CN107689401A - 一种用于柔性薄膜太阳能电池的卷对卷封装系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于柔性薄膜太阳能电池的卷对卷封装系统及方法，所述的系统包括控制系统、铺设机构、预热机构、层压机构、降温机构以及收卷机构，铺设机构由至少五个按照顺序依上下位置放置的放卷筒，每个放卷筒内分别卷绕有用于相互铺设在一起构成电池组件层的柔性前模、胶膜、电池层、胶膜和柔性背板；铺设机构后面设置有由1—30组预热热压模块组成的预热机构，在预热热压模块中形成有供电池组件层从中通过并被预热热压模块热压后初步粘连的预热通道；预热机构后面安装有供电池组件层通过并通过上下热压模块热压后能使各层之间完全粘连在一起的层压机构，该压机构包括1‑99组热压模块；层压机构后面安装有主要起到降温作用的降温机构。
Description
技术领域
本发明涉及用于柔性薄膜太阳能电池的卷对卷封装系统及方法，属于太阳能电池封装技术领域。
背景技术
柔性太阳能电池封装结构一般包括：柔性前板、封装胶膜、电池层、封装胶膜、边缘密封胶、电极和柔性背板等。封装顺序一般都是先进行敷设，包括引出电极、贴丁基胶等，然后通过传统的层压机进行层压，最后得到产品。现市场上的柔性电池产品厚度一般在1.5-3.0mm之间，其主要原因是柔性前板、封装胶膜、柔性背板厚度较大，且较为坚硬。
如果要把柔性电池产品的厚度做到0.5mm以下，这就需要采用替代材料减薄各铺设层的厚度，特别是前后板和胶膜的厚度。但材料减薄后，如果仍旧采用现有技术进行封装，会产生前期铺设难度加大，层压后产生气泡、褶皱等问题。原因是材料减薄后，会变得更加柔软，裁剪后边缘会发生翘曲，导致在层压前敷设各层材料时并不能良好的互相贴附。而且由于边缘密封胶和引流条（一般是涂锡铜带）需要在胶膜四周敷设，并由背板穿孔引出电极，太薄的材料不能起到一定的结构支撑作用，所以经常会导致敷设失败，浪费了工艺时间，也极大地增加了人力成本。同时，由于各材料之间存在静电效应，当材料变薄了之后，静电效应对于材料的作用更加明显，会导致各前后膜与胶膜之间产生褶皱，很难铺平，增加了铺设难度。此外，在经过传统层压机层压抽真空过程后，膜之间的空气会被抽走，然后各层膜之间形成贴合，但如果材料太软，则贴合过程中极易产生孤立气泡无法脱离，或者挤压变形产生褶皱，从而造成层压失败。因此需要找一种新的封装方法，来封装超薄柔性太阳能电池。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种敷设较为容易、层压后基本无气泡和褶皱，能显著提高柔性太阳能电池封装质量和封装效率，降低超薄柔性太阳能电池生产成本的用于柔性薄膜太阳能电池的卷对卷封装系统及方法。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，一种用于柔性薄膜太阳能电池的卷对卷封装系统，它包括控制系统、铺设机构、预热机构、层压机构、降温机构以及收卷机构，所述的铺设机构由至少五个按照顺序依上下位置放置的放卷筒，每个放卷筒内分别卷绕有用于相互铺设在一起构成电池组件层的柔性前模、胶膜、电池层、胶膜和柔性背板；
所述的铺设机构后面设置有由1—30组预热热压模块组成的预热机构，其中预热热压模块的温度范围为40—150℃，压力范围为0.01—1Mpa，在所述预热机构中的预热热压模块中形成有供电池组件层从中通过并被预热热压模块热压后初步粘连的预热通道；
在所述预热机构后面安装有供电池组件层通过并通过上下热压模块热压后能使各层之间完全粘连在一起的层压机构，该压机构包括1-99组热压模块，其温度范围为100—250℃，压力范围为0.5—5Mpa；
