ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГИБКИЙ МОДУЛЬ
FLEXIBLE PHOTOELECTRIC MODULE

Изобретение относится к области солнечной энергетики, в частности к гибким фотоэлектрическим модулям, которые могут быть использованы в качестве элементов промышленного и строительного дизайна, подвергающихся упругой деформации в продольном и/или поперечном направлении - кручение или изгиб.
Также возможно использование указанных модулей в качестве элементов электропитания дирижаблей, аэростатов, беспилотных летательных аппаратов и других.
Для применения фотоэлектрических модулей в таком качестве необходимо обеспечить:
- достаточную гибкость модуля, для того чтобы вписаться в общий конструктивный дизайн промышленного объекта или плоскости крыла/фюзеляжа малогабаритного беспилотного летательного устройства,
- достаточную жесткость конструкции модуля, способного сопротивляться распределенным (ветровым) или сосредоточенным нагрузкам, например удару ледяных градин или случайному надавливанию рукой,
- малый вес, что особенно актуально в случае использования гибких фотоэлектрических модулей в качестве элементов электрообеспечения малогабаритных беспилотных летательных устройств.
Известна конструкция фотоэлектрического гибкого модуля, состоящая из эластичного полимерного основания, на котором сформирован слой аморфного кремния методом осаждения из газовой фазы [1]. Подобная конструкция может иметь высокую гибкость, практически достигающую 100%, при использовании в качестве основания тонкой полимерной пленки. Простота и невысокая стоимость производства делает модули из аморфного кремния востребованными в самых широких сферах человеческой деятельности, однако их КПД составляет 8÷11%, что существенно ниже, чем КПД для модулей на основе монокристаллического кремния, который достигает 30%.
К тому же модули из аморфного кремния менее долговечны из-за значительной деградации электрофизических свойств аморфного кремния при длительном воздействии солнечного света.
Известна также конструкция фотоэлектрического гибкого модуля, предусматривающая размещение на поверхности гибкой сетчатой мембраны рамы из солнечных элементов, коммутированных между собой с помощью металлических шин и покрытых с лицевой и тыльной сторон защитными стеклянными пластинами [2].
Недостатком данной конструкции является большой вес, а также невозможность обеспечения регулярности деформируемой плоскости модуля. Деформируется лишь сетчатая мембрана, тогда как каждый из входящих в состав модуля солнечных элементов деформации не подвергается: изменяется лишь пространственное расположение элементов относительно друг друга.
Известна конструкция фотоэлектрического гибкого модуля, представляющая собой единую конструкцию близко расположенных между собой солнечных элементов на гибком основании из синтетического материала («Каптона»), в котором солнечные элементы соединяются с основанием посредством твердеющего полимерного адгезионного слоя, в котором имеются металлические частицы, обеспечивающие эффективное соединение солнечных элементов в единую электрическую цепь [3].
Недостатком такой конструкции является ее малая жесткость. Гибкость фотоэлектрического модуля обеспечивается, в первую очередь, возможностью упругой деформации его основания. При малой толщине слоя основания фотоэлектрический модуль обладает малой жесткостью, что в ряде случаев неприемлемо. Увеличение жесткости конструкции модуля возможно лишь за счет увеличения толщины основания, а это приводит к увеличению веса фотоэлектрического модуля, что также является неприемлемым решением.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является фотоэлектрический гибкий модуль, содержащий прозрачные для солнечного света верхнюю и нижнюю несущие пленки, расположенные между несущими пленками электрически соединенные между собой солнечные элементы, скрепленные с несущими пленками прозрачными для солнечного света верхней и нижней скрепляющей пленками, содержащими армирующие слои в виде сетки из высокопрочных искусственных нитей, прозрачных для солнечного света и пропитанных веществом или содержащих такое вещество, с низким коэффициентом поглощения и рассеивания света [4].
Максимальная компенсация упругой деформации плоскости фотоэлектрического гибкого модуля за счет введенной в его конструкцию сетки из прозрачных высокопрочных нитей обеспечивается при расположении нитей параллельно плоскости фотоэлектрического гибкого модуля.
