ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ ДЛЯ МОРСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ

Изобретение относится к области солнечной энергетики, в частности к фотоэлектрическим модулям, которые могут быть использованы в качестве систем энергообеспечения маломерных плавучих средств (таких как яхты, катамараны, катера, предназначенные для туризма, рыбалки, отдыха).
Основные потребители электричества в большинстве плавучих средств - это навигационное оборудование, сигнальные бортовые огни, запуск двигателя.
Энергообеспечения (в данном случае электроэнергии) требует и оборудование связи и GPS, освещения, системы кондиционирования, телевидения и прочее.
Известно, что основным источником электропитания для потребителей на маломерных судах являются аккумуляторные батареи.
Для обеспечения «долгой жизни» аккумуляторных батарей и быстрого их восстановления желательно не разряжать их ниже 50% от полного заряда. Для подзарядки аккумуляторных батарей используют, как правило, береговой источник электроэнергии. Однако, когда судно находится вдали от причала, для подзарядки используют генераторы (бензиновые или дизельные) двигателя самого судна. Поскольку суточное потребление электроэнергии судном может составить десятки и сотни ампер-часов, в таком случае приходится вхолостую эксплуатировать двигатель по несколько часов в сутки для восполнения этого расхода.
Известен фотоэлектрический модуль для морского применения, состоящий из размещенной внутри защитной алюминиевой рамы цепочки солнечных элементов (на основе моно- или поликристаллического кремния), размещенных на жестком основании и заламинированных заодно с ним, причем рабочая поверхность модуля защищена закаленным антибликовым стеклом [1].
Защитная алюминиевая рамка придает корпусу модуля жесткость и предохраняет его торцы от проникновения влаги внутрь заламинированной панели солнечных элементов.
Стекло, помимо защиты солнечных элементов от внешних воздействий, обеспечивает более эффективное поглощение солнечного спектра солнечными элементами.
В качестве жесткого основания обычно используют легкий, но прочный материал, вплоть до толстой полиэтилентерефталатной пленки (ПЭТ-пленки) [2].
К недостаткам указанной конструкции следует отнести следующее:
- до 95% веса модуля приходится на защитное стекло и алюминиевую рамку, что существенно ограничивает области возможного применения модуля;
- жесткость конструкции модуля не обеспечивает его эффективное крепление на криволинейных плоскостях плавсредства (палубные надстройки, крыши люков и рубки и тому подобные).
Известен фотоэлектрический модуль для морского применения, состоящий из прочного эластичного полимерного основания (типа метакрилата), на котором сформировано фотоэлектрическое покрытие (например, слой аморфного кремния), защищенное прочным и прозрачным для солнечного света полимерным покрытием [3].
Такой модуль обладает малым весом, его конструкция имеет высокую гибкость, что особенно важно при дефиците свободных площадей на плавучем средстве.
Подобное устройство используется в основном в парусном спорте и предназначено, как правило, для зарядки аккумуляторов, которые и являются основными средствами энергообеспечения.
Простота и невысокая стоимость производства делает такие модули весьма востребованными, помимо морского применения, в самых широких сферах человеческой деятельности (например, в строительной индустрии).
Поскольку аморфный кремний имеет более низкий температурный коэффициент мощности (-0,1÷-0,2)%/°С, чем монокристаллический кремний (-0,4÷-0,5)%/°С, 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% [4].
К тому же модули на основе аморфного кремния менее долговечны из-за значительной деградации электрофизических свойств аморфного кремния при длительном воздействии солнечного света.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является фотоэлектрический модуль для морского применения, представляющий собой последовательно расположенные несущий слой, нижнюю скрепляющую пленку, электрически соединенные между собой цепочки солнечных элементов, верхнюю скрепляющую пленку и защитный слой [5].
Такие фотоэлектрические модули (например, модель «Profi-М», производства фирмы «SOLARA GMBH», Германия) специально предназначены для морского применения, то есть для использования на лодках, яхтах, спасательных плотах и тому подобных маломерных плавучих средствах.
В качестве защитной пленки используют оптически прозрачную для солнечного света высокопрочную полиэтилентерефталатную пленку (ПЭТ-пленку) толщиной 0,3÷0,5 мм, а в качестве скрепляющий пленок - этиленвинилацетатную пленку (ЭВА-пленку) толщиной около 0,5 мм.
Несущий слой представляет собой лист из нержавеющей стали, толщиной 3,0÷5,0 мм с двухслойным порошковым покрытием, устойчивым к воздействию морской воды, ультрафиолета, озона.
В последних моделях таких модулей в качестве нижнего несущего слоя используют более легкие алюминиевые сэндвич-панели [6].
На скрепляющей ЭВА-пленке, расположенной сверху несущего слоя, размещены скоммутированные цепочки солнечных элементов. В качестве солнечных элементов используются высокоэффективные элементы из монокристаллического кремния с КПД до 22,5% фирмы «Sun Power» (США) [6].