所述层压机构后面安装有主要起到降温作用的降温机构，所述的降温机构采用水冷降温或风冷降温装置并布置于电池组件层通过的邻近边上；
所述的收卷机构包括一能将封装完成后的电池收卷起来的收卷筒。
作为优选：所述预热机构的预热热压模块和层压机构的热压模块均采用精密胶辊加压加热方式，它包括上下两根通过热压方式进行预热和层压的胶辊，在胶辊的轴中心安装有可对胶辊进行快速、精确和均匀加热的加热装置；所述的胶辊通过传动装置与外置的动力机构相连。
作为优选：所述的预热机构的预热热压模块之间和层压机构的热压模块之间分别安装有上下两块温度范围为50—250℃、起保温作用的加热板；所述胶辊直径50—200mm，长度300—1000mm，其材质使用不锈钢或45钢作为轴心，外面包耐高温胶皮，单面胶皮厚度为1—20mm，耐受温度范围为0-350℃；所述的加热装置由电加热棒、红外加热棒或油加热组成；所述胶辊的上方设置有通过电机或气缸与滑轨配合，能在运行中根据设定值与显示值之间的误差来自行调节对胶辊压力的压力调节机构；所述的动力机构为普通的调速电机、步进电机或伺服电机构成。
作为优选：所述的加热板为铸铝加热板或铠装加热器镶嵌的金属板；
所述的压力调节机构下面设置有配合显示器可精确读出当前压力值的压力传感器，并作为反馈来调节压力调节机构，所述压力传感器与胶辊或层压部件之间还设置有避免其直接接触的缓冲装置。
一种利用所述卷对卷封装系统进行柔性薄膜太阳能电池卷对卷的封装方法，所述的封装方法包括：
a)首先开启电源，启动各电气设备；整套控制系统采用HMI、PLC等电气设备来实现自动控制，并使运行的速度范围为0.01—5m/min；
b)在控制系统的人机界面设定参数，预热机构采用1-30个预热热压模块；层压机构采用1—99个热压模块；
c）参数设定好之后，等待胶辊表面温度与加热板表面温度达到设定值；
d）铺设机构的前模采用厚度为100-300um的前模，胶膜采用EVA或POE胶膜，厚度为100-300um，背板采用厚度为50-300um的背板；
e）将各前模、胶膜铺设好，且在电池层上引出电极，当胶辊表面温度达到设定值之后，铺设好的电池层组件以0.01-5m/min的速度进入预热机构；
f）电池层组件先经过预热机构的初步层压，再以0.01-5m/min的速度进入层压机构；
g）电池层组件经过层压机构的多次层压，胶膜已经完全融化且和前后膜与电池层紧密粘合在一起；
h）从层压机构出来后进入降温机构，待温度降到30-80摄氏度后出降温机构，最后由收卷机构收卷起来。
作为优选：所述的步骤b）中，预热机构采用2个热压模块，温度和压力分别为50℃、0.2Mpa，80℃、0.4Mpa；层压段采用5个热压模块，温度和压力分别设定为：120℃、1.0Mpa，120℃、1.5Mpa，150℃、1.5Mpa，150℃、2.0Mpa，160℃、2.0Mpa；热压模块之间的加热板温度分别设置为50℃、80℃、120℃、120℃、150℃、150℃。
本发明具有如下技术效果：
第一、电池前段生产完成后，不需要进行裁切和敷设，可直接进入封装阶段，节省了人工敷设时间，提高生产效率，降低生产成本；
第二、组件大小可自由定义。待封装完毕后再进行按需裁切，方便个性化定制；
第三、高精度胶辊热压方式，由于是线性接触而不是面接触，可以避免平面层压时产生的气泡和褶皱问题，提高封装良品率；
第四、各阶段压力和温度都可以独立精确控制，甚至模块化安装，方便增加或删减热压段工序数量，以达到更好的超薄柔性封装效果；
第五、整套设备的产率高于传统层压机，适用于卷对卷连续化柔性组件生产，甚至可能与前段工艺进行无缝衔接，使整个组件生产流程连续化。
