Vyšší efektivity fotovoltaické (PV) přeměny solární energie může být dosaženo snížením ceny PV panelů, zvýšením účinnosti přeměny energie nebo zvýšením doby života PV panelů. V Laboratoři fyzikální energetiky na Technické fakultě už byla vyvinuta řada nových konstrukčních prvků pro zvýšení efektivity PV systémů a výsledky byly publikovány v řadě prací například [1-4]. Zejména se jednalo o sledovače Slunce pro automatické pohyblivé stojany PV panelů a o zrcadlové koncentrátory záření.
Za současného stavu solární techniky je důležitý vývoj materiálů stabilních při dlouhodobém ozařování a změnách teploty, které mohou být použity k vývoji nových PV panelů. Životnost PV panelů totiž mnohem více limituje materiál zapouzdření PV článků v PV panelu než samotné PV články. Tato hmota zcela obklopuje PV články a chrání je před vlhkostí, tepelným a mechanickým poškozením a poskytuje dobrý optický kontakt mezi povrchem PV článku a ochranným vnějším krytím. Proto skupina pracovníků Technické fakulty spolupracuje na vývoji PV panelů nové generace zapouzdřených do polysiloxanového gelu a některé výsledky už byly publikovány např. v práci [5].
Ukázalo se, že koroze PV článků zapouzdřených do polysiloxanového gelu je zanedbatelná v porovnání se standardním dosud používaným zapouzdřením do fólie EVA (etylvinylacetát) i v extrémních podmínkách zvýšených teplot až 110°C a při ozáření UV zářením. Toto zjištění je v souladu se zanedbatelným snížením účinnosti přeměny energie PV panelů zapouzdřených do polysiloxanového gelu po víceletém provozu. Na rozdíl od EVA je transparence polysiloxanového gelu podstatně lepší zejména v oblasti vlnových délek 350÷700 nm. Pokles transparence polysiloxanového gelu způsobený UV zářením je velmi malý v porování s EVA. Předpokládáme, že PV panely zapouzdřené do polysiloxanového gelu by mohly pracovat až 50 let s poklesem výkonu do 15 % v porovnání s počáteční hodnotou, protože polysiloxanový gel má mnohem nižší korozi, která bývá hlavním důvodem poruch PV panelů zapouzdřených do EVA. V případě zapouzdření do polysiloxanového gelu očekáváme i podstatně menší poškození PV článků a jejich propojení v důsledku zlomů, protože gel je měkký, pružný a vykazuje menší pnutí během teplotních cyklů PV panelů v porovnání s EVA a to i při extrémně nízkých teplotách až kolem -40°C, při kterých už EVA zcela tvrdne. Tyto unikátní PV panely tak budou vhodné i pro regiony s extrémními klimatickými podmínkami s teplotami velmi vysokými i velmi nízkými a pro PV systémy se zrcadlovými koncentrátory záření.
Nování technologie pouzdření do polysiloxanového gelu byla vyvinuta skupinou kolegů na Technické fakultě. PV panely vyrobené v naší laboratoři jsou na obr. 1.
Obr.1
Etylvinylacetát
Standardní termoplastický kompozit založený na EVA polymeru má řadu nevýhod [6] spojených se stávajícími standardními konstrukcemi PV panelů. Je to zejména degradace, nestabilita optických vlastností v dlouhodobém provozu nebo při koncentrovaném slunečním záření, vznik těkavých látek během procesu tepelně vakuové laminace, komplikované použití vakuové techniky (aktivní kyslík, oxidy uhlíku, kyselina octová, apod.), vysoký příkon během laminačního procesu cca 46 kW u standardních laminátorů. Degradace dosud používané EVA fólie bývá hlavním zdrojem poruch PV panelů, hlavní zdroje selhání jsou v tab. 1 [7].
Polysiloxanový gel
Už cca 20 let jsou dobré zkušenosti s polovodičovými prvky zalitými v tzv. polysiloxanových gelech. Gely patří do zvláštní skupiny ultraměkkých zalévacích hmot a jsou charakteristické jemnou strukturou formovanou během reakce (viz obr. 2).
