Table of Contents:
- Wprowadzenie
- Co to są panele słoneczne?
- Jak działają panele słoneczne?
- Jakie są główne komponenty paneli słonecznych?
- Podsumowanie
Wprowadzenie
Wzrost globalnego zapotrzebowania na energię oraz rosnąca świadomość ochrony środowiska sprawiły, że energia słoneczna zyskała znaczną uwagę jako czyste i odnawialne źródło energii. Panele słoneczne stanowią główne komponenty systemów energetyki słonecznej, przekształcając światło słoneczne w energię elektryczną, zapewniającą zrównoważoną moc. Niniejszy artykuł przedstawi szczegółowe wprowadzenie do kluczowych komponentów i funkcji paneli słonecznych, pomagając czytelnikom lepiej zrozumieć ich skład i charakterystyki.
Co to są panele słoneczne?
Panele słoneczne są urządzeniami, które przekształcają energię słoneczną w energię elektryczną. Składają się z wielu ogniw słonecznych, które wykorzystują efekt fotowoltaiczny do przekształcenia energii słonecznej w energię elektryczną. Panele słoneczne są jednymi z najważniejszych części systemu generacji energii słonecznej. Typowa struktura tych modułów obejmuje (od góry do dołu): szkło — folia EVA — ogniwa słoneczne — folia EVA — tylna strona lub szkło, zabezpieczone ramą z aluminium.
Dodatkowo, do pomocniczych materiałów należą szkło PV, folia do hermetyzacji, taśmy lutownicze, tylne folie, silikon do uszczelniania, żel do uszczelniania skrzynek połączeniowych typu AB, skrzynki połączeniowe oraz ramy.
Jak działają panele słoneczne?
Panele słoneczne zbierają czystą, odnawialną energię ze światła słonecznego i przekształcają ją w energię elektryczną, która jest następnie używana do zasilania obciążeń elektrycznych. Panele słoneczne składają się z wielu pojedynczych ogniw słonecznych, z których każde jest złożone z warstw krzemu, fosforu (dającego ładunek ujemny) i boru (dającego ładunek dodatni). Panele słoneczne absorbują fotony (cząstki światła), generując prąd elektryczny. Kiedy fotony uderzają w powierzchnię panelu słonecznego, przekazują swoją energię elektronom, powodując ich wybicie z orbitalnych torów atomowych i wejście do pola elektrycznego stworzonego wewnątrz ogniwa słonecznego. Te uwolnione elektrony są następnie wciągane w kierunkowy prąd, tworząc efekt fotowoltaiczny.
Jakie są główne komponenty paneli słonecznych?
1. Ogniwa słoneczne
Ogniwa słoneczne są jednym z głównych komponentów paneli słonecznych, odpowiedzialnych za przekształcanie energii słonecznej w energię elektryczną. Osiągają to poprzez efekt fotowoltaiczny, gdzie fotony światła słonecznego uderzające w powierzchnię ogniwa słonecznego pobudzają elektrony, generując prąd elektryczny, który napędza przepływ elektronów przez obwody.
(1) Typy ogniw słonecznych
Ogniwa słoneczne są głównie podzielone na trzy typy w zależności od ich materiałów i procesów produkcyjnych: monokrystaliczne ogniwa krzemowe, polikrystaliczne ogniwa krzemowe oraz cienkowarstwowe ogniwa słoneczne. Monokrystaliczne ogniwa krzemowe są powszechnie stosowane dzięki swojej wysokiej krystaliczności i dobrej ruchliwości elektronów. Z kolei polikrystaliczne ogniwa krzemowe są preferowane ze względu na niższe koszty i uproszczone procesy produkcji. Cienkowarstwowe ogniwa słoneczne wykorzystują różne materiały, takie jak krzem amorficzny, miedź indu i gal przesiew selen, między innymi, oferując zalety takie jak lekkość, elastyczność i kosztowość, co czyni je odpowiednimi do konkretnych zastosowań.
