ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ УСИЛЕННЫЙ ГИБКИЙ МОДУЛЬ

Полезная модель относится к области солнечной энергетики, в частности к гибким фотоэлектрическим модулям, которые могут быть использованы в основном в качестве быстроразвертываемых переносных системах энергообеспечения, а также в качестве складных мобильных источников энергии.
Помимо этого, гибкие фотоэлектрические модули могут встраиваться в различные архитектурные элементы (эластичные кровельные материалы и плиты, ненесущие стены-перегородки для фасадных работ), а также в рекламные сооружения, остановки автотранспорта, информационные табло, телефонные будки, локальные точки доступа в Интернет - то есть в элементы уличного дизайна, требующие автономного энергообеспечения.
Для применения фотоэлектрических модулей в таком качестве необходимо обеспечить, с одной стороны достаточную гибкость конструкции (для того, чтобы вписаться в общий конструктивный дизайн), с другой стороны - необходимо обеспечить достаточную жесткость конструкции, способной сопротивляться распределенным ветровым или сосредоточенным нагрузкам, приложенным к фотоэлектрическому модулю: например, удар ледяных градин или случайное надавливание рукой. Кроме того, фотоэлектрический модуль должен быть максимально легким.
Известен фотоэлектрический гибкий модуль, состоящий из эластичного полимерного основания (метакрилата), на котором сформировано фотоэлектрическое покрытие (например, слой аморфного кремния [1].
Подобная конструкция имеет высокую гибкость (радиус изгиба модуля достигает величины 50 мм и менее), а также небольшой вес.
Простота и невысокая стоимость производства делает модули из аморфного кремния востребованными в самых широких сферах человеческой деятельности.
Поскольку аморфный кремний имеет более низкий температурный коэффициент мощности (-0,1÷-0,2)%/°C, чем монокристаллический кремний (-0,4÷-0,5)%/°C, то и модули на основе тонких пленок аморфного кремния меньше подвержены снижению мощности при нагреве, при котором модули на основе монокристаллического кремния теряют до 15÷20% мощности.
Они также обеспечивают большую выработку энергии при рассеянном свете, при котором модули на основе монокристаллического кремния уже прекращают генерацию электрического тока.
Основным недостатком модулей на основе тонких пленок аморфного кремния является невысокий КПД, который не превышает 10÷11%, что существенно ниже, чем КПД для модулей на основе монокристаллического кремния, который может достигать 23,7% [2].
К тому же модули на основе аморфного кремния менее долговечны из-за значительной деградации электрофизических свойств аморфного кремния при длительном воздействии солнечного света.
Известен также фотоэлектрический усиленный гибкий модуль, предусматривающий металлический каркас с поперечными профилями, несущую поверхность в виде сетки из натянутых на каркас продольных и поперечных струн (волокон) с возможностью регулировки их натяжения, и расположенную на несущей поверхности панель из солнечных элементов [3].
Конструкция обладает приемлемой гибкостью, обеспечиваемой сетчатой несущей поверхностью, а металлический каркас обеспечивает конструкции достаточную жесткость.
Основным недостатком такой конструкции является большой вес, а также перегруженность вспомогательными конструктивными элементами (в частности элементами, регулирующими натяжение струн).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является фотоэлектрический усиленный 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 [4].
Максимальная компенсация упругой деформации плоскости фотоэлектрического гибкого модуля обеспечивается за счет введенной в его конструкцию сетки из прозрачных высокопрочных нитей, что реализуется при расположении нитей параллельно плоскости фотоэлектрического гибкого модуля.
Высокопрочные искусственные нити сориентированы в направлении вектора внутреннего напряжения предполагаемого изгиба фотоэлектрического гибкого модуля, и тем самым дополнительно повышают устойчивость фотоэлектрического гибкого модуля к деформирующим напряжениям, возникающим при конкретных условиях его эксплуатации.
Такие армирующие сетки в составе фотоэлектрического модуля обеспечивают на только его упругость и гибкость, но и являются элементом дополнительного усиления.
При эксплуатации такого гибкого модуля, прежде всего, в качестве элемента быстроразвертываемых переносных систем энергообеспечения его дополнительно оснащают крепежными элементами, обеспечивающими фиксацию модуля на несущей рамной металлической конструкции (как правило, это отверстия в периферийных областях модуля с запрессованными в них металлическими полыми заклепками (люверсами).
В свою очередь, такие системы выдвигают и определенные требования к крепежным элементам гибкого модуля, а именно:
- оперативность и простота смены модуля в случае необходимости;
- простота и надежность фиксации модуля на крепежных элементах несущей рамной конструкции (шпильках с резьбой).
Основной недостаток, присущий указанному техническому решению - это низкая устойчивость к повышенным ветровым нагрузкам (воздушным потокам скоростью более 10 м/с в направлении, перпендикулярному плоскости модуля).