本发明具有敷设较为容易、层压后基本无气泡和褶皱，能显著提高柔性太阳能电池封装质量和封装效率，降低超薄柔性太阳能电池生产成本等特点。
附图说明
图1是本发明所述系统组成原理图。
图2是本发明所述热压模块的正视结构示意图。
图3是本发明所述热压模块的侧视结构示意图。
图4是本发明所述加热板结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作详细的介绍：图1所示，本发明所述的用于柔性薄膜太阳能电池的卷对卷封装系统，它包括控制系统、铺设机构1、预热机构2、层压机构3、降温机构4以及收卷机构5，所述的铺设机构1由至少五个按照顺序依上下位置放置的放卷筒，每个放卷筒内分别卷绕有用于相互铺设在一起构成电池组件层的柔性前模、胶膜、电池层、胶膜和柔性背板；
所述的铺设机构1后面设置有由1—30组预热热压模块组成的预热机构2，其中预热热压模块的温度范围为40—150℃，压力范围为0.01—1Mpa，在所述预热机构中的预热热压模块中形成有供电池组件层从中通过并被预热热压模块热压后初步粘连的预热通道；
在所述预热机构2后面安装有供电池组件层通过并通过上下热压模块热压后能使各层之间完全粘连在一起的层压机构3，该层压机构3包括1-99组热压模块，其温度范围为100—250℃，压力范围为0.5—5Mpa；
所述层压机构3后面安装有主要起到降温作用的降温机构4，所述的降温机构4采用水冷降温或风冷降温装置并布置于电池组件层通过的邻近边上；
所述的收卷机构5包括一能将封装完成后的电池收卷起来的收卷筒。
结合图2、3所示，所述预热机构2的预热热压模块和层压机构3的热压模块均采用精密胶辊加压加热方式，它包括上下两根通过热压方式进行预热和层压的胶辊7，在胶辊7的轴中心安装有可对胶辊进行快速、精确和均匀加热的加热装置8；所述的胶辊7通过传动装置9与外置的动力机构10相连。
图中所示，所述的预热机构2的预热热压模块之间和层压机构3的热压模块之间分别安装有上下两块温度范围为50—250℃、起保温作用的加热板13；所述胶辊7直径50—200mm，长度300—1000mm，其材质使用不锈钢或45钢作为轴心，外面包耐高温胶皮，单面胶皮厚度为1—20mm，耐受温度范围为0-350℃；所述的加热装置8由电加热棒、红外加热棒或油加热组成；所述胶辊7的上方设置有通过电机或气缸与滑轨配合，能在运行中根据设定值与显示值之间的误差来自行调节对胶辊压力的压力调节机构6；所述的动力机构10为普通的调速电机、步进电机或伺服电机构成。
结合图4所示，所述的加热板13为铸铝加热板或铠装加热器镶嵌的金属板；
所述的压力调节机构6下面设置有配合显示器可精确读出当前压力值的压力传感器，并作为反馈来调节压力调节机构6，所述压力传感器与胶辊7或层压部件之间还设置有避免其直接接触的缓冲装置12。
一种利用所述卷对卷封装系统进行柔性薄膜太阳能电池卷对卷的封装方法，所述的封装方法包括：
a)首先开启电源，启动各电气设备；整套控制系统采用HMI、PLC等电气设备来实现自动控制，并使运行的速度范围为0.01—2m/min；
b)在控制系统的人机界面设定参数，预热机构采用1-3个预热热压模块；层压机构采用3—6个热压模块；
d）参数设定好之后，等待胶辊表面温度与加热板表面温度达到设定值；
d）铺设机构的前模采用厚度为100um的前模，胶膜采用EVA胶膜，厚度为150um，背板采用厚度为50um的背板，并使最后封装的电池总厚度低于0.5mm；
e）将各前模、胶膜铺设好，且在电池层上引出电极，当胶辊表面温度达到设定值之后，铺设好的电池层组件以0.4m/min的速度进入预热机构；
g）电池层组件先经过预热机构的初步层压，再以0.4m/min的速度进入层压机构；