Если высокопрочные искусственные нити сориентировать в направлении вектора внутреннего напряжения предполагаемого изгиба фотоэлектрического гибкого модуля, то тем самым можно дополнительно повысить устойчивость фотоэлектрического гибкого модуля к деформирующим напряжениям, возникающим при конкретных условиях его эксплуатации.
Если фотоэлектрический гибкий модуль предполагается эксплуатировать в виде изогнутой в продольном и поперечном направлении упругодеформированной конструкции (при размещении его на сложнопрофилированных поверхностях, таких как бампер автомобиля, элементы такелажа катеров или яхт и т.п.), оптимальным расположением высокопрочных искусственных нитей в таком случае является диагонально-перекрестное.
Для того чтобы дополнительно введенная в конструкцию фотоэлектрического гибкого модуля сетка из высокопрочных искусственных нитей не ухудшала его электрофизические параметры, высокопрочные искусственные нити пропитывают веществом с низким коэффициентом поглощения и рассеивания света (например, кремнийорганической жидкостью, представляющей собой смесь полисилоксана, содержащего диметил- или/и диэтилвинилсилоксановые звенья, платинового катализатора и сшивающего агента).
Одним из вариантов конструкции сетки из высокопрочных искусственных нитей, пропитанных веществом с низким коэффициентом поглощения и рассеивания света, является сетка, в которой в качестве искусственных нитей используются нити из стекловолокна с низким коэффициентом поглощения и рассеивания света.
Указанный фотоэлектрический гибкий модуль может быть подвергнут упругой деформации только в одном (продольном, поперечном либо диагональном) направлении, при этом возможный радиус кривизны модуля примерно равен соответственно длине или ширине фотоэлектрического гибкого модуля при изгибающих напряжениях, приложенных соответственно к противоположным краям по длине или по ширине модуля.
Недостатком такой конструкции является невозможность упругой деформации плоскости гибкого модуля одновременно в нескольких направлениях без механического разрушения солнечных элементов модуля.
Кроме того, толщина такого модуля составляет на менее 2 мм, что является минимально достижимым значением при использовании армирующей сетки из стекловолоконных нитей или нитей вещества с низким коэффициентом поглощения и рассеивания света, технология производства которой не позволяет получать сетки толщиной менее 1 мм.
Задачей изобретения является обеспечение обратимой или упругой деформации плоскости фотоэлектрического модуля одновременно в двух и более направлениях при одновременном снижении веса и толщины модуля.
Это достигается за счет того, что в фотоэлектрическм гибком модуле, представляющем собой последовательно расположенные нижнюю несущую пленку, нижний армирующий слой, нижнюю скрепляющую пленку, электрически соединенные между собой солнечные элементы, верхнюю скрепляющую пленку, верхний армирующий слой и верхнюю несущую пленку, причем нижние и верхние несущие и скрепляющие пленки выполнены из прозрачного для солнечного света материала, в качестве армирующих слоев используют непрозрачные для солнечного света перфорированные пленки из антиадгезивного материала, перфорация в которых выполнена в виде регулярно расположенных квадратных отверстий.
В качестве антиадгезивного армирующего слоя используют пленку из фторполимеров, которые практически непрозрачны для солнечного света (например, тефлоновую пленку «FORFLON») толщиной 60÷80 мкм. При этом площадь неперфорированной поверхности пленки должна быть не более 5% от перфорированной площади. Это условие реализуется только для перфорации в виде отверстий, форма которых представляет собой правильный многогранник (квадрат, шестигранник и пр.). При использовании отверстий круглой или эллипсоидальной формы площадь неперфорированной поверхности пленки не может быть менее 5% перфорированной площади, что влечет снижение КПД модуля.
Оптимальной формой отверстий является квадратная как самая технологичная с точки зрения техники перфорирования пленок. Оптимальным соотношением размеров при использовании пленки с отверстиями квадратной формы являются:
- размер отверстий: от 0,8×0,8 мм до 10,0×10,0 мм;
- расстояние между соседними отверстиями: от 0,5 до 0,8 мм.