При подобных ветровых нагрузках возможна деформация крепежных элементов модуля в местах их возможного крепления на рамной металлической конструкции, вплоть до образования разрывов плоскости модуля.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является усиление конструкции модуля.
Это достигается за счет того, что в фотоэлектрическом усиленном гибком модуле, представляющем собой последовательно расположенные нижнюю несущую пленку, нижнюю скрепляющую пленку, электрически соединенные между собой цепочки солнечных элементов, верхнюю промежуточную скрепляющую пленку, армирующий слой, верхнюю скрепляющую пленку и верхнюю несущую пленку, причем промежуточная скрепляющая пленка, армирующий слой, а также верхние несущая и скрепляющие пленки выполнены из прозрачного для солнечного света материала, характеризующийся тем, что на нижней скрепляющей пленке вдоль верхней и нижней кромок цепочек солнечных элементов размещены две усиливающие полосы, представляющие собой перфорированные металлические ленты шириной 17,0÷20,0 мм и толщиной 0,55÷0,70 мм, перфорация в которых выполнена в виде регулярно расположенных чередующихся отверстий диаметром 8÷10 мм.
Выбранный диапазон диаметра отверстий ленты 8÷10 мм обусловлен одновременно как обеспечением надежности фиксации ленты нижней и промежуточной скрепляющими пленками через эти отверстия, так и минимизацией использования полезной площади ленты для более надежной фиксации ее плоскости скрепляющими пленками.
Минимальный диаметр отверстий 8 мм выбран из соображений обеспечения крепления на минимально приемлемых элементах крепежа (как правило, это шпильки на используемой в подобных устройствах рамной металлической конструкции, диаметр которых чуть меньше диаметра отверстий в перфорированной ленте. Шпильки диаметра менее 8 мм не обеспечит требуемой надежность фиксации модуля. Максимальный диаметр отверстий 10 мм выбран из учета обеспечения минимально приемлемой жесткости перфорированной ленты при ее ширине от 17 до 20 мм.
Минимальная ширина ленты выбрана 17,0 мм из соображений минимизации использования полезной площади ленты с целью увеличения надежности фиксации ее плоскости скрепляющими пленками, максимальная ширина ленты выбрана 20,0 мм из соображений минимизации использования периферийной площади модуля.
Толщина ленты 0,55÷0,70 мм обусловлена стандартами толщин для лент шириной 17,0 мм и 20,0 мм соответственно.
Выбранные соотношения параметров перфорированной стальной ленты (ширина, толщина и диаметр отверстий) являются стандартизованными величинами для двух наиболее подходящих вариантов стальных лент (модель CLP1M-LP-20-1, производитель - фирма «IEK», и модель ЛСП 17×0,55, производитель - фирма «ЮМА»).
Шаг перфорации отверстий в данных типах лент составляет от 20,0 до 30,0 мм, что обеспечивает оптимальное количество чередующихся крепежных отверстий в модуле при ламинировании ленты.
В известных науке и технике решениях аналогичной задачи не обнаружено использование в фотоэлектрических гибких модулях в качестве элемента, усиливающего конструкцию модуля, перфорированной стальной ленты с чередующимися отверстиями.
Пример конкретного выполнения полезной модели.
Конструкция заявляемой полезной модели поясняется фиг. 1, где:
1 - верхняя несущая пленка;
2 - верхняя скрепляющая пленка;
3 - армирующий слой;
4 - промежуточная скрепляющая пленка;
5 - цепочки солнечных элементов;
6 - нижняя скрепляющая пленка;
7 - нижняя несущая пленка;
8 - усиливающие полосы (перфорированные металлические ленты).
Реализация предлагаемой конструкции фотоэлектрического усиленного гибкого модуля осуществляется следующим образом.
На монтажном столе формируют слоистую заготовку, которая после сборки будет подвергнута вакуумному ламинированию.
Последовательность укладки слоев соответствует последовательности, указанной на фиг. 1.
На монтажном столе раскладывают нижнюю несущую пленку 7 - пленку полиэтилентерефталата «PYE» толщиной ~0,3 мм (фирма-изготовитель: «COVEME S.P.A., Италия). На нее сверху укладывют пленку 6 из полиэтиленметакрилата «FBS 8», которая характеризуется малой водопроницаемостью (фирма-изготовитель: «Jura-Plast GmbH», Германия) толщиной ~0,4 мм и размером 830×1660 мм.
Поверх этого пакета укладывают распаянную цепочку солнечных элементов 5 (изготовитель: фирма «SanPower», США) из монокристаллического кремния, которая собрана из шести отдельных цепочек по 12 солнечных элементов толщиной ~200 мкм и размером 125×125 мм каждый, т.е. всего 72 солнечных элемента), а коммутирующие шины распаянной цепочки элементов выводят на обратную поверхность пленки 7 через просеченные в сформированном пакете отверстия диаметром 4÷5 мм.
