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光伏背板PET/MMT复合材料的微观结构表征及绝缘性能探讨

  • 论文价格:150
  • 用途: 硕士毕业论文 Master Thesis
  • 作者:上海论文网
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  • 论文字数:25845
  • 论文编号:el2022010816104527580
  • 日期:2022-01-08
  • 来源:上海论文网

电力论文哪里有?笔者认为PET 性能及改进的研究对于太阳能电池和光伏组件的可靠运行具有重要的意义,本文的研究结果对太阳能背板使用寿命的延长和光伏组件的隔离保护以及纳米复合材料在绿色能源系统领域里的应用具有参考价值。


1  绪论


1.2 国内外研究现状

1.2.1 光伏背板概述及影响光伏背板寿命的关键因素

由于光伏系统所处的地理环境特殊,太阳能电池板组件如 EVA 胶膜、接线盒等设备和材料免不了受到强光、湿热、干热、飓风和雨水等环境因素的侵蚀。光伏背板作为电池组件背面的光伏封装材料,发挥其隔离和保护的作用,提高了光伏组件的核心部分电池片的可靠性,延长了光伏组件的使用寿命。随着太阳能发电行业的不断发展,既需要光伏背板具有优良的耐老化性、水汽阻隔性、耐强紫外辐射性和绝缘性能等,又需要其具有更高的太阳光反射率,以改善光伏发电效率。

光伏背板的核心结构有三层。外层(保护层):外层材料通常都含有氟,以保证保护层有良好的耐候性和耐环境老化性,保护背板核心材料 PET 层不受紫外线辐射和风沙、雨水的侵蚀,从而降低 PET 层的降解和老化速度,保障太阳能电池板的可靠运行。常用的两种含氟的高分子聚合物材料是聚氟乙烯(polyvinyl  fluoride,  PVF)和聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride, PVDF),这两种材料都含有有机化合物的共价键 C-F 分子键,由于 C-F 的键能是所有有机化合物中最大的,因此只有阳光中波长不到 220nm 的光子才能解离这一分子键,而这样的光子不仅容易被臭氧层吸收,而且只占太阳光的 5%以下,所以能够到达背板的极少,这样保护层才能发挥其最大的耐候作用,保护光伏组件[9]。中间层(PET 层):中间层通常采用 PET 或改性 PET 材料,主要是用来隔离氧气、水汽,避免因水汽、氧气渗入中间层而使得 PET 材料加速老化或劣化,导致光伏背板失去该有的保护和隔离作用,中间层还要用来支撑内层含氟层以及电池片。因此 PET 层应该具有良好的阻水阻气性、稳定的机械性能、优秀的耐环境老化性、能够承受高低温等等[10]。粘着剂层:通过粘着性强的胶黏剂将改性的内外氟膜层和中间 PET 层粘合在一起,粘结层需要具有优异的耐候性和耐化学性,对 PET 和 PVF 或 PVDF 等材料具有良好的复合牢度,不因湿度、高温、日照等因素的影响而使得粘结作用减弱,并最终导致氟膜层与 PET 层分离而失去氟膜层应有的保护效果。

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3 PET/MMT 复合材料微观结构表征及力学性能研究


3.1 测试方法及设备

1.SEM 测试

本文将采用日本 JSM-6390A 显微分析仪器对 PET 和 PET/MMT 材料进行结构表征。将样片用液氮淬断,用乙醇清洗,充分干燥后对样品喷金,然后将其粘附于直径为 15mm的铜板上,放大倍数为 500x,观察 MMT 材料在 PET 基体中的分散状况。

2.DSC 测试

等温结晶大多采用一定的模型来研究恒定温度条件下聚合物的结晶过程,非等温结晶其实是很多等温结晶过程的组合,更贴近于聚合物实际加工和使用的结晶过程研究。纯PET 是一种著名的半结晶聚合物,分子结构因为具有苯环与极性酯基的共轭体系,使得材料产生了很大的刚性,所以导致 PET 材料结晶速率低,因此需要提高 PET 的结晶速率才能将其用作工程聚合物。本文将通过德国 HSC-4 型差示扫描量热仪从不同 MMT 的添加量这一方面对 PET 材料的非等温结晶行为进行研究。材料首先在氮气保护下维持稳定在30℃,按照 30℃/min 的速率升温至 290℃,熔融 5min 后,迅速将材料取出冷却到 30℃;然后将样品再次升温至 290℃,升温速率为 10℃/min,并记录升温曲线;熔融 5min 后,最后将样品再次降温至室温,降温速率为 10℃/min,并记录降温曲线。

3.TGA 测试

本文通过法国 LABSYS EVO 热重分析仪将样品以 20℃/min 的速度从 50℃升到 600℃,氮气气氛,气流量 60ml/min。通过热重分析测量试样的质量与温度变化关系,对比不同MMT 掺杂含量对 PET 材料热稳定性的影响。同时热变形温度(heat distortion temperature, HDT)通过 XRW-300F 型热维卡热变形仪按照 ASTM D648-2000 标准来测试。


