ГИБКИЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ
FLEXIBLE PHOTOELECTRIC MODULE

Изобретение относится к области солнечной энергетики, в частности к гибким фотоэлектрическим модулям, которые могут быть использованы в качестве источников электричества в системах энергообеспечения различных объектов - автомобилей, катеров, яхт, пунктов метеонаблюдения, телекоммуникационных систем, информационных стендов.
Предназначенный для подобных целей гибкий фотоэлектрический модуль должен обладать достаточной жесткостью, чтобы обеспечить устойчивое сопротивление распределенным ветровым или сосредоточенным нагрузкам, приложенным к модулю, например, при попадании в него ледяных градин или случайном падении модуля на жесткую поверхность, с другой стороны - должен иметь фиксированный профиль поверхности, обеспечивающий монтаж модуля на заданной неплоской поверхности объекта.
Кроме того, фотоэлектрический модуль должен быть максимально легким.
Известен гибкий фотоэлектрический модуль, состоящий из эластичного полимерного основания, на котором сформирован слой аморфного кремния методом осаждения из газовой фазы [1].
Подобная конструкция при использовании в качестве основания тонкой полимерной пленки может иметь высокую гибкость, практически достигающую 100%.
Указанный модуль может быть смонтирован практически на любой сложнопрофилированной плоскости объекта.
К недостаткам модулей на основе аморфного кремния следует отнести их низкую эффективность - КПД модуля составляет 8÷11%, что существенно ниже, чем КПД для модулей на основе монокристаллического кремния, который может достигать 30%, и малый ресурс - модули из аморфного кремния менее долговечны из-за значительной деградации электрофизических свойств аморфного кремния при длительном воздействии солнечного света.
Известен гибкий фотоэлектрический модуль, представляющий собой массив закрепленных на гибких печатных платах и электрически соединенных между собой кремниевых солнечных элементов полусферической формы, которые в свою очередь закреплены на гибком основании из синтетического материала типа «Неопрен», а сверху покрыты прозрачной для видимого света защитной пленкой [2].
К недостаткам такой конструкции следует отнести:
- низкую надежность модуля, обусловленную большим количеством и разветвленностью сети коммутативных соединительных шин;
- сложность сборки модуля, обусловленную необходимостью коммутации на печатных платах нескольких десятков полусферических солнечных элементов и последующей сборкой коммутированных плат в единую конструкцию;
- большой вес и высокую стоимость модуля вследствие использования не плоских, а более дорогих и тяжелых полусферических солнечных элементов из кремния.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является гибкий фотоэлектрический 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 [3].
В случаях, когда гибкий фотоэлектрический 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, оптимальным расположением высокопрочных искусственных нитей в таком случае является диагонально-перекрестное.
Для того чтобы дополнительно введенная в конструкцию гибкого фотоэлектрического 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.
Толщина верхней и нижней несущей пленки ~0,4 мм. Толщина верхней и нижней скрепляющих пленок вместе с введенными в них сетками из высокопрочных искусственных нитей составляет ~0,3 мм. Толщина кремниевых монокристаллических солнечных элементов составляет 100÷250 мкм. Общая толщина фотоэлектрического гибкого модуля составляет ~1,4÷1,5 мм.
Указанный гибкий фотоэлектрический модуль изначально имеет плоскую поверхность и 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 обеспечения фиксации сложнопрофилированной поверхности гибкого модуля.
Задачей изобретения является создание фиксированного профиля поверхности модуля.
Это достигается за счет того, что в гибком фотоэлектрическом модуле, представляющем собой последовательно расположенные нижнюю несущую пленку, нижнюю армирующую сетку, нижнюю скрепляющую пленку, электрически соединенные между собой солнечные элементы из монокристаллического кремния, верхнюю скрепляющую пленку, верхнюю армирующую сетку и верхнюю несущую пленку, причем несущие и скрепляющие пленки выполнены из прозрачного для солнечного света материала, а армирующие сетки выполнены из полимерных нитей, прозрачных для солнечного света и пропитанных веществом или содержащих такое вещество с низким коэффициентом поглощения и рассеивания света, в качестве сеток используют терморелаксированные сетки из термоусадочного полимера.