Вдоль коротких кромок цепочки элементов 5 укладывают усиливающие полосы 8, представляющие собой отрезки металлической перфорированной ленты (фирма-изготовитель: «IEK», модель: CLP1M-LP-20-1), перфорация в которых представляет собой чередующиеся с шагом 25 мм отверстия диаметорм 9 мм.
Поверх распаянной цепочки солнечных элементов 5 с уложенными двумя усиливающими полосами 8 последовательно укладывают скрепляющую пленку 4 (пленку «FBS 8»), сверху - армирующий слой 3, представляющий собой сетку из стеклоткани (торговая марка: «Х-Glass») с ячейкой 5×5 мм, образованными нитями толщиной 0,2÷0,3 мм, затем - верхнюю скрепляющую пленку 2 (пленку «FBS 8»), и завершают формирование пакета укладкой верхнего слоя несущей пленки 1 (пленки «PYE»).
Приготовленный таким образом пакет (слоистую заготовку) помещают в ламинатор (модель LTA-2001), где происходит формирование ламината (заламинированной заготовки пакета пленок) при температуре ~150÷160°C в течение 20 мин.
Толщина изготовленного ламината (фотоэлектрического усиленного гибкого модуля) составляет около 3,5÷4,0 мм, что определяется суммой толщин составляющих ламинат слоев (пленок):
- толщина верхней 1 и нижней 7 несущих пленок составляет суммарно ~0,6 мм;
- толщина верхней скрепляющей пленки 2 составляет ~0,4 мм. Аналогичную толщину (~0,4 мм) имеет промежуточная скрепляющая пленка 4.
- расположенные на нижней скрепляющей пленке 6 усиливающие полосы 8 толщиной 0,7 мм и сама пленка 6 (толщина 0,4 мм) дают суммарную толщину ~1,1 мм;
- толщина армирующей сетки 3 составляет ~1,0 мм, что определяется ее толщиной в узлах пересечения нитей сетки.
После остывания ламината он подвергался комплексным тестовым испытаниям, после которых на ламинат (обратную сторону нижней несущей пленки 7) наклеивалась контактная коробка, к которой припаивались выведенные коммутирующие шины от цепочки солнечных элементов 5.
Изготовленный таким образом фотоэлектрический усиленный гибкий модуль имел мощность 215 Вт, габаритные размеры 830×1660 мм и вес ~3,8 кГ.
Если усиленный фотоэлектрический модуль предполагается эксплуатировать в условиях эктремальных ветровых нагрузок (горный хребет, береговая морская кромка), то для более надежной фиксации полос перфорированной металлической ленты в конструкцию модуля может быть введена дополнительная скрепляющая пленка между нижней несущей пленкой и нижней скрепляющей пленкой, которая повысит устойчивость конструкции к растягивающим усилиям, что уменьшит вероятность образования разрывов плоскости модуля в местах крепления его на рамной конструкции.
По рассмотренному выше регламенту было изготовлено 24 шт. фотоэлектрических усиленных гибких модулей, которые в течение 12 мес. проходили климатические и технологические испытания в полевых условиях на автономном пункте технического наблюдения (АПТН) «Гренадер» [5]÷[6] в составе фотоэлектрической станции «ФЭС-100», обеспечивающей круглосуточное всепогодное бесперебойное электроснабжение аппаратуры за счет преобразования солнечной энергии.
Максимальные ветровые нагрузки, которым подвергались модули, достигали 2000 Па (при порывах ветра до 20 м/с).
Результаты испытаний показали, что как конструктивные параметры, так и электрофизические характеристики модулей не ухудшились и не изменились.
Разработанные элементы усиления конструкции фотоэлектрического гибкого модуля на основе перфорированной стальной ленты показали, что с их помощью обеспечивается надежное крепление фотоэлектрических модулей на конструктивных элементах, подвергающихся значительным ветровым нагрузкам.
Источники информации.
1. Европейский патент № WO 2015057040 от 23.09.2013 г.
2. SunPower Solar Cell Price List - https://us.sunpower.com/sites/sunpower/files/media-library/sales-sheets/ss-sunpower-price-sheet-cell-2017q2.pdf
3. Патент РФ №2 424 956 от 18.06.2010 г.
4. Патент РФ №2 416 056 от 17.12.2009 г. - прототип.
5. Патент РФ №128753 от 16.10.2012 г.
6. Автономный пост технического наблюдения «Гренадер» - https://www.dedal.ru/projects/sistemy-rannego-obnaruzheniya-monitoringa-obstanovki-/grenader.html.