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太阳能光伏发电是人类获取绿色、可再生能源的主要途径;但在实际应用中,光伏电池还存在光,电转换效率较低、易于腐蚀和老化失效等实际问题。这些问题与光伏电池组件温度过高有关。
本文提出采用既绝缘、又具有良好导热和缓蚀性能的功能复合胶膜封装电池组件,增加背面胶膜的热导率,从而强化散热,使电池组件温度降低。围绕这一主题,以导热绝缘填料填充乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)树脂的功能复合方法,研究和制备了聚合物基导热功能复合材料,以及能够使电池组件工作温度降低、光-电转换效率升高、并有助于减缓和延阻电池组件腐蚀和老化失效的导热绝缘EVA功能复合封装胶膜。借助超高阻仪、保护热流法稳态导热仪、流变仪、电子万能试验机、SEM、FT-IR等方法对EVA功能复合体系的绝缘性能、导热性能、流变性能、力学性能和多项加工性能进行了考察和研究;并对功能复合材料导热性能变化规律、界面效应、导热机理、热导率预测模型、绝缘性能变化规律以及加工和应用性能影响因素等进行了深入探讨;提出了新的复合体系热弹性组合增强导热机理,以及包含界面相修正因子的热导率预测改进模型。同时,对功能复合胶膜的制备技术及其在光伏电池上的应用效果进行了研究。
对EVA复合材料绝缘性能的研究表明,复合材料电阻率受填料种类和含量影响较大;在本文所选导热绝缘无机填料中,ZnO、BN和MgO填充的复合材料具有较好的绝缘性能;随着填料含量增加,体积电阻率先小幅升高再逐渐下降,而表面电阻率则逐步下降。相同填料含量下,复合材料电阻率随填料粒径减小而降低;不同种类或粒径的填料复配,复合材料的电阻率呈现混合规律。基体树脂特性对复合材料电性能具有明显影响;本文复合材料电阻率主要受醋酸乙烯酯(VA)含量影响,熔指影响不大。填料表面处理对复合体系电阻率具有一定影响,复合材料电阻率变化基本在一个数量级之内。ZnO-EVA填充体系存在明显非线性电导现象。
对EVA复合体系热导率和力学粘弹性能的研究表明,填料种类和含量对热导率影响较大;复合材料的热导率随填料含量增加而加速升高;热导率加速升高幅度基本上与填料热导率成正比。相同填充含量下,复合材料热导率随同一品种填料粒径减小而降低;与电导率随同一品种填料粒径减小而升高的规律相反。不同种类填料复配或相同品种不同粒径填料复配后,所得复合材料的热导率呈现混合规律,未出现耦合增强效应。EVA复合体系填料含量越高,其弹性模量、拉伸强度和储能模量G’也越高,而损耗因子tanδ则越低;并且,弹性模量的增大情况与热导率十分相近。复合材料导热性能与基体树脂自身热导率成正比关系;具有较高VA含量和熔指的EVA树脂自身热导率较低,但填充填料后,其复合材料的热导率增长率λc/λm更高。复合材料热导率随各种界面处理剂用量的增加大多呈先升后降的变化,但幅度差异较大;能够有效促进填料颗粒与基体树脂界面结合的处理剂(如:硬脂酸、OLAT-16和KH560)可以使复合材料热导率获得有效提高;小分子处理剂过量使用会使复合材料热导率显著下降。
运用声子热传导和振动传递的基本原理,提出了新的复合体系热弹性组合增强导热机理;该机理可以合理解释目前通路理论难以解释的复合材料热导率变化规律。从本文提出的导热机理推得的复合材料热导率模型与几何平均模型相吻合。引入相关界面相因子进行等效导热单元修正,所得的改进热导率模型的准确性很高;并且,修正参数涵义明确,模型方程简洁实用,也合理反映了填料与基体界面对复合材料热导率的影响。
不同光伏电池的测试表明,用导热功能填料复合改性的EVA胶膜封装电池,可使电池工作温度产生比较明显的降低;并能提高光伏电池的最大输出功率。用适当的导热填料(如:ZnO)对EVA胶膜进行导热功能改性,还有助于减缓和延阻光伏电池组件的腐蚀和老化失效;并能提高EVA胶膜的致密度、阻隔介质渗透和抗热收缩等性能。此外,通过优化配方和工艺,能有效提高复合胶膜的粘封性能和热压交联度。