g）电池层组件经过层压机构的多次层压，胶膜已经完全融化且和前后膜与电池层紧密粘合在一起；
h）从层压段出来后进入降温机构，待温度降到50℃后出降温机构，最后由收卷机构收卷起来。
本发明优选的一个实施例是：所述的步骤b）中，预热机构采用2个热压模块，温度和压力分别为50℃、0.2Mpa，80℃、0.4Mpa；层压段采用5个热压模块，温度和压力分别设定为：120℃、1.0Mpa，120℃、1.5Mpa，150℃、1.5Mpa，150℃、2.0Mpa，160℃、2.0Mpa；热压模块之间的加热板温度分别设置为50℃、80℃、120℃、120℃、150℃、150℃。
实施例：本系统是把柔性太阳能电池的铺设与层压集合到了一起，形成流水化式生产，系统可分为连续依次相接的五个部分，分别是：铺设机构1、预热机构2、层压机构3、降温机构4、收卷机构5，具体图1所示。
其中铺设机构1是把柔性前模、胶膜、电池层、柔性背板采用卷对卷的方式进行放卷，按照一定顺序上下放置，然后一起进入预热段，并且电池电极的引出，边缘密封胶的敷设也在这一段完成；
在预热机构2中，包括1-30组热压模块，温度范围为40—150℃，压力范围为0.01—1Mpa。预热机构通过给电池组件层预热预压，使之初步粘连在一起，防止各组件层在运行过程中相互滑动移位，进而防止出现褶皱等；经过预热机构预压后，电池组件层再进入层压机构；
在层压机构3中，包括1-99组热压模块，其温度范围为100—250摄氏度，压力范围为0.5—5Mpa。热压模块为模块化设备，采用对精密胶辊加压加热方式代替平面真空层压；根据设定参数对胶辊加热加压，当电池组件通过热压模块时，胶辊表面高温融化胶膜，且通过挤压使各层完全黏连在一起，达到所要求的剥离强度；并且通过多段层压，温度和压力逐步提升，进一步赶走预压时产生的气泡，已达到更优化的层压效果具体结构件见图2、图3所示：
图中的调节压力设备6是通过电机或气缸与滑轨配合，能在运行中根据设定值与显示值之间的误差来自行调节对胶辊的压力；
上下两根胶辊7通过挤压的方式进行层压；胶辊直径50—200mm，长度300—1000mm，其材质使用不锈钢或45钢作为轴心，外面包耐高温胶皮，单面胶皮厚度为1—20mm，耐受温度范围为0-350℃；
加热装置8是将加热装置（电加热棒、红外加热棒或油加热等）安装在胶辊中心，对胶辊进行快速、精确、均匀的加热；
传动装置9分别连接胶辊与动力系统以传递动力；传动方式可以是但不限于齿轮传动、丝杆传动、链条传动或皮带传动。
动力系统10是给整个模块提供动力；动力系统的核心是电机，电机可采用普通的调速电机，或是采用步进电机，或是采用伺服电机，另外由于整体的传动速度较慢，需要减速机配合一起使用；
压力传感器11配合显示器可精确的读出当前的压力值，从而作为反馈来调节所述的调节压力设备6，使之精确改变压力；
缓冲装置12安装在压力传感器与层压部件之间，避免其直接接触。
电池组件从热压模块的层压部件之间通过，通过调节压力与温度，来实现层压；且可以根据实际生产的情况增加或减少热压模块，十分灵活。
热压模块和热压模块之间安装有上下两块加热板13，温度范围为50—250℃，起保温作用。加热板为铸铝加热板、铠装加热器镶嵌的金属板（铜板、铝板等）或红外灯管，具体如图4所示。
降温机构4主要起到降温的作用，因为电池组件从层压段出来后温度是较高的，需要一个降温的过程。降温方式可通过水冷降温，也可用风冷来降温。
最后的收卷机构5就是把封装完成后的电池收卷起来。
整套设备控制系统将通过HMI、PLC等电气设备来实现自动控制控制，运行的速度范围为0.01—5m/min。
实施例2：
1）首先开启电源，启动各电气设备；
