维布5的五层组成，如图2所示，以玻璃纤维布5作为纤维增强材料，电极线层紧贴在太阳能电池片下表面形成整体。
太阳能电池片2本实施例中采用转换效率为21.8％的美国空间站用SUNPOWER太阳能单晶电池片。电极线层3焊接在高效太阳能电池片2下表面的主栅线上，起输出电能的作用，本实施例采用退火的镀银纯铝。环氧树脂胶层4填充于太阳能电池片2下表面与玻璃纤维布5的孔隙之中，采用EL2环氧树脂胶。玻璃纤维布5位于刚柔一体太阳能电池模块的下表面，在满足太阳能电池片柔性封装的同时，起到结构支撑的作用。表面封装膜7位于本发明电池组件的外表面，本实施例采用透光率为95％的热缩超轻高透蒙皮，可在满足足够透光率的情况下起保护太阳能电池片2的作用，防止太阳能电池片2物理损坏和化学氧化。
1)原材料采购、检验，保证所选材料满足使用要求和工艺成型要求，尤其是环境适应性要求；
2)电池片焊接：在洁净室内，将太阳能电池片电极焊接，先进行单片焊接，再进行多片串焊，使得太阳能电池片上的电极相串联连接，形成多片太阳能电池片组成一块太阳能电池板，并将电极线层贴附在其下表面；所述的单片焊接和多片串焊均在表面带预热系统的串接模板上进行，焊接前太阳能电池片被固定在板上并与具有预热温度的板接触，可以保证太阳能电池片尽可能小的变形，从而减小碎片率。
电池片在模板上定好位置后，取15mm左右的短焊带，焊接于相邻两块电池片的焊点间，作为片间的串接；同时，在电池片中间，三条串接焊带间，还焊有一条汇流条，提高串接线路的可靠性。
3)进行裁剪和清理：将第一pet聚酯薄膜1、表面封装膜7、第二pet聚酯薄膜6和玻璃纤维布5根据太阳能电池板的面积进行剪裁，用专用裁剪机按组件规格裁剪第一pet聚酯薄膜、表面封装膜、第二pet聚酯薄膜和玻璃纤维布，四周留有5～10mm的加工余量，然后对第一pet聚酯薄膜和第二pet聚酯薄膜进行清洁和打蜡的预处理，使得第一pet聚酯薄膜的下表面和第二pet聚酯薄膜的上表面无异物和杂质并经打蜡处理；
4)将第二pet聚酯薄膜铺在干净平整的桌面上，其进行过预处理的上表面朝上，将剪裁好的玻璃纤维布展开覆盖在第二pet聚酯薄膜上；
5)配制环氧树脂胶，采用EL2环氧树脂胶，树脂和固化剂的质量比是10:3，实施例的固化剂采用快速性胺类固化剂，EL2环氧树脂胶和玻璃纤维布的质量比是1:1，将环氧树脂胶均匀地涂抹到玻璃纤维布上，环氧树脂胶由上表面渗透过玻璃纤维布到下表面，使得玻璃纤维布与第二pet聚酯薄膜完全粘合；
6)将焊好的电池片板及其下贴附的电机线层置于涂好胶水的玻璃纤维布上，再将第一pet聚酯薄膜铺在电池片板上，下表面朝下并与太阳能电池板的上表面接触；
7)通过上述步骤将第一pet聚酯薄膜和第二pet聚酯薄膜在完成层叠步骤后，用透明胶带进行临时固定，防止第一pet聚酯薄膜和第二pet聚酯薄膜发生相对移动；
8)如图1所示，将步骤6制成的半成品同定位模板放入密封的真空袋中，0.8～1个大气压下抽真空进行固化，固化温度和时间与环氧树脂胶相适应，在真空气压为-0.09Mpa的条件下，从常温加热到固化温度65℃，静置12个小时。
9)从真空袋中取出，此时务必保证环氧树脂胶已固化，形成刚柔一体的太阳能电池模块，修剪电池模块周围多余的加工余料，撕去第一pet聚酯薄膜和第二pet聚酯薄膜，然后将太阳能电池板上表面铺上表面封装膜再放入真空袋里压平，抽真空进行固化的处理是在真空气压为-0.09Mpa的条件下，从常温加热到封装温度105℃，静置1个小时，在此工艺条件下表面封装膜背面的热敏胶具有粘性，在外部压力的作用下可以紧紧贴在电池片表面。)取出后获得太阳能电池组块，最终如图2所示，完成刚柔一体太阳能电池组块的封装。
本实施例可在保持太阳能电池阵高效输出的同时，有效解决刚性太阳能电池阵列与太阳能无人机翼型曲面的有效结合问题，因为经过封装处理后，单块电池片可以45°弯曲而不破碎，目前较为先进用于电池片封装的CIGS薄膜面密度为1700g/m2，而采用本封装工艺光伏模块的面密度仅为545g/m2，其厚度仅为0.2mm，输出功率为100W的光伏模块重量仅为270G，是传统封装工艺太阳能电池板的1/6，因而可为太阳能无人机的轻质化设计与载荷能力的提高提供技术支持。