Obr.2
Absence korozivních přímesí (například kyselina octová v EVA) a rozsah pracovních teplot jsou důležité pro zapouzdření nových PV panelů. Polysiloxany jsou používány už řadu let k zapouzdření PV článků používaných ve vesmíru. Vlastnosti EVA a polysiloxanového gelu jsou porovnány v tab. 2 [8]. Běžné polysiloxanové zalévací hmoty jsou dvousložkové, polysiloxanový polymer a katalyzátor obyčejně na bázi platiny.
Analýza dostupných dat [8] nám dovoluje formulovat následující výhody polysiloxanových gelů vedle nízké relativní molekulové hmotnosti. Dobré dielektrické vlastosti dokonce i při nízkých teplotách (-40 °C), možnost regulovat hustotu zesíťování a tudíž regulovat viskoelastické charakteristiky v širokém rozsahu, vysoký stupeň čistoty na obsah ionizovaných příměsí (10-4÷10-6 % příměsí Na, K, Ca), absence vnitřních pnutí, efektivní tlumení vibrací, odolnost proti degradaci v důsledku teploty, UV záření a ozónu, vysoká adheze k polovodičům, sklu a mnoha jiným materiálům, šetrnost k životnímu prostředí.
Technologie pouzdření
Obr.4
Zařízení vyvinuté v naší laboratoři k zapouzdření PV článků do polysiloxanového gelu se skládá ze dvou základních jednotek – směšovací jednotka s vakuovým plněním a vibrační stojan [9,10]. Na obr. 3 je toto zařízení. Části zařízení na zapouzdření PV panelů jsou patrné ze schématu na obr. 4:
Obr.3
- A1, B1 – zásobníky na složky gelu s možností vakuování,
- B – vakuová pumpa poháněná stlačeným vzduchem,
- A2, B2 – ventily pístových pump,
- A3, B3 – pístové pumpy – dávkování složek,
- PP – synchronizovaný převod – pístové pumpy,
- A5, B5 – míchací ventily – směšování složek,
- V1 – směšovací jednotka,
- V2 – odnímatelný mixér,
- V3 – přívod směsi,
- V4 – jednotka injektoru,
- SM – PV panel – solární modul,
- VU – mikroprocesorová elektronická řídící jednotka.
Výsledky a diskuse
Studium stability optických parametrů siloxanových směsí bylo provedeno jednak ve zrychlených laboratorních testech (intenzita UV záření 140 W/m2, teplota vzorků 85 °C, čas 1000 h) a rovněž v reálném provozu v PV systémech na Technické fakultě s koncentrovaným slunečním zářením cca 3,5 krát. Na obr. 5 je PV systém s oboustrannými panely, s pohyblivým automatickým stojanem a se zrcadlovým koncentrátorem záření.
Obr.5
Srovnávací testy byly provedeny na našich vzorcích “sklo-polysiloxan-sklo” a na standardních vzorcích “sklo-EVA-sklo”. Výsledky měření propustnosti světla před a po expozici jsou na obr. 6. Experimentální podmínky pro obojí vzorky s EVA i s polysiloxanem byly následující: čas expozice 1000 h, teplota vzorků 85 °C, záření (l < 385 nm), intenzita 140 W/m2.
Obr.6
Porovnáním obr. 6a a 6b pozorujeme mírné snížení transparence polysiloxanového gelu pouze v rozmezí vlnových délek l = 350÷550 nm, ale značné snížení transparence EVA rozsahu vlnových délek l = 350÷1000 nm. Kromě toho na obr. 6c je vidět, že transparence polysiloxanového gelu je podstatně vyšší v celém rozsahu vlnových délek l = 350÷1000 nm, což je v souladu s výsledky publikovanými v práci [11].
Obr.7
Na obr. 7 je schéma konstrukce v řezu našich PV panelů zapouzdřených do polysiloxanového gelu [2]. Tyto PV panely jsou vhodné do oblastí s tropickým a subtropickým podnebím a pro PV systémy s mírnou koncentrací záření. Na obr. 8 je detail vzorku polysiloxanového gelu mezi dvěma skly zhotoveného v naší laboratoři.