При эксплуатации такого модуля, прежде всего, в качестве элемента систем энергообеспечения маломерных плавучих средств, его дополнительно оснащают крепежными элементами, обеспечивающими фиксацию модуля на несущей поверхности (как правило, это сквозные отверстия в периферийных областях модуля с запрессованными в них металлическими полыми заклепками (люверсами).
Защитная высокопрочная полиэтилентерефталатная пленка обеспечивает хорошую защиту от статических внешних нагрузок (например, при проведении операций очистки поверхности модуля, при надавливании на поверхность модуля каким-либо предметом или частью тела (локтем, ногой), и тому подобные случаи).
Поскольку условия размещения модулей, предназначенных для морского применения, вследствие специфики их эксплуатации (например, на крышках люков, на крышах палубных надстроек и тому подобное) не предполагают воздействия сосредоточенных ударных нагрузок, то защитная пленка модуля обеспечивает защиту лишь от распределенных воздействий на его поверхность.
При эксплуатации плавсредства (особенно при швартовке в штормовую погоду) могут иметь место точечные ударные аксиальные (то есть направленные под близким к 90° углом к плоскости модуля) воздействия на рабочую поверхность модуля: например, удар градин, удар принесенной волной прибоя галькой, падение мелких тяжелых деталей такелажа или инструмента на поверхность модуля при бортовой и килевой качке и тому подобное.
Хотя подобные случаи возникают крайне редко, однако вследствие малой устойчивости защитной пленки модуля к точечным ударным воздействиям последствиями такого воздействия могут быть возникновение трещин или внутренних сколов в солнечных элементах, нарушение целостности электрической цепи коммутирующих солнечные элементы шин, что в свою очередь может приводить к снижению электрических параметров модуля (выходного тока или напряжения), вплоть до полной неработоспособности модуля.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является увеличение устойчивости модуля к точечным внешним ударным нагрузкам.
Это достигается за счет того, что в фотоэлектрическом модуле для морского применения, представляющем собой последовательно расположенные нижний несущий слой, нижнюю скрепляющую пленку, электрически соединенные между собой цепочки солнечных элементов, верхнюю скрепляющую пленку и верхний защитный слой, характеризующийся тем, что между верхней скрепляющей пленкой и защитным слоем размещен армирующий слой, представляющий собой сетку из прозрачных для солнечного света волокон диаметром 0,2÷0,6 мм.
Технология изготовления такого модуля предполагает ламинирование всех входящих в конструктив модуля слоев, тем самым обеспечивая надежную защиту солнечных элементов от воздействия внешней среды (воды, атмосферы).
Указанный модуль имеет малый вес, приемлемую гибкость, и может быть использован в качестве элементов энергообеспечения как различных береговых систем (радиобуи, бакены, метеобудки и тому подобные), так и некоторых типов маломерных судов, таких как моторные лодки, плоты, катера.
В известных науке и технике решениях аналогичной задачи не обнаружено использование в фотоэлектрических модулях для морского применения в качестве элемента, обеспечивающего усиление устойчивости модуля к точечным внешним ударным нагрузкам армирующей сетки из прозрачных для солнечного света высокопрочных искусственных волокон (нитей).
Конструкция заявляемой полезной модели поясняется фиг. 1, где:
6 - защитный слой;
5 - армирующий слой;
4 - верхняя скрепляющая пленка;
3 - цепочки солнечных элементов;
2 - нижняя скрепляющая пленка;
1а - порошковое покрытие;
1 - несущий слой.
Армирующий слой, представляющий собой сетку из прозрачных для солнечного света высокопрочных искусственных воллокон, обеспечивает компенсацию упругой деформации плоскости модуля, что реализуется при расположении нитей сетки параллельно плоскости модуля.
Волокна сетки сориентированы в направлении вектора внутреннего напряжения предполагаемого изгиба фотоэлектрического модуля, и тем самым дополнительно повышают устойчивость модуля к деформирующим напряжениям, возникающим при конкретных условиях его эксплуатации.
Такие армирующие сетки в составе фотоэлектрического модуля не только обеспечивают его упругость и гибкость, но и могут являться элементом дополнительного усиления.
Диапазон диаметров волокон сетки 0,2÷0,6 мм выбран из следующих условий:
- при диаметре волокон армирующей сетки 0,2 мм и менее не обеспечивается эффективная защита модуля от ударных импульсных нагрузок, и помимо прочего, такая сетка имеет низкие прочностные характеристики (малая устойчивость к разрыву), что существенно ограничивает технологичность ее применения;
- максимальный диаметр волокон 0,6 мм выбран экспериментально, так как при дальнейшем увеличении диаметра защитные свойства сетки от ударных импульсных нагрузок возрастают лишь незначительно, но при этом существенно увеличиваются вес и толщина сетки.
Пример конкретного выполнения полезной модели.