(2) Główne technologie ogniw słonecznych i ich obecny stan
Ogniwa słoneczne stanowią rdzenne komponenty wytwarzania energii fotowoltaicznej, a ich technologiczne ścieżki i poziomy procesów mają bezpośredni wpływ na efektywność i długość życia modułów fotowoltaicznych. Na podstawie pierwiastków dopingowych i procesów produkcyjnych, główne typy ogniw słonecznych obecnie rozwijane i produkowane na rynku można szeroko podzielić na cztery typy: PERC, TOPCon, HJT i IBC.
a. PERCO
gniwa PERC (Passivated Emitter and Rear Cell) wykorzystują technologię z pasywnie uszczelnionym emiterem i tylnym obszarem, gdzie płyta krzemu typu P pełni funkcję podłoża dla emitera ogniwa. Ta technologia, zapoczątkowana przez australijskiego naukowca Martina Greena w 1983 roku, zwiększa efektywność przekształcania poprzez dodanie warstwy pasywującej na tylnym obszarze ogniwa. Poprzez maksymalizację gradientu potencjału wzdłuż złącza P-N, ogniwa PERC stabilizują przepływ elektronów, zmniejszają rekombinację elektronów i osiągają wyższe poziomy efektywności w porównaniu do standardowych struktur ogniw.
b. IBC
Ogniwa IBC (Interdigitated Back Contact) charakteryzują się brakiem linii siatki metalowej po stronie przedniej. Emiter i tylny obszar są zintegrowane w krzyżowym wzorze siatki na tylnym obszarze ogniwa, co eliminuje zacienienie spowodowane liniami siatki metalowej. W połączeniu z strukturami piramidowymi i powłokami antyrefleksyjnymi na obu powierzchniach (przedniej i tylnej), ten unikalny projekt maksymalizuje wykorzystanie światła i znacząco poprawia efektywność przekształcania fotowoltaicznego ogniwa IBC.
c. TOPCon
Ogniwa TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact) wykorzystują strukturę z pasywującym kontaktem, gdzie na tylnym obszarze ogniwa przygotowana jest ultra-cienka warstwa dwutlenku krzemu, a następnie warstwa domieszkowanego krzemu. Razem tworzą strukturę pasywującego kontaktu znana jako technologia TOPCon. Ultra-cienka warstwa tlenku umożliwia mniejszościowym nośnikom przenikanie do warstwy krzemu polikrystalicznego, blokując rekombinację nośników większościowych, co zwiększa boczny transport i zbieranie elektronów przez kontakty metalowe. To znacząco zmniejsza szybkość rekombinacji i tym samym poprawia efektywność przekształcania ogniwa.
d. HJT
Ogniwa HJT (Heterojunction with Intrinsic Thin-layer), znane również jako ogniwa heterojunction, zostały opracowane pierwotnie przez Sanyo Electric (obecnie Panasonic) w 1990 roku i opatentowane pod nazwą HIT. Inne firmy wchodzące później na rynek technologii heterojunction używają różnych oznaczeń takich jak HJT, SHJ i HDT, aby uniknąć sporów patentowych. W przeciwieństwie do ogniwa PERC i TOPCon, które używają domieszkowania tego samego materiału (krzem krystaliczny), ogniwa HJT wykorzystują domieszkowanie dwóch różnych materiałów (krzem krystaliczny i krzem amorficzny). Tworzy to złącze PN między płytą krzemu a warstwą krzemu amorficznego, zmniejszając rekombinację nośników na złączu PN i tym samym poprawiając efektywność przekształcania ogniwa słonecznego.
Te technologie stanowią znaczące postępy w efektywności ogniw słonecznych i są kluczowe dla ciągłego rozwoju modułów fotowoltaicznych wysokiej wydajności.