在制造成本上，本封装工艺所需材料费不超过100元/m2，额外设备需求少；而传统EVA，PET为衬底封装的工艺，材料费在150元/m2以上，且封装过程，需要专用的真空层压机热压，进一步增加了其成本。
由此可见，本发明能够有效解决刚性太阳能电池阵列与太阳能无人机翼型曲面的有效结合问题，实现了轻质化并提高了载荷能力，并且转换效率高，成本低，达到其突出显著的技术效果。

Claims (9)

1.一种太阳能无人机中柔性封装的太阳能电池组块，其特征在于：包括太阳能电池片和紧贴在太阳能电池片背面的纤维增强材料，纤维增强材料通过环氧树脂胶压合在太阳能电池板背面。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能无人机中柔性封装的太阳能电池组块，其特征在于：主要由自上而下依次叠放的表面封装膜、太阳能电池片、电极线层、环氧树脂胶层、玻璃纤维布层的五层组成，以玻璃纤维布作为纤维增强材料，电极线层紧贴在太阳能电池片下表面形成整体。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能无人机中柔性封装的太阳能电池组块，其特征在于：所述的表面封装膜为高透超轻保护膜。
4.根据权利要求1所述的一种太阳能无人机中柔性封装的太阳能电池组块，其特征在于：所述纤维增强材料也可采用芳纶、尼龙丝等其他绝缘纤维材料编织成布。
5.一种太阳能无人机中柔性封装的太阳能电池组块的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)电池片焊接：
在洁净室内，将太阳能电池片电极焊接，先进行单片焊接，再进行多片串焊，形成多片太阳能电池片组成一块太阳能电池板，并将电极线层贴附在其下表面；
所述的单片焊接和多片串焊均在表面带预热系统的串接模板上进行。
(2)进行裁剪和清理：
将第一pet聚酯薄膜、表面封装膜、第二pet聚酯薄膜和玻璃纤维布根据太阳能电池板的面积进行剪裁，然后对第一pet聚酯薄膜和第二pet聚酯薄膜进行清洁和打蜡的预处理，使得第一pet聚酯薄膜的下表面和第二pet聚酯薄膜的上表面无异物和杂质并经打蜡处理；
(3)将第二pet聚酯薄膜铺在干净平整的桌面上，将剪裁好的玻璃纤维布展开覆盖在第二pet聚酯薄膜上；
(4)配制环氧树脂胶，采用EL2环氧树脂胶，树脂和固化剂的质量比是10:3，EL2环氧树脂胶和玻璃纤维布的质量比是1:1，将环氧树脂胶均匀地涂抹到玻璃纤维布上，使得玻璃纤维布与第二pet聚酯薄膜完全粘合；
(5)将焊好的电池片板及其下贴附的电机线层置于涂好胶水的玻璃纤维布上，再将第一pet聚酯薄膜铺在电池片板上，下表面朝下并与太阳能电池板的上表面接触；
(6)通过上述步骤将第一pet聚酯薄膜和第二pet聚酯薄膜在完成层叠步骤后，用透明胶带进行临时固定；
(7)将步骤(6)制成的半成品放入密封的真空袋中，抽真空进行固化；
(8)从真空袋中取出，形成刚柔一体的太阳能电池模块，修剪电池模块周围多余的加工余料，撕去第一pet聚酯薄膜和第二pet聚酯薄膜，然后将太阳能电池板上表面铺上表面封装膜再放入真空袋里压平，取出后获得太阳能电池组块。
6.根据权利要求5所述的一种太阳能无人机中柔性封装的太阳能电池组块的制备方法，其特征在于：所述步骤(7)中抽真空进行固化的处理是在真空气压为-0.09Mpa的条件下，从常温加热到固化温度65℃，静置12个小时。
7.根据权利要求5所述的一种太阳能无人机中柔性封装的太阳能电池组块的制备方法，其特征在于：所述的固化剂采用AT30胺类快干型固化剂。
8.根据权利要求5所述的一种太阳能无人机中柔性封装的太阳能电池组块的制备方法，其特征在于：所述步骤(8)中抽真空进行固化的处理是在真空气压为-0.09Mpa的条件下，从常温加热到封装温度105℃，静置1个小时。
9.根据权利要求1-4任一所述的一种太阳能无人机中柔性封装的太阳能电池组块或者权利要求5-7任一所述的一种太阳能无人机中柔性封装的太阳能电池组块的制备方法，其特征在于：所述太阳能电池组块用于安装到太阳能无人机机翼上。
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