2）在人机界面上设定参数，预热机构用2个热压模块，温度压力分别设定为50℃、0.2Mpa；80℃、0.4Mpa；层压机构采用3个热压模块，温度压力分别设定为120℃、0.6Mpa；140℃、0.8Mpa；140℃、0.8Mpa；热压模块之间的加热板温度分别设置为50℃、80℃、120℃、140℃；系统整体运行速度为0.05m/min；
3）参数设定好之后等待胶辊表面温度与加热板表面温度达到设定值；
4）铺设机构前模采用厚度为200um的前模，胶膜采用POE胶膜，厚度为200um，背板采用厚度为100um的背板；如此最后封装完的组件厚度在0.7mm左右；
5）将各前模、胶膜都铺设好，且在电池层上引出电极；当胶辊表面温度达到设定值之后，铺设好的组件以0.05m/min的速度进入预热机构；
6）组件在经过预热机构的加热加压后已初步粘合在一起，再以0.05m/min的速度进入层压机构；
7）组件经过层压机构三次的层压，已完成层压在一起，且无褶皱，无气泡；
8刚出层压机构的组件温度较高，有140℃，不能直接收卷起来，因此需要进入降温机构冷却，组件以0.05m/min的速度进入降温机构，待温度降至60℃时出冷却机构，最后由收卷机构收卷起来。
实施例3：
1）首先开启电源，启动各电气设备；
2）在人机界面设定参数，预热机构采用5个热压模块，温度压力为60℃、0.1Mpa；80℃、0.2Mpa；100℃、0.4Mpa；120℃、0.6Mpa；135℃、1Mpa；层压机构采用8个热压模块，温度压力分别设定为：135℃、2.0Mpa；135℃、2.0Mpa；150℃、2.5Mpa；150℃、2.5Mpa；180℃、3.0Mpa；180℃、3.0Mpa；200℃、3.8Mpa；200℃、4.0Mpa；热压模块之间的加热板温度分别设置为60℃、80℃、100℃、120℃、135℃、135℃、135℃、150℃、150℃、180℃、180℃、200℃；系统整体运行速度为1m/min。
3）参数设定好之后等待胶辊表面温度与加热板表面温度达到设定值；
4）铺设机构前模采用厚度为100um的前模，胶膜采用EVA胶膜，厚度为150um，背板采用背板厚度为50um的背板；这样最后封装的电池总厚度将会低于0.5mm，达到了真正的超薄柔性太阳能电池的效果。
5）将各前模、胶膜都铺设好，且在电池层上引出电极。当胶辊表面温度达到设定值之后，铺设好的组件以1m/min的速度进入预热段；
6）组件先经过预热机构初步层压，再以1m/min的速度进入层压机构；
7）组件经过层压机构的多次层压，胶膜已经完全融化且和前后膜与电池层紧密粘合在一起；
8）从层压机构出来后进入降温段，待温度降到40℃后出降温机构，最后由收卷机构收卷起来。
Claims (6)
1.一种用于柔性薄膜太阳能电池的卷对卷封装系统，它包括控制系统、铺设机构（1）、预热机构（2）、层压机构（3）、降温机构（4）以及收卷机构（5），其特征在于所述的铺设机构（1）由至少五个按照顺序依上下位置放置的放卷筒，每个放卷筒内分别卷绕有用于相互铺设在一起构成电池组件层的柔性前模、胶膜、电池层、胶膜和柔性背板；
所述的铺设机构（1）后面设置有由1—30组预热热压模块组成的预热机构（2），其中预热热压模块的温度范围为40—150℃，压力范围为0.01—1Mpa，在所述预热机构（2）中的预热热压模块中形成有供电池组件层从中通过并被预热热压模块热压后初步粘连的预热通道；
在所述预热机构（2）后面安装有供电池组件层通过并通过上下热压模块热压后能使各层之间完全粘连在一起的层压机构（3），该层压机构（3）包括1-99组热压模块，其温度范围为100—250℃，压力范围为0.5—5Mpa；