2. Materiał osłonowy przedni - Szkło do paneli słonecznych
Panele słoneczne są kluczowymi urządzeniami przekształcającymi energię słoneczną w energię elektryczną, a ich struktura oraz wybór materiału mają bezpośredni wpływ na efektywność i żywotność. W panelach słonecznych typowym materiałem osłonowym przednim jest szkło, stosowane głównie do ochrony wewnętrznych ogniw słonecznych oraz poprawy ogólnej wydajności panela.
Rodzaje szkła do paneli słonecznych
Szkło ultraclear: Znane również jako szkło niskożelazne, charakteryzuje się bardzo wysoką przejrzystością światła (do 91%-93%) i jest powszechnie stosowane w panelach o wysokiej efektywności. Szkło ultraclear ma bardzo niską zawartość żelaza, co zmniejsza absorpcję światła i poprawia jego przepuszczalność.
Szkło hartowane: Szkło wzmacniane fizycznymi lub chemicznymi metodami, cechuje się wysoką wytrzymałością i odpornością na uderzenia. Nawet w przypadku rozbicia, rozpada się na małe granulki, co zmniejsza szkodę dla ogniw słonecznych. Szkło hartowane jest powszechnie stosowane w panelach słonecznych wymagających wysokiej wytrzymałości mechanicznej.
Szkło półhartowane: Szkło półhartowane ma poziomy naprężeń pomiędzy zwykłym płaskim szkłem a w pełni hartowanym szkłem, wynoszące od 24 MPa do 52 MPa. Pomimo niższej odporności na uderzenia, charakteryzuje się wysoką płaskością i brakiem naprężeń wewnętrznych, co czyni je odpowiednim do obróbki laminacyjnej w produkcji paneli słonecznych, poprawiając wydajność i jakość.
Szkło pokryte: Szkło z specjalną cienką powłoką na powierzchni, która zmniejsza odbicia, zwiększa przepuszczalność światła oraz zapewnia funkcje antyzabrudzeniowe i wodoodporne. Jest odpowiednie do zastosowań w panelach słonecznych w specjalnych warunkach środowiskowych.
Funkcje i role szkła do paneli słonecznych
Jako kluczowy komponent pokrywający ogniwa słoneczne, szkło do paneli słonecznych pełni wiele kluczowych funkcji, które bezpośrednio wpływają na wydajność i trwałość całego modułu panela słonecznego.
Wysoka przejrzystość światła: Wysokiej jakości szkło PV zazwyczaj ma przejrzystość światła powyżej 90%, zapewniającą, że więcej światła słonecznego dociera do ogniw słonecznych przez szkło, poprawiając tym samym efektywność przekształcania fotowoltaicznego.
Odporność na warunki atmosferyczne: Szkło PV musi działać długoterminowo w różnych warunkach środowiskowych, wymagając wysokiej odporności na warunki atmosferyczne, aby utrzymać stabilną wydajność w surowych warunkach takich jak wysokie i niskie temperatury, wilgotność oraz promieniowanie UV, bez starzenia się, zmiany koloru lub awarii.
Wytrzymałość mechaniczna: Zastosowanie szkła hartowanego o wysokiej wytrzymałości i odporności na uderzenia pozwala na wytrzymanie zewnętrznych obciążeń takich jak obciążenie wiatrem, śniegiem i gradem, zapewniając długoterminowe bezpieczeństwo i użyteczność.
Niska zawartość żelaza: Szkło niskożelazne (ultraclear) charakteryzuje się bardzo niską zawartością żelaza, co zmniejsza absorpcję światła i poprawia jego przepuszczalność, znacząco zwiększając efektywność przekształcania fotowoltaicznego.
Powłoka antyrefleksyjna: Dodanie powłok antyrefleksyjnych zmniejsza straty związane z odbiciami światła, dalszym zwiększając przepuszczalność światła, tak aby więcej światła mogło dotrzeć do ogniw słonecznych, tym samym poprawiając ogólną efektywność przekształcania fotowoltaicznego.