Конструкция заявляемого гибкого фотоэлектрического 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 - нити верхней и нижней армирующих сеток соответственно;
4 - солнечные элементы;
R - радиус кривизны поверхности модуля, мм.
Виды А и Б - форма поверхности модуля соответственно до и после терморелаксирования армирующих сеток.
60
В качестве армирующих сеток используют сетки из переплетенных нитей, выполненных из так называемого «сшитого» полимера: термоусадочного пластика - полиэтилена или полиолефина, модифицированного гамма-излучением радиоактивного кобальта Co.
Сеткам из «сшитого» полимера в высокоэластичном нагретом состоянии на заранее изготовленном шаблоне придают требуемую форму, которая сохраняется при последующем охлаждении сетки в специальном режиме.
Армирующие сетки перед укладкой разогревают до эластичного состояния с целью придания им плоской формы.
При осуществлении процесса последующего ламинирования при температуре T≈150°C происходит сцепление несущей и скрепляющей пленок друг с другом, а армирующие сетки оказываются зафиксированными на границе этих пленок.
Температура ламинирования оказывается достаточной для осуществления процесса терморелаксации, то есть восстановления первоначальной формы под действием температуры армирующих сеток. После охлаждения ламинированного модуля его поверхность повторяет форму шаблона, использованного при изготовлении сетки.
Поскольку варьированием режимов модификации полимеров можно обеспечить уровень их термоусадки в широких пределах (до 50%), минимальный радиус кривизны поверхности гибкого фотоэлектрического модуля R, содержащего терморелаксированные армирующие сетки, может достигать 150 мм. Во избежание механических повреждений солнечных элементов при малых радиусах кривизны поверхности модуля геометрические размеры солнечных элементов должны быть уменьшены. В основном это линейный размер L элементов в направлении градиента деформации плоскости поверхности модуля.
<mrow><mfrac bevelled="true"><mi>L</mi><mi>R</mi></mfrac><mo>≈</mo><mn>0,1</mn></mrow>
Экспериментально установлено, что подобные условия уверенно реализуются при соотношении
.
В известных науке и технике решениях аналогичной задачи не обнаружено использование в гибких фотоэлектрических модулях в качестве армирующих сеток терморелаксированных сеток, выполненных из нитей термоусадочного полимера.
Конкретная реализация предлагаемой конструкции гибкого фотоэлектрического модуля с использованием армирующих сеток из нитей модифицированного полиэтилена с целью получения «волнообразного» профиля плоскости модуля осуществляется следующим образом.
На монтажном столе раскладывается первая несущая пленка - прозрачная этилен-тетрафлюроэтиленовая пленка «TEFZEL» заданной площади. На нее сверху укладывается третья армирующая сетка из нитей модифицированного полиэтилена ⌀1 мм и размером ячейки (10×10) мм. Сверху этой сетки укладывается вторая скрепляющая пленка - этиленвинилацетатная пленка «ЭВА». Поверх сформированной стопки укладывается четвертый слой, представляющий собой распаянную цепочку псевдоквадратных солнечных элементов размером (125×125) мм из монокристаллического кремния. Толщина каждого солнечного элемента не превышает 200 мкм. Поверх солнечных элементов последовательно укладывают шестую скрепляющую пленку - пленку «ЭВА», пятую армирующую сетку, аналогичную третьей сетке, и седьмую несущую пленку.
Третью и пятую армирующие сетки перед укладкой разогревают до эластичного состояния с целью придания им плоской формы.
Приготовленная таким образом слоистая заготовка (фиг.1, вид А) помещается в ламинатор, где происходит формирование фотоэлектрического модуля при температуре ~150°C в течение 20 мин.
Сформированный фотоэлектрический гибкий модуль после охлаждения принимает форму шаблона, на котором формировали конфигурацию третьей и пятой сеток (фиг.1, вид Б).
Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемой конструкции, заключается в обеспечении фиксированного «волнообразного» профиля поверхности фотоэлектрического гибкого модуля.
Источники информации
1. Патент РФ №2190901 от 24 сентября 1997 г.
2. Заявка на патент США №20100101627 от 29 апреля 2010 г.
3. Патент РФ №2416056 от 17 декабря 2009 г. - прототип.