4 PET/MMT 复合材料绝缘性能研究


4.1  测试方法及设备

1.击穿电压测试 本文将通过南京长江无线电厂的 CJ2678 耐压测试仪测量 PET/MMT 复合材料的击穿电压,将样片放置在球状电极之间,升高所加电压直到样片发生介电击穿,材料厚度0.13mm,升压速率为 500V/2s,电极直径 3mm,直流模式,漏电流为 5mA。通过对材料进行击穿电压测试,研究 MMT 掺杂量对 PET 材料介电强度的影响。

2.局部放电测试

图 4-1 是 PD 测量系统的实验装置原理图。实验设备包括可靠性高的 AC 电源、变压器、恒温箱、高压差分探头、混合信号示波器。交流电源用于生成施加到样本两侧的所需电压波形,通过变压器升压后与样品并联,恒温箱用来保证样品测试的温度,样品的电压幅度由高压差分探头检测,局部放电强度由数字示波器测量,电极形状为直径 8mm 的圆。在电源与测量回路之间加入一个电阻来充当低通滤波器的作用,同时通过增加耦合电容来形成低阻抗通道,使得高频脉冲电流流通,阻塞低频信号通过。这种方法有以下两点优势:(1)允许被测样本的一段接地,这样大大提高了实验的安全性;(2)对于电容较大的被测样本,可以避免较大的电流直接流过待测支路。


4.2  测试结果与分析

4.2.1 PET/MMT 复合材料的介电强度分析

表 4-1 为 PET-0、PET-1、PET-3 和 PET-5 的击穿电压值。从表中可以看到掺杂了 MMT的材料击穿电压均明显高于纯 PET,且掺杂 3%蒙脱土的 PET/MMT 击穿电压相对最高,比纯 PET 材料的击穿电压高 2.22kV。PET-1、PET-5 相比于 PET-3 的击穿电压较低,但也比 PET-0 的击穿电压分别高 1.05kV 和 2.03kV。PET-3 和 PET-5 两者电压相差不大,这可能与 PET-5 中 MMT 的分散性较差有关,所以击穿电压有所下降。但总体而言,添加 MMT可以显著提高 PET 材料的击穿电压。

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5  结论与展望


5.1  结论

本文以 PET 和蒙脱土为基本原料,首先利用双苯环的 MDI 对蒙脱土进行丙酮法改性,制得有机蒙脱土。采取熔融共混法,按照分别添加 0%、1%、3%和 5%的蒙脱土比例制备 PET/MMT 纳米复合材料,并研究了其微观特性、力学性能和绝缘性能。主要得到了以下结论:

1.研究得到了 MMT 在 PET 基体中的微观特性。当 MMT 含量为 1%时,MMT 在PET 基体中无明显结块,可以与 PET 基体间进行很好地相容,且分布均匀,材料整体结构变得紧密稳定。但当 MMT 含量超过 3%时,蒙脱土晶体被挤压变形,中间的蒙脱土层没有明显嵌入,颗粒结块较为严重。MMT 的加入使得 PET/MMT 的结晶温度有所提高,结晶速率也比纯 PET 高,这是因为 MMT 可以作为成核剂,所以结晶性能得到明显改善。MMT 的加入明显提高了 PET 材料的起始热降解温度,PET-0 的 Tonset约为 340℃,而 PET-1、PET-3 和 PET-5 对应的 Tonset分别增加了 5℃、16℃和 9℃,改善了 PET 的热稳定性。同时,当 MMT 含量为 5%时,PET 材料的热变形温度上升幅度最大,比 PET-0 高了 52℃。

2.  一定含量 MMT 的加入可以有效提升 PET 材料的力学性能。MMT 的加入起到了增韧剂的作用,添加 1%的 MMT 时,PET/MMT 的 TS 显著提高,增加了 14%,且 PET-1的 GS 和 NIS 也提高了。当 MMT 含量≥3%时,PET/MMT 的 TS 和 GS 值均下降,NIS 值相比 PET-0 减少了 11.6%,韧性受损较明显。因此通过分别比较 PET-0、PET-1、PET-3 和PET-5 的机械强度,添加 1%蒙脱土时 PET/MMT 的综合力学性能最好。

3.  MMT 在一定程度上提高了 PET 的击穿电压强度,并降低了 PET 发生局部放电的次数和强度。纯 PET 的击穿电压约为 6.63kV,而 PET-1、PET-3 和 PET-5 对应的击穿电压分别增加了 1.05kV、2.22kV 和 2.03kV。由于 MMT  具有良好的阻隔性,起到了改善PET 材料内部电场分布的作用,所以使得 PET 材料的电气性能提高。同一材料在不同时间和不同温度下进行局部放电,其局部放电的强度会随着时间和温度的升高而增强。同时表明,MMT 的加入能够在一定程度上减少 PET/MMT 复合材料发生局部放电的次数,并能削弱局部放电的强度。

PET 性能及改进的研究对于太阳能电池和光伏组件的可靠运行具有重要的意义,本文的研究结果对太阳能背板使用寿命的延长和光伏组件的隔离保护以及纳米复合材料在绿色能源系统领域里的应用具有参考价值。

参考文献(略)

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