3. Folie do hermetyzacji paneli słonecznych
Folia do hermetyzacji jest kluczowym materiałem w opakowaniu modułów fotowoltaicznych (PV) i ma istotny wpływ na żywotność modułu. Uszczelnia i łączy, chroniąc wewnętrzne ogniwa modułu. Do folii do hermetyzacji należą EVA, POE oraz współwytłaczana folia EPE.
EVA: Folia EVA jest jednym z najczęściej stosowanych materiałów do hermetyzacji, szczególnie odpowiednia do hermetyzacji modułów mono-szkła typu P PERC. Ten materiał jest ekonomiczny, cechuje się dobrą obróbką oraz szybkim procesem utwardzania, skutecznie chroniąc ogniwa przed wpływami środowiskowymi. W zależności od konkretnych potrzeb, można wybierać różne rodzaje EVA, takie jak EVA o wysokiej przejrzystości do zastosowania z przodu, EVA o wysokim stopniu odcinania UV do zastosowania z tyłu lub białe EVA z tlenkiem tytanu.
POE: Folia POE jest głównie stosowana do hermetyzacji modułów podwójno-szklanych oraz typu N PV. W porównaniu do EVA, POE wykazuje lepsze właściwości, takie jak niska przepuszczalność wody, odporność na hydrolizę, odporność na starzenie się oraz doskonała odporność na PID (degradację wywołaną potencjałem). Jednak jej gładka powierzchnia sprawia, że jest podatna na przemieszczenia i zwiększa trudność w obróbce, co wiąże się z wyższymi kosztami.
Współwytłaczana folia EPE: Współwytłaczana folia EPE łączy dobrą obróbkę EVA z doskonałą odpornością na PID i parę wodną POE. Ten materiał jest powszechnie stosowany w modułach ogniw typu N Topcon oraz modułach podwójno-szklanych, łącząc wysoką wydajność z ekonomicznością.
Kluczowe cechy folii do hermetyzacji paneli słonecznych
W panelach słonecznych folie do hermetyzacji muszą posiadać kilka kluczowych cech, aby zapewnić ich skuteczność i niezawodność w procesie przekształcania fotowoltaicznego:
Wysoka przejrzystość: Przejrzystość folii do hermetyzacji powinna być jak najwyższa, aby umożliwić maksymalne przenikanie światła słonecznego, poprawiając tym samym efektywność przekształcania fotowoltaicznego. Typowo wymaga się, aby przejrzystość wynosiła powyżej 95%.
Niskie straty optyczne: Folie do hermetyzacji powinny minimalizować straty optyczne, aby zmniejszyć absorpcję i rozpraszanie światła wewnątrz folii. Straty optyczne obejmują głównie straty absorpcyjne i rozpraszające.
Doskonała przyczepność: Folie do hermetyzacji powinny wykazywać silną przyczepność do materiałów takich jak szkło, ogniwa i tylnie folie, zapewniając odporność i niezawodność modułu. Siła wiązania między folią a ogniwami powinna być wystarczająca, aby wytrzymać naprężenia mechaniczne podczas pracy modułu.
Dobra wytrzymałość mechaniczna: Folie do hermetyzacji powinny mieć odpowiednią wytrzymałość mechaniczną, aby wytrzymać obciążenia mechaniczne w trudnych warunkach środowiskowych, takich jak obciążenia wiatrem, śniegiem i gradem.
Doskonała izolacja elektryczna: Folie do hermetyzacji powinny skutecznie zapobiegać wyciekom i wypadkom elektrycznym, zapewniając bezpieczeństwo i niezawodność systemu PV. Napięcie przebicia i rezystywność objętościowa folii do hermetyzacji powinny spełniać odpowiednie wymagania norm.
Te cechy sprawiają, że folie do hermetyzacji są kluczowym elementem w modułach PV, wpływającym bezpośrednio na ich skuteczność i trwałość.
4. Plecki paneli słonecznych
W hermetyzacji tylnej modułów fotowoltaicznych (PV), materiały głównie obejmują plecki oraz szkło tylne, odgrywające kluczową rolę w ochronie i optymalizacji wydajności modułu.