所述层压机构（3）后面安装有主要起到降温作用的降温机构（4），所述的降温机构（4）采用水冷降温或风冷降温装置并布置于电池组件层通过的邻近边上；
所述的收卷机构（5）包括一能将封装完成后的电池收卷起来的收卷筒。
2.根据权利要求1所述的用于柔性薄膜太阳能电池的卷对卷封装系统，其特征在于所述预热机构的预热热压模块和层压机构（3）的热压模块均采用精密胶辊加压加热方式，它包括上下两根通过热压方式进行预热和层压的胶辊（7），在胶辊（7）的轴中心安装有可对胶辊进行快速、精确和均匀加热的加热装置（8）；所述的胶辊（7）通过传动装置（9）与外置的动力机构（10）相连。
3.根据权利要求2所述的用于柔性薄膜太阳能电池的卷对卷封装系统，其特征在于所述的预热机构（2）的预热热压模块之间和层压机构（3）的热压模块之间分别安装有上下两块温度范围为50—250℃、起保温作用的加热板（13）；所述胶辊（7）直径50—200mm，长度300—1000mm，其材质使用不锈钢或45钢作为轴心，外面包耐高温胶皮，单面胶皮厚度为1—20mm，耐受温度范围为0℃-350℃；所述的加热装置（8）由电加热棒、红外加热棒或油加热组成；所述胶辊（7）的上方设置有通过电机或气缸与滑轨配合，能在运行中根据设定值与显示值之间的误差来自行调节对胶辊压力的压力调节机构（6）；所述的动力机构（10）为普通的调速电机、步进电机或伺服电机构成。
4.根据权利要求3所述的用于柔性薄膜太阳能电池的卷对卷封装系统，其特征在于所述的加热板（13）为铸铝加热板或铠装加热器镶嵌的金属板；
所述的压力调节机构（6）下面设置有配合显示器可精确读出当前压力值的压力传感器，并作为反馈来调节压力调节机构（6），所述压力传感器与胶辊（7）或层压部件之间还设置有避免其直接接触的缓冲装置（12）。
5.一种利用权利要求1或2或3或4所述卷对卷封装系统进行柔性薄膜太阳能电池卷对卷的封装方法，其特征在于所述的封装方法包括：
a)首先开启电源，启动各电气设备；整套控制系统采用HMI、PLC等电气设备来实现自动控制，并使运行的速度范围为0.01—5m/min；
b)在控制系统的人机界面设定参数，预热机构（2）采用1-30个预热热压模块；层压机构（3）采用1—99个热压模块；
参数设定好之后，等待胶辊（7）表面温度与加热板表面温度达到设定值；
d）铺设机构（1）的前模采用厚度为100-300um的前模，胶膜采用EVA或POE胶膜，厚度为100-300um，背板采用厚度为50-300um的背板；
e）将各前模、胶膜铺设好，且在电池层上引出电极，当胶辊（7）表面温度达到设定值之后，铺设好的电池层组件以0.01-5m/min的速度进入预热机构（2）；
电池层组件先经过预热机构（2）的初步层压，再以0.01-5m/min的速度进入层压 机构（3）；
g）电池层组件经过层压机构（3）的多次层压，胶膜已经完全融化且和前后膜与电池层紧密粘合在一起；
h）从层压机构（3）出来后进入降温机构（4），待温度降到30-80℃后出降温机构（4），最后由收卷机构（5）收卷起来。
6.根据权利要求5柔性薄膜太阳能电池卷对卷的封装方法，其特征在于：
所述的步骤b）中，预热机构采用2个热压模块，温度和压力分别为50℃、0.2Mpa，80℃、0.4Mpa；层压机构采用5个热压模块，温度和压力分别设定为：120℃、1.0Mpa，120℃、1.5Mpa，150℃、1.5Mpa，150℃、2.0Mpa，160℃、2.0Mpa；热压模块之间的加热板温度分别设置为50℃、80℃、120℃、120℃、150℃、150℃。
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