При использовании отверстий иной формы (шестигранник, восьмигранник и т.п.) существенно снижаются прочностные характеристики пленки после перфорирования и усложняются процессы, связанные с укладкой перфорированной пленки в пакет перед операцией ламинирования.
Обеспечение расстояния между соседними перфорированными областями пленки менее 0,5 мм для случая тефлоновой пленки неприемлемо с точки зрения технологии перфорации пленки и снижения ее механической прочности.
За счет естественного рассеивания светового пучка в просветляющем покрытии солнечного элемента обеспечивается практически полная засветка поверхности солнечного элемента, и потери в КПД солнечного элемента не превышают 1÷2%.
При расстоянии между соседними перфорированными областями пленки более 0,8 мм увеличивается площадь затенения солнечных элементов модуля, что ведет к снижению КПД преобразования солнечного света солнечными элементами модуля более чем на 2%.
Использование же в качестве антиадгезивного армирующего слоя прозрачных для солнечного света перфорированных полимерных пленок (например, этиленвинилацетатной пленки «ЭВА», обработанной антиадгезивным составом, например силиконовым антиадгезивом «SYL-OFF» фирмы «Dow Coming») неэффективно из-за невозможности существенного снижения веса модуля (толщина такой пленки составляет не менее 200 мкм, что обусловлено технологией производства таких пленок) из-за невысоких прочностных характеристик пленки (прочность на разрыв составляет менее 270 н/5 см, тогда как для тефлоновых пленок эта величина составляет не менее 800 н/5 см).
Сцепление несущей и скрепляющей пленок друг с другом в заявляемой конструкции фотоэлектрического гибкого модуля осуществляется только через отверстия в перфорированной пленке в процессе изготовления модуля (на операции ламинирования солнечных элементов).
Соотношение площадей перфорируемых отверстий и площади неперфорированной поверхности пленки может варьироваться в широких пределах и определяется только условиями дальнейшей эксплуатации модуля: чем меньше это соотношение, тем большую жесткость имеет конструкция и, соответственно, тем меньшей пластической деформации может быть подвергнут модуль.
Оптимальное соотношение площадей перфорируемых отверстий и площади неперфорированной поверхности пленки обеспечивается в случае, когда перфорация выполнена в виде регулярно расположенных квадратных отверстий размером от 0,8×0,8 мм до 10,0×10,0 мм, расположенных на расстоянии 0,5÷0,8 мм друг от друга.
При этом потери КПД фотоэлектрического модуля за счет неполной засветки солнечных элементов не превышают 1÷2%, а вес снижается на минимум на 20%.
Большие соотношения площадей перфорируемых отверстий и площади неперфорированной поверхности пленки (90% и более) неприемлемы с точки зрения технологии перфорации пленки и снижения ее механической прочности, что в свою очередь затрудняет технологические операции с использованием такой пленки (в частности, процесс ламинирования модуля).
Конструкция заявляемого фотоэлектрического гибкого модуля поясняется фиг.1, где:
1 и 7 - верхняя и нижняя несущая пленки соответственно;
2 и 6 - верхняя и нижняя скрепляющая пленки соответственно;
3 и 5 - верхний и нижний армирующие слои соответственно;
4 - солнечные элементы;
8 и 9 - отверстия в верхнем и нижнем армирующих слоях
соответственно.
На фиг.2 показан нижний фрагмент модуля после ламинирования, где:
10 - область отсутствия сцепления пленок 7 и 5;
11 - область отсутствия сцепления пленок 6 и 5.
За счет антиадгезивных свойств пленки 5 вне областей сцепления 9 пленка 5 оказывается нежестко прикрепленной к поверхностям пленок 6 и 7 в местах 10 и 11. Таким образом, области 9 выполняют функцию демпферов упругой деформации в любом направлении плоскости модуля.