Plecki:
Umieszczone po stronie tylniej paneli słonecznych, główną funkcją plecków jest ochrona wewnętrznych ogniw słonecznych oraz materiałów hermetyzacyjnych przed zewnętrzną korozją i uszkodzeniami, zapewniając długotrwałą stabilną pracę modułu. Powszechnie stosowane materiały na plecki to włókno szklane wzmacniane tworzywem sztucznym (FRP) oraz plecki z folii poliestrowej. Plecki FRP charakteryzują się wysoką wytrzymałością i odpornością na warunki atmosferyczne, nadając się do różnych warunków środowiskowych. Plecki z folii poliestrowej są lekkie, elastyczne i posiadają dobre właściwości mechaniczne.
Typowa struktura plecków składa się z trzech warstw, zawierających warstwę zewnętrzną, warstwę środkową (zazwyczaj podłoże PET) oraz warstwę wewnętrzną. Różne rodzaje pokryć na plecki, w tym FPF, KPF, PPF i PF, oferują różne charakterystyki, takie jak powłoki fluorkowe (F lub C) oraz filmy PVDF (K), które zwiększają odporność na warunki atmosferyczne i starzenie. Te struktury warstwowe i powłoki skutecznie osłaniają wewnętrzne komponenty modułu przed światłem, wilgocią, ciepłem i mrozem, zapewniając jego stabilność i niezawodność w różnych warunkach środowiskowych.
Szkło tylne:
Szkło tylne to materiał szklany pokrywający plecki w panelach słonecznych. Jego główną rolą jest ochrona tylnych struktur oraz maksymalizacja przepuszczalności światła w celu zwiększenia efektywności przekształcania fotowoltaicznego modułu. Szkło tylne charakteryzuje się również doskonałą odpornością na ścieranie, warunki atmosferyczne i korozję, co czyni je odpowiednim do długotrwałego użytkowania w różnych warunkach środowiskowych.
Typowe szkło tylne wykorzystuje półhartowane, niskożelazne, ultra-clear szkło fotowoltaiczne. Dostępne są różne grubości (takie jak 2,0 mm i 1,6 mm) oraz wzory z siatkami lub bez, aby sprostać wymaganiom różnych zastosowań. Jego cechy obejmują niezwykle niskie wskaźniki przenikania pary wodnej, co zapobiega problemom delaminacji plecków spowodowanym wilgocią. Dodatkowo, ma wysokie właściwości izolacyjne, wspierające wymagania dotyczące wyższego napięcia systemowego.
5. Rama paneli słonecznych:
Rama paneli słonecznych jest niezbędnym akcesorium modułu, głównie służącym do ochrony krawędzi szkła panelu słonecznego, poprawy uszczelnienia modułu oraz zwiększenia wytrzymałości mechanicznej, co istotnie wpływa na żywotność modułu. Jako kluczowy element w module fotowoltaicznym, ramy z stopów aluminium dominują na rynku ze względu na swoją wysoką wytrzymałość, solidność, dobrą przewodność, odporność na korozję, odporność na utlenianie, wysoką wytrzymałość na rozciąganie, wygodę w transporcie i instalacji oraz łatwość recyklingu. Te doskonałe właściwości umożliwiły ramom z aluminium utrzymanie udziału w rynku powyżej 95%, rozwijając się wraz z przemysłem fotowoltaicznym na przestrzeni lat.
Rama paneli słonecznych jest wysokowartościowym akcesorium w strukturze kosztowej modułów fotowoltaicznych, gdzie koszty ogniw stanowią około 55%. Przy obecnych standardowych rozmiarach i wagach ramy aluminiowe stanowią około 13% całkowitych kosztów, co jest wyższe niż inne akcesoria takie jak EVA, szkło, plecki i paski. Stanowi to najdroższy akcesorium. Oprócz tradycyjnych ramek z aluminium, na rynku dostępne są również ramy z aluminium-magnezu oraz ramy z materiałów kompozytowych. Jednak z powodu ograniczeń wyglądu i odporności na korozję, te materiały nie stały się głównymi wyborami.