Obr.8
Závěr
Ukázalo se, že koroze PV panelů zapouzdřených do polysiloxanového gelu při zvýšené teplotě cca 85 °C a při ozáření UV zářením je zanedbatelná v porovnání se standardním zapouzdřením do EVA fólie. Toto zjištění je v souladu se zanedbatelným snížením výkonu (cca 5 %) PV panelů zapouzdřených do polysiloxanového gelu po 25 letém provozu uvedeným v práci [12]. Na rozdíl od EVA je transparence polysiloxanového gelu podstatně lepší zejména v oblasti vlnových délek 350÷700 nm. Pokles transparence polysiloxanového gelu způsobený UV zářením je velmi malý v porování s EVA. Předpokládáme, že PV panely zapouzdřené do polysiloxanového gelu by mohly pracovat až 50 let s poklesem výkonu do 15 % v porovnání s počáteční hodnotou, protože polysiloxanový gel má mnohem nižší korozi, která bývá hlavním důvodem poruch PV panelů zapouzdřených do EVA. V případě zapouzdření do polysiloxanového gelu očekáváme i podstatně menší poškození PV článků a jejich propojení v důsledku zlomů, protože gel je měkký, pružný a vykazuje menší pnutí během teplotních cyklů PV panelů v porovnání s EVA. Zlomy a přerušení propojení totiž bývají druhou nejčastější příčinou poruch PV panelů (viz tab. 1).
Literatura
[1] Poulek, V., Khudysh, A., Libra, M., Innovative low concentration PV systems with bifacial solar panels. Solar Energy, 120, 2015, 10, str. 113–116, ISSN 0038-092X.
[2] Poulek, V. Libra, M., Jirka V., Persic, I.S., Polysiloxane Gel Lamination Technology for Solar Panels and Rastered Glazing. Kniha-monografie, Prague : ILSA, 2013, 93 stran, ISBN 978-80-904311-8-8.
[3] Libra, M., Poulek, V., Fotovoltaika, teorie i praxe využití solární energie. Kniha-monografie, Praha : ILSA, 2010, 165 stran, ISBN 978-80-904311-5-7.
[4] Poulek, V., Bican, P., Mareš, J., Libra, M., Nový fotovoltaický systém se zvýšenou efektivitou na ČZU v Praze, Jemná mechanika a optika, 53, 2008, 2, str. 48-49, ISSN 0447-6441.
[5] Poulek, V., Strebkov, D.S., Persic, I.S., Libra, M., Towards 50 years lifetime of PV panels laminated with silicone gel technology. Solar Energy, 86, 2012, 10, str. 3103–3108, ISSN 0038-092X.
[6] Paretta, A., Bombace, M., Graditi, G., Schioppo, R., Optical degradation of long-term, field-aged c–Si photovoltaic modules. Solar Energy Materials & Solar Cells, 2005, 86, str. 349–364.
[7] Wohlgemuth, J.H., Long Term Photovoltaic Module Reliability. NCPV and Solar Program Review Meeting, NREL/CD-520-33586, 2003.
[8] Sobolevski, M.V. et al., Properties and areas of exploitation of silicone organic products. Chemistry, 1975, 296 (in Russian).
[9] Persic, I.S., Strebkov, D.S., Cechunina, G.S., Potapov, V.N., The Solar Photovoltaic Panel Design. Russia Patent 2.284.075, 2005.
[10] Persic, I.S., Strebkov, D.S., Cechunina, G.S., Cirkov, A.V., Poulek, V., The Solar Photovoltaic Panel Design. Russia Patent 2.431.786, 2010.
[11] Ketola, B.M., McIntosh, K.R., Norris, A., Tomalia, M.K., Silicones for photovoltaic encapsulation. In: Proc. 23rd European Photovoltaic Solar Energy Conference, 1–5 September 2008, Valencia, Spain, str. 2969– 2973.
[12] BP Solar Sees Proven Performance Over 25 Years Using Silicone Encapsulant from Dow Corning. Case Study, BP Solar, 2010.
Vladislav Poulek, Martin Libra
Česká zemědělská univerzita v Praze, Technická fakulta