Поскольку отверстия в перфорированной пленке имеют правильную геометрическую форму, в этом случае обеспечиваются условия пластической деформации конструкции модуля как минимум в двух плоскостях одновременно, не приводящей к механическим повреждениям солнечных элементов.
В известных науке и технике решениях аналогичной задачи не обнаружено использование в фотоэлектрических гибких модулях в качестве армирующего слоя дополнительно введенной непрозрачной для солнечного света перфорированной пленки из антиадгезивного материала.
Реализация предлагаемой конструкции фотоэлектрического гибкого модуля с использованием непрозрачной для солнечного света пленки из антиадгезивного материала осуществляется следующим образом.
xx
max
к.з.
На монтажном столе раскладывается пленка первого пластика (прозрачная этилен-тетрафлюроэтиленовая пленка «TEFZEL»). На нее сверху укладывается пленка SK-10-AD толщиной 60 мкм и размером 1265×600 мм (неармированная самоклеящиеся антиадгезивная тефлоновая лента (PTFE) марки «FORFLON»), в которой предварительно методом прокатки ленты через ошипованные валики сделаны отверстия размером 10,0×10,0 мм на расстоянии 0,8 мм друг от друга. Сверху этой пленки укладывается этиленвинилацетатная пленка «ЭВА». Поверх этой стопки укладывается распаянная цепочка из 36 шт. солнечных элементов из монокристаллического кремния размером 125×125 мм каждый. Толщина каждого солнечного элемента составляет ~200 мкм. Напряжение холостого хода распаянной цепочки солнечных элементов составляла U=22 В, напряжение в рабочей точке U=19 В, ток в рабочей точке I=5,5 А.
Поверх распаянной цепочки солнечных элементов последовательно укладывают пленку «ЭВА», сверху перфорированную пленку SK-10-AD) и сверху пленку «TEFZEL».
Приготовленная слоистая заготовка помещается в ламинатор, где происходит формирование фотоэлектрического модуля при температуре ~150-160°С в течение 20 мин.
Изготовленный фотоэлектрический гибкий модуль имел мощность 105 Вт, толщину 0,9 мм и вес 1,25 кГ.
Изготовленный таким образом фотоэлектрический гибкий модуль сравнивался по основным параметрам с фотоэлектрическим гибким модулем той же мощности 105 Вт и тех же габаритных размеров (1200х560 мм), изготовленным по стандартной технологии [4].
В качестве армирующих слоев была использована сетка стеклотканевая (производство фирмы «X-GLASS») с ячейкой 5×5 мм и толщиной нитей 0,2÷0,3 мм.
Габаритная толщина сетки составляла ~1 мм, что определяется ее толщиной в узлах пересечения нитей.
Толщина верхней и нижней несущей пленки составляла суммарно ~0,35 мм. Толщина верхней и нижней скрепляющих пленок составлла суммарно ~0,2 мм. Толщина армирующих сеток составляла суммарно ~1,6 мм (в процессе ламинирования модуля вследствие пластической деформация сеток при температуре ламинации ~160°С происходит их усадка с 1 мм до ~0,8 мм). Толщина кремниевых монокристаллических солнечных элементов составляла 0,2÷0,25 мм.
Толщина изготовленного фотоэлектрического гибкого модуля составила - 2,4 мм, вес - 1,5 кГ.
Таким образом, толщина заявляемого фотоэлектрического модуля и его вес в сравнении с прототипом оказались меньше соответственно на ~62% и на ~16%.
Заявляемый фотоэлектрический гибкий модуль может быть подвергнут упругой деформации как в продольном, так и в поперечном направлении одновременно, при этом возможный радиус кривизны модуля примерно равен соответственно длине или ширине фотоэлектрического гибкого модуля.
Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемой конструкции, заключается в обеспечении упругой деформации плоскости фотоэлектрического гибкого модуля одновременно в двух и более направлениях при одновременном снижении толщины модуля на 50-60% и снижении веса модуля на 15-16%.
Источники информации
1. Патент РФ №2190901.
2. Патент РФ №2234166.
3. Патент США №4043834.
4. Патент РФ №2416056 - прототип.