6. Skrzynka przyłączeniowa:
Skrzynka przyłączeniowa to złącze znajdujące się pomiędzy tablicą komórek fotowoltaicznych tworzących panel słoneczny a urządzeniem sterującym ładowaniem słonecznym. Jej główną funkcją jest połączenie energii elektrycznej generowanej przez komórki fotowoltaiczne z zewnętrznymi obwodami. Skrzynka przyłączeniowa jest przyklejona do tylnego plecka modułu za pomocą silikonu. Wychodzące przewody wewnątrz modułu są łączone razem poprzez wewnętrzne okablowanie skrzynki przyłączeniowej, która następnie łączy wewnętrzne okablowanie z zewnętrznymi przewodami, zapewniając połączenie modułu z zewnętrznymi kablami.
Skrzynka przyłączeniowa modułu fotowoltaicznego jest kluczowym komponentem elektrycznym. Jej główna struktura obejmuje obudowę z wewnętrzną płytą drukowaną. Płytka drukowana posiada złącza N busbar oraz dwa złącza kablowe. Każde złącze N busbar jest połączone szeregowo z układami komórek fotowoltaicznych za pomocą busbarów, a sąsiednie złącza N busbar są połączone diodami. Przełączniki elektroniczne są połączone szeregowo między złączami N busbar a złączami kablowymi, kontrolowane przez sygnały sterujące, aby je włączać lub wyłączać. N-te złącze N busbar jest połączone z drugim złączem kablowym. Dwa złącza kablowe są połączone z światem zewnętrznym za pomocą kabli, a także między nimi znajduje się kondensator pomijania.
Podsumowanie
W skrócie, skład modułu fotowoltaicznego obejmuje kluczowe komponenty takie jak komórki fotowoltaiczne, plecki, szkło, materiały hermetyzacyjne, rama i skrzynka przyłączeniowa. Każdy z tych elementów odgrywa niezastąpioną rolę w ogólnej wydajności i trwałości modułu. Komórki fotowoltaiczne stanowią rdzeń, odpowiadając za przekształcanie energii słonecznej w elektryczność; plecki i szkło zapewniają ochronę i przezroczystość; materiały hermetyzacyjne zapewniają uszczelnienie i trwałość każdej części; natomiast rama i skrzynka przyłączeniowa odpowiadają za montaż, instalację i przewodzenie prądu. Synergiczny efekt tych komponentów pozwala modułom fotowoltaicznym działać efektywnie i stabilnie, spełniając różnorodne potrzeby różnych zastosowań.
Odniesienie:
Panele słoneczne: A Brief Analysis of Process Route Development Status - Efficiency - Composite - Technology. (b.d.-c). Copyright © 2017 Sohu.com Inc. Wszelkie prawa zastrzeżone. Retrieved from https://www.sohu.com/a/635276105_121123896
Co to jest panel słoneczny? Jak działa panel słoneczny? (b.d.). https://www.mrsolar.com/what-is-a-solar-panel/
EcoProgetti. (2021, lipiec 9). Struktura modułu fotowoltaicznego. Ecoprogetti | Specjalista w procesie produkcji ogniw fotowoltaicznych. https://ecoprogetti.com/the-structure-of-photovoltaic-module/
Jaka jest rola środkowej skrzynki przyłączeniowej modułu fotowoltaicznego, skrzynka przyłączeniowa panelu fotowoltaicznego 4 zaciski jak podłączyć - cocoon cloud voltaic. (b.d.-b). https://www.pojianyunfu.com/news/1127.html
Rama fotowoltaiczna jest jednym z ważnych materiałów pomocniczych modułu, używanym głównie do ochrony krawędzi szkła fotowoltaicznego, wzmocnienia uszczelnienia modułu. . (b.d.-c). https://mguangfu.bjx.com.cn/mnews/20230831/1329267.shtml
Może Ci się również spodobać: