Упрощение конструкции солнечной панели с использованием композитов

Замена стекла и алюминия полимерным/слоистым композиционным материалом с полимерным наполнителем повышает стойкость панели при уменьшенном весе.

В истории солнечной энергии были свои взлеты и падения. Уже в 1839 году было обнаружено, что некоторые материалы способны проводить электричество при воздействии солнечного света.

Альберт Эйнштейн еще в 1905 году писал о фотоэлектрическом эффекте, а первый патент США на «солнечный фотоэлектрический элемент» был выдан в 1913 году. В начале 1950-х годов компания Bell Labs (теперь Nokia Bell Labs, Мюррей Хилл, штат Нью-Джерси, США) представила рабочие солнечные фотоэлектрические элементы, которые впоследствии были использованы в космических проектах США.

С тех пор технология была усовершенствована, и эффективность использования солнечных фотоэлектрических элементов повысилась, несмотря на большое количество обанкротившихся компаний по производству солнечных батарей из-за избытка производственных мощностей, ценового давления, изменения налоговых субсидий и кредитов, неудачного выбора времени для производства и/или невезения.

Упрочнение и облегчение солнечных коллекторов композиционными материалами. При разработке данного проекта, новатор в области солнечной энергии, компания Armageddon Energy (Менло-Парк, штат Калифорния, США) сотрудничала с ВВС США и Научно-исследовательским институтом Дейтонского университета (UDRI, Дейтон, штат Огайо, США) для демонстрации характеристик прочных панелей с высоким содержанием композиционных материалов в военных операциях в неэлектрифицированных районах. Портативные стойки для панелей также выполнены из композиционных материалов, изготовленных компанией Sollega (Сан-Франциско, штат Калифорния, США).

За последние два года произошел всплеск роста промышленности и, в частности, производства солнечных батарей. 7 марта 2017 года в статье, опубликованной в газете «Гардиан», под авторством Адама Вона сообщается, что в 2016 году потребление солнечной энергии выросло на 50% с общим значением мощности 305 ГВт. В Ежегодном отчете о рынке солнечной энергетики за 2016 год, опубликованном Ассоциацией солнечной энергетики США, сообщается, что за 2016 год количество установок солнечных батарей в США удвоилось по сравнению с 2015 годом. Кроме того, в течение следующих пяти лет ожидается трехкратное повышение общей установленной мощности солнечной энергии в США.

К 2022 году ежегодно будет производиться установка фотоэлектрических солнечных батарей с общей мощностью более 18 ГВт.

«За последнее десятилетие солнечная энергия стала самым дешевым источником энергии», - объясняет Марк Голдман, генеральный директор компании Armageddon Energy (Менло-Парк, штат Калифорния, США). Он сообщает, что стоимость за ватт - общая стоимость системы солнечных батарей, разделенная на ватт или выработанную мощность, снизилась с 7 до 3 долларов США.

«Индустрия действительно была в упадке», - комментирует Голдман, но отмечает, что интерес к солнечной энергии по-прежнему высок. «Объем производства продолжает расти». Учитывая спрос, компания Голдмана недавно представила новую версию солнечной панели, установленной на крыше, с высоким содержанием композиционных материалов, которая намного легче и значительно прочнее обычных солнечных панелей.

АВТОМАТИЧЕСКИ НАСТРАИВАЕМАЯ СОЛНЕЧНАЯ ПАНЕЛЬ

«Солнечные панели традиционно изготавливались с использованием термополированного листового стекла, более прочного материала, который служит в качестве гидроизолирующего слоя и обладает хорошей светопроницаемостью», - объясняет Голдман. Такое стекло, обычно со специальным покрытием для снижения отражательной способности и уменьшения загрязнений, дороже оконного стекла, причем его стоимость может увеличиться при необходимости закаливания. Несмотря на прочность данный тип стекла увеличивает вес конструкции, усложняет установку на крыше и со временем загрязняется, снижая энергоэффективность. Кроме того, стекла должны быть прямоугольной формы.

Голдман продолжает: «Наша первоначальная цель заключалась в разработке простой для установки системы с лучшим дизайном и меньшим размером, меньше фокусируясь на обнулении всего потребления электроэнергии потребителем и больше на компенсации дорогостоящего пикового использования, при котором обычная система обеспечивает 2-3 кВт вместо 5-6 кВт». Данная цель была реализована путем замены стекла на тонкую прозрачную полимерную пленку из тетрафторэтилена (ТФЭ) Tefzel, изготовленной в компании DuPont Performance Materials (Вилмингтон, штат Делавер, США).

Ее использование способствовало созданию компанией Armageddon панели SolarClover версии 1.0, первой солнечной панели с пленочным покрытием в соответствии с требованиями UL1703 (Стандарт для плоских фотоэлектрических модулей и панелей).

«Мы отказались от стекла и перешли к использованию ТФЭ пленок. Первая версия панели была настолько легкой, что ребенок мог бы поднять ее одной рукой, и уникальной по конструкции», - говорит Голдман. «Предварительно смонтированные быстро устанавливаемые стойки были спроектированы для установки панелей кровельщиком или электриком без прохождения специальной подготовки». Как один из примеров, панели SolarClover были установлены на крыше мэрии города Сан-Хосе, штат Калифорния, США.

ПОИСК АЛЬТЕРНАТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ

После разработки первоначального дизайна компания продолжила поиск новых технологий и разработала новую более прочную прямоугольную панель.

Голдман: «Мы сконцентрировали свои усилия на характеристиках, которые отличают нас от других компаний». К ним относятся: малый вес, долговечность, безопасность и возможность дешевого изготовления нестандартных панелей. Являясь научно-производственным предприятием, мы не можем себе позволить останавливаться на достигнутом». Он добавляет, что компания Armageddon прекратила использование алюминия в целях снижения риска поражения электрическим током, стоимости оборудования и создания более сложной, безопасной и легкой модели с высоким содержанием композиционных материалов. Необходимость в разработке новой модели возникла, когда компания приостановила установку панелей на жилых помещениях и начала производство оборудования для коммерческих и военных объектов – именно в этих сферах важна простота установки и прочная конструкция. Он подчеркивает, что основными трудностями при разработке панели были выбор материалов, которые не должны быть дороже используемого стекла и алюминия, и возможность изготовления панелей на стандартном оборудовании: «На этом рынке очень важна конкурентоспособная цена. Мы выбрали материалы, определили методы и рассчитали связанные с ними расходы, и мы знаем свои преимущества, однако нам еще предстоит долгий путь».

Солнечная батарея, версия 1.0. Данная батарея, установленная на крыше, принадлежит к первому поколению оборудования компании Armageddon, для которого характерен шестиугольный дизайн SolarClover и алюминиевые рамы.

Для реализации новой модели компания обратилась к своему давнему партнеру DuPont. Dupont представила Armageddon компании EconCore (Левен, Бельгия), производителю сотовых наполнителей, которая осуществляет массовое производство сотовых панелей из рулона термопластичного материала путем термоформовки, продольной резки и складывания.

Группа определила, что из термопластичной сотовой панели ThermHex Thermon® компании EconCore, изготовленной из полиамидной смоляной пленки DuPont Zytel, с лицевыми панелями из полиамидного листа DuPont Vizilon, изготовленными из термопластичного композционного материала (ТПК), упрочненного саржевым переплетением стеклянных волокон, можно изготовить прочную панель без алюминия для задней панели, используемого при изготовлении оборудования версии 1.0», - сообщает Джанет Согл, руководитель программы в DuPont.

Действительно, при использовании EconCore ThermHex с оболочками Vizilon можно изготовить панель с минимальным весом, высокой прочностью, жесткостью, устойчивую к воздействию высоких температур (до 150 °C во время производства, а также при воздействии солнца). Согл добавляет: «Мы проводим полевые и лабораторные испытания, чтобы убедиться в высокой производительности панелей».

«С сотовыми панелями легко работать», - говорит Голдман, - «Мы можем изготавливать из них что угодно без образования пыли, в отличии от стекловолокна. Согласно нашим стандартам, срок их выветривания равен 30 годам. Они также соответствуют нашим требованиям: быстрая установка и устойчивость к суровым климатическим условиям».

Компактный дизайн при использовании композиционных материалов. Использование композитной многослойной панели EconCore/Vizilon при изготовлении задней панели батарей позволяет легко расположить внутри нее монтажную коробку для более компактной установки.

Голдман описывает, как происходит объединение панелей размером 1,7 м на 1,1 м, толщиной 17 мм, мощностью 300 Вт и весом 7,7 кг благодаря использованию новой «подложки». Процесс объединения, типичный для производства солнечных фотоэлектрических элементов, он называет «упаковкой»: «Мы укладываем монокристаллические солнечные фотоэлектрические элементы на подложку из композиционных материалов, наносим герметик для защиты элементов, изготовленный из этиленвинилацетата или ЭВА, и ТФЭ пленку для защиты передней панели».

Перед укладкой ячейки последовательно подключают. Прозрачная ТФЭ пленка имеет толщину 2-5 мм, в зависимости от применения, и закрепляется на элементах прессовкой и вакуумом за 10-20 минут.

Тепло и давление аккуратно распределяют и закрепляют пленку на солнечных фотоэлектрических элементах, во избежание повреждения элементов при изготовлении.

«Панель EconCore/Vizilon хорошо держится в ламинаторе, и ее можно формовать в простые изогнутые формы, если этого требует заказчик. Если необходимо облегчить панель или повысить ее прочность, мы можем изготовить ее из более прочных материалов Vizilon или материалов из углеродного волокна», - добавляет Голдман. Он уточняет, что минимальная толщина профиля упрочненной панели версии 2.0 может составлять до 11 мм.

Для военного проекта, описанного ниже, толщина профиля составила 17 мм, что позволило изготовить ячейку на задней панели EconCore/Vizilon для размещения встраиваемых электрораспределительных коробок (см. фото выше).

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В МИКРОСЕТИ

Компания Armageddon Energy сотрудничала с ВВС США и Научно-исследовательским институтом Дейтонского университета (Дейтон, штат Огайо, США) для демонстрации характеристик прочных панелей с высоким содержанием композиционных материалов в военных операциях в неэлектрифицированных районах. Для этого проекта было изготовлено более 50 панелей версии 2.0. «На установку одной из первых систем, для изготовления которых UDRI использовала стандартные (стеклянные) панели, уходило два дня», - говорит Голдман. «Установка наших новых, почти в 2 раза более легких, панелей заняла 40 минут».

Изготовление панелей без стекла и алюминия. Панель версии 2.0, изготовленная компанией Armageddon, с поверхностью из прозрачного полимерного материала и композитной задней панелью после ламинации. Вес солнечной панели уменьшился на 70- 80% по сравнению с весом панелей, оснащенных стеклянными поверхностями и алюминиевыми рамами.

Компания Armageddon сотрудничала с компанией Sollega (Сан-Франциско, Калифорния, США), которая занимается изготовлением простых стандартных композитных стеллажных систем, для монтажа панелей. Скорость и простота установки поспособствовали быстрой активации панели.

«Малый вес позволяет установить на крышу большее количество панелей, тем самым увеличив выходную мощность», - отмечает Голдман. Как и в проекте UDRI, установка панелей на уровне земли довольно простая и быстрая.

В настоящее время компания Armageddon производит панели в соответствии с техническими условиями заказчиков. Голдман отмечает, что компания разработала долгосрочный план производства цельнокомпозитной стойки для установки на крыше жилых зданий, а также план партнерства с Sollega и подобными компаниями.

Голдман утверждает: «Развитие солнечной энергетики, несмотря на все взлеты и падения, набирает обороты. Эта отрасль продолжит развиваться с невероятным темпом. Солнечная энергетика значительно повысит устойчивость энергетических и коммуникационных сетей, и обеспечит миллиарды людей во всем мире, не имеющих доступа к надежному источнику электроэнергии, необходимыми ресурсами».

Журнал «Мир гальваники» №1 (43) Март 2019