ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ. СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

СОЛНЕЧНЫЕ МОДУЛИ С ПОВЫШЕННЫМ СРОКОМ СЛУЖБЫ

Выпускаемые в настоящее время фотоэлектрические модули имеют отно­сительно длительный срок службы. Тем не менее, состояние дел не может в полной мере удовлетворить потребителя.

Основные причины старения фотоэлектрических модулей связаны с кор­розией контактной сетки на поверхности фотопреобразователей и увеличением оптических потерь в ламинирующих слоях за счет окрашивания и различного рода отслоений.

Особенно заметным этот эффект становится при попытке использовать выпускаемые модули с концентрированным солнечным излучением. Даже при незначительном повышении уровня концентрации процесс потемнения ламини­рующего материала значительно ускоряется, что неизбежно приводит к сущест­венному ухудшению характеристик модулей. В значительной степени этот факт объясняется тем обстоятельством, что именно химический состав стандартного термопластичного заполнителя на основе сополимера EVA обусловливает целый ряд недостатков, присущих всем известным модификациям пленок.

Применяемая сегодня технология ламинирования фотоэлектрических мо­дулей не лишена серьезных недостатков. К этим недостаткам можно отнести принципиальные ограничения по производительности процесса ламинирова­ния, выделение летучих веществ в процессе термо-вакуумного ламинирования, осложняющих условия работы вакуумного оборудования, а также значитель­ную энергоемкость процесса ламинирования (36 кВт ч/I ч работы стандартного ламинатора).

В [76] выполнен анализ состояния рынка фотоэлектрических модулей в мире, который показал, что в последнее время, в особенности в течение послед­них лет, ведутся активно поисковые работы по совершенствованию технологии производства фотоэлектрических модулей как в части замены EVA пленочными материалами на другой полимерной основе (полиуретаны, иономеры на основе сополимеров этилена и метакриловых кислот, сополимеры этиленового ряда, мо­дифицированные силанами и др.), так и в части разработки технологических про­цессов, исключающих стадию ламинирования.

Такая ситуация на рынке фотоэлектрических модулей стимулировала компании-производители предпринять шаги по созданию более совершенной технологии получения модулей с улучшенными характеристиками. Так, в [76] было показано, что фирма Sitec Solar предлагает взамен ламинирования исполь­зовать оборудование и технологию, близкие к процессу производства заливоч­ных триплексов, с применением жидкого УФ-отверждаемого двухкомпонент­ного полимерного состава на основе акриловых олигомеров [88]. Аналогичная технология была предложена в 2001 г. предприятием ОАО «Рязанский завод металлокерамических приборов» [89]. Совместные усилия нескольких фирм - Bystronic glass, Lenhardt Mashinenbau, Wurth Solar, Apollon Solar завершились созданием экспериментальных высокопроизводительных автоматизированных линий для производства тонкопленочных и кристаллических модулей без ис­пользования каких-либо полимерных заполнителей [90 — 92]. Базовой техно­логией в этом случае является технология изготовления вакуумных стеклопаке­тов с применением термопластичного спейсера (TPS) на основе полиизобути­лена. При изготовлении модулей из моно - или поликристаллических элементов TPS используется также в качестве клея для крепления элементов к тыльной подложке.

С точки зрения оптической прозрачности, широкого температурного диа­пазона эксплуатации и чистоты от ионогенных примесей наиболее привлека­тельными представляются крсмнийорганические полимеры (поли-силоксаны), на основе которых были созданы и применяются уже десятки лет клеящие и герметизирующие материалы для космических солнечных батарей.

Мировой лидер в области производства полисилоксанов - компания Dow Corning разработала экспериментальную технологическую установку для произ­водства модулей стандартной конструкции («стекло - пленка») с применением полисилоксанового заполнителя, отверждаемого при температуре 100°С [94]. Та­кая технология обеспечивает увеличение долговечности модулей, однако не дает существенного выигрыша по энергозатратам на производство и не позволяет производить двусторонние модули, пригодные для эксплуатации в установках с концентрированными потоками солнечного излучения.

Начиная с 90-х годов прошлого века начали появляться сведения о поло­жительном опыте эксплуатации микросхем и полупроводниковых приборов, герметизированных с применением так называемых полисилоксановых гелей.

Гели принято выделять в специальный класс ультрамягких капсулянтов. Они представляют собой редкосшитую структуру, образующуюся в процессе гидросилицирования ■ реакции взаимодействия низкомолекулярных полиси­локсанов, содержащих диметил-метилвинилсилоксановые звенья со сшиваю­щим агентом на основе смеси различных циклических и линейных гидридси - локсанов в присутствии платинового катализатора (платинохлористоводород­ная кислота) по схеме, приведенной на рис. 13.1.

Из рис. 13.1 видно, что вулканизация осуществляется по схеме «поли­мер-полимер» без выделения побочных продуктов реакции с образованием длинных поперечных мостиков, придающих вулканизату целый ряд уникаль­ных свойств.

Анализ имеющихся данных [118] позволил сформулировать следующие преимущества полисилоксановых гелей перед обычными вулканизатами низ­комолекулярных силоксановых каучуков.

1. Высокие диэлектрические характеристики, их сохранение при низких температурах.

2. Возможность регулирования частоты сшивки и, следовательно, вязко­упругих характеристик в широком диапазоне.

3. Высокая степень чистоты по содержанию ионных примесей (10"4—10-6 % примесей Na, К, Са, металлов переходных валентностей - Fe, Ni).

4. Отсутствие в геле внутренних механических напряжений.

5. Эффективное вибропоглощение.

6. Эффект «самозалечивания» дефектов, свойственный жидкостям, наря­ду с формоустойчивостью и размерной стабильностью, характерными для сшитых эластомеров.

7. Устойчивость к температурной, УФ - и озонной деградации.

8. Высокая адгезия к полупроводникам, стеклу и большинству других материалов за счет механизма «липкости» - физической адгезии без применения специальных подслоев.

9. Экологическая безопасность применения.

В результате работ, выполненных в ГНУ ВИЭСХ в сотрудничестве с фир­мой «Poulek Solar L. t.d., было показано, что существенное повышение долго­вечности модулей (в два раза), обеспечение их стабильной работы в установках с концентраторами солнечного излучения в сочетании со снижением производ­ственных энергозатрат можно обеспечить при использовании в качестве мате­риала-заполнителя двухкомпонентного полисилоксанового компаунда, отвер­ждаемого в присутствии платинового катализатора до состояния низкомодуль­ного геля. Здесь же разработана экспериментальная технология герметизации солнечных фотоэлектрических модулей.

В качестве основы для разработанного технологического процесса была принята технология изготовления вакуумного стеклопакета с термопластичным спейсером по периметру, отличающаяся тем, что предварительно вакуумирован - ная полость заполняется оптически прозрачной средой в виде двухкомпонентно­го жидкого полисилоксанового компаунда, структурируемого при комнатной температуре по механизму гидросилицирования в низкомодульный гель.

Для реализации этого процесса была разработана специальная установка автоматического смешивания и дозирования двухкомпонентного полисилокса - нового компаунда. Схема установки автоматического смешивания и ее внеш­ний вид представлены соответственно на рис. 13.2 и 13.3.

Вторая часть комплекта оборудования предназначена для предваритель­ного вакуумирования внутренней полости модуля и проведения заливки в ва - куумированную полость. Внешний вид этого комплекта оборудования изобра­жен на рис. 13.4. Расчетная годовая производительность (1 МВт) оборудования

была подтверждена при изготовлении опытных партий модулей различных кон­струкций. Сравнение созданного комплекта оборудования со стандартным обо­рудованием для ламинирования фотоэлектрических модулей с такой же произ­водительностью показала, что при стоимости нового комплекта оборудования, составляющей не более 15% от стоимости стандартного ламинатора, годовые энергозатраты снижаются более чем в 10 раз.

С применением нового комплекта оборудования были изготовлены солнеч­ные фотоэлектрические модули единичной мощностью от 60 Вт (1180x530 мм) до 150 Вт (1180x1040 мм и 1600x800 мм), которые прошли испытания в усло­виях концентрированного солнечного излучения на установках с концентрато­рами солнечной энергией и слежением за Солнцем, расположенными на терри­тории Чешского сельскохозяйственного университета (рис. 18.101 и 18.139).

Результаты испытаний выявили ряд преимуществ разработанного техно­логического процесса. Сравнительные характеристики нового процесса с из­вестным процессом EVA-ламинирования приведены в таблице 13.1.

На рис. 13.5 приводятся сравнительные данные по уровню снижения объ­ема вырабатываемой модулем энергии в течение всего срока его эксплуатации.

Из приведенных на рис. 13.5 данных видно, что модули, изготовленные по рассматриваемой технологии, сохраняют существенно более высокий уро­вень выработки энергии в течение периода, вдвое превышающего срок службы стандартного модуля.

Разработанная технология вызывает большой интерес у специалистов многих стран, используется в производственных процессах компанией Poulek

Solar Со. Ltd. На рис. 13.6 представлена группа специалистов КНР после озна­комления с научно-исследовательскими работами, проводимыми на опытном участке сборки солнечных модулей ВИЭСХ.