Реализация предлагаемой конструкции фотоэлектрического модуля на примере серийно выпускаемого фирмой АО «ТЕЛЕКОМ-СТВ» (Москва) модуля ТСМ-7А осуществляется следующим образом.
На монтажном столе формируют слоистую заготовку, которой после сборки предстоит пройти вакуумное ламинирование в промышленном ламинаторе.
Последовательность укладки слоев соответствует последовательности, указанной на фиг.1.
На монтажном столе раскладывают нижний несущий слой 1 (пластину из нержавеющей стали толщиной 1,5÷2,0 мм) с нанесенными на обе поверхности пластины порошковым защитным покрытием 1а.
На нее сверху укладывают нижнюю скрепляющую пленку 2 (ЭВА-пленку) толщиной ~ 0,4 мм.
поверх этой пленки укладывают распаянную цепочку солнечных элементов 3 фирмы «SanPower» (США), изготовленных из монокристаллического кремния. Цепочка сформирована из четырех отдельных цепочек по 8 солнечных элементов толщиной ~ 200 мкм и размером 20 х 52 мм каждый, то есть всего 32 солнечных элемента), а коммутирующие шины распаянной цепочки элементов выводят на поверхность пленки 6 через просеченные в сформированном пакете отверстия диаметром 4÷5 мм.
Поверх распаянной цепочки солнечных элементов 3 последовательно укладывают верхнюю скрепляющую пленку 4 (ЭВА-пленку) толщиной ~ 0,4 мм, а поверх пленки 4 - армирующий слой 5, представляющий собой сетку из стеклоткани (торговая марка: «Х-Glass») с ячейкой 5,0×5,0 мм, образованными волокнами (нитями) диаметром ~ 0,5 мм, и завершают формирование пакета укладкой защитного слоя 6 толщиной ~ 0,4 мм (высокопрочной ПЭТ-пленки фирмы «COVEME S.P.A.», Италия).
Приготовленный таким образом пакет (слоистую заготовку) помещают в ламинатор (модель LTA-2001), где происходит формирование ламината (заламинированной заготовки пакета пленок) при температуре ~150÷160°С в течение 20 мин.
Толщина изготовленного ламината (фотоэлектрического модуля) составляет около 4,0 мм, что определяется суммой толщин составляющих ламинат слоев (пленок).
При этом за толщину армирующей сетки 3 взята величина ~1,0 мм, то есть ее толщина, образуемая в узлах пересечения нитей сетки.
После остывания ламината он подвергался комплексным тестовым испытаниям, после которых на ламинат (со стороны защитной пленки) наклеивалась контактная коробка, к которой припаивались выведенные коммутирующие шины от цепочки солнечных элементов (на рисунке не показаны).
Изготовленный таким образом фотоэлектрический модуль ТСМ-7А имел следующие характеристики:
- мощность -7 Вт;
- вес ~ 0,64 кГ;
- габаритные размеры 250×250 мм;
xx
- напряжение холостого хода U - 10 В;
max
- напряжение в точке максимальной мощности U - 8 В;
max
- ток в рабочей точке I - 0,9 А.
2
2
Модуль подвергался комплексным испытаниям согласно требованиям технических условий [7], и в частности проверялся на устойчивость к воздействию ударных нагрузок методом одиночного воздействия силой 10 Н с ускорением 50 м/с в направлениях параллельных плоскости модуля и силой 1 Н с ускорением 20 м/с (2g) в направлениях, перпендикулярных плоскости модуля.
Результаты испытаний показали, что как конструктивные, так и электрофизические характеристики модуля не ухудшились и не изменились.
Таким образом, разработанный фотоэлектрический модуль с усиливающим армирующим слоем в виде сетки из прозрачных для солнечного света волокон обеспечивает надежную защиту от точечных внешних ударных нагрузок.
Источники информации.
1. Солнечные панели для яхты. - http://www.helios-house.ru/solnechnye-paneli-dlya-yakht.html.
2. Особенености конструкции солнечных батарей. - http://solarb.ru/node/894.
3. Комплект фотоэлектрических модулей для установки на траки, катера и караваны. - https://bekar-europe.ru/p16571713-komplekt-modulej-dlya.html.
4. SunPower Solar Cell Price List. - https://us.sunpower.com/sites/sunpower/files/media-library/sales-sheets/ss-sunpower-price-sheet-cell-2017q2.pdf.
5. Solara  Serie Profi M. - https://www.merkasol.com/WebRoot/StoreLES/Shops/62387086/4E49/51D7/71C9/AF44/EC5A/C0A8/29B9/AAB3/Solara_Serie_M_Profi.pdf (прототип).
6. Solaramodules generate electricity wherever you are. - https://www.solara.eu/products/solar-panels/.
7. Фотоэлектрические солнечные модули. Технические условия ТУ 3487 - 001 - 11405198-17. - ФГУП «СТАНДАРТИНФОРМ», каталожный лист в реестре №200/124814, стр. 10.