Производство стекла для солнечных батарей

Какими бывают стекла для защиты солнечных батарей

Cовременные фотоэлектрические панели представляют собой сложную многослойную конструкцию. Центральную ее часть занимают уложенные рядами полупроводниковые ячейки, чрезвычайно чувствительные к механическим повреждениям. Чтобы полностью исключить контакт преобразователей с внешней средой, применяется специальная защита солнечных батарей. Ее основой являются прочные прозрачные покрытия, от свойств которых зависит производительность гелио модулей и срок их службы.

Стекло для солнечных батарей – виды и характеристики

Существует пять основных разновидностей стеклянного покрытия, отличающихся технологией изготовления, содержанием химических элементов-«присадок» и физико-техническими параметрами.

1. Листовое «float» стекло.

Применяется в наиболее дешевых модулях, изготовленных преимущественно малоизвестными китайскими фирмами. Отличительные черты:

• толщина и прочность выше, чем у классического оконного;
• присутствует антибликовая технология;
• качественная полировка;
• прозрачность в диапазоне 90-91%.

Такое покрытие солнечных батарей наименее эффективно и наиболее чувствительно к влиянию внешней среды. Из-за этого эксплуатационные характеристики «флоат» модификаций начинают быстро ухудшаться, в частности:

• снижается коэффициент светопропускания по причине механических микроповреждений полировки твердыми частицами песка и пыли;
• возникают перепады внутреннего напряжения под влиянием структурных изменений материала;
• уменьшается уровень поглощения электромагнитного фотонного потока.

Весь комплекс указанных проблем приводит к ускоренной деградации ячеек. В результате уже через 10-15 лет первоначальный КПД системы снижается на 20 и более процентов, что требует глубокой модернизации либо полной замены панелей.

2. Каленое стекло для солнечных батарей

Представляет собой более надежную защиту по нескольким причинам. Основная из них – специальная процедура термической закалки заготовок при температурах более 650°C. Вспомогательная причина – изменение химического состава стекловидной массы, за счет пониженного содержания оксида железа (Fe2O3) и повышенного – окислов свинца (PbO) и бария (B2О3).

Следствием этого являются следующие эксплуатационные характеристики:

• прочность, позволяющая сохранять целостность поверхности при ударном динамическом воздействии крупного града или сравнимых по размеру камешков на скоростях порядка 90-95 км/ч;
• аналогичный безопасный уровень статической нагрузки, примерно равный весу взрослого мужчины;
• более устойчивая кристаллическая решетка;
• прозрачность 92-93%.

Такое механически и химически модифицированное покрытие для панелей в солнечных электростанциях практически не поддается деформации и сохраняет все эксплуатационные качества на протяжении не менее 25 лет.

3. Антибликовое стекло для солнечных батарей

Защита фотоэлектрических ячеек листами данного класса не только сверхнадежна, но и отличается повышенной прозрачностью – 94-97%. Физически материал защитной поверхности представляет собой сложную кристаллическую структуру, полученную следующим путем:

• закаливание кремний-силикатной смеси по специальному графику повышения и понижения температур;
• первичная полировка;
• травление поверхности с процедурой вытеснения атомов кальция;
• напыление ионизированной калий кобальтовой антибликовой пленки по нанотехнологии NSTM (Nano Selective Transmission Modeling).

Для сравнения: аналогичная последней процедуре технология используется при изготовлении стекла наиболее престижных марок смартфонов. Результатом становится материал, чрезвычайно устойчивый ко всем типам механического, химического и биологического воздействия, и при этом максимально прозрачный.

4. «Sandwich» — двойное стекло для защиты солнечных батарей

Иначе такую технологию именуют «glass-glass», и сейчас она применяется во всех модулях высшей категории качества. Ее отличие от предыдущих вариаций состоит в использовании сразу двух типов покрытия.

Лицевая сторона панели защищается антибликовым листом, а тыльная, вместо стандартного металлического или полимерного основания – каленым высокопрочным стеклом.

Главное достоинство такой конструкции – устранение различного коэффициента теплового расширения на передней и задней поверхностях. Поскольку оба стеклянных листа имеют одинаковый состав, толщину и физические свойства, в центральной части панели отсутствует деформационное искажение.

На КПД это не влияет, но срок эффективной эксплуатации модулей «glass-glass» сразу возрастает на 25-30%.

5. Полимерная защита солнечных батарей

Последняя разновидность поверхностной защиты – пластичные полимерные покрытия. Они используются для гибких тонкопленочных панелей и обладают хорошими показателями прозрачности и прочности при кратно меньшей толщине, чем стеклянные аналоги.

Благодаря применению полимеров гибкие солнечные батареи последних поколений, при сравнимом номинальном КПД с «классикой»:

• в 12-15 раз тоньше;
• в 5-7 раз легче;
• в 1,5-2 раза эффективнее при высоких температурах.

Источник

Прозрачный солнечный элемент показал эффективность более 10 процентов

Li et al. / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020

Американские и китайские химики создали солнечный элемент с эффективностью более десяти процентов и светопроницаемостью более 45 процентов. Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Создание прозрачных солнечных панелей — одна из самых интересных областей современной фотовольтаики. Такие солнечные панели можно будет встраивать в окна домов и получать дополнительную электроэнергию без ущерба для внешнего вида здания и освещенности внутри. Однако создать устройства, сочетающие высокую эффективность и достаточную светопроницаемость, непросто. Можно сказать, что эти параметры конкурируют друг с другом — чем больше фотонов пройдет насквозь через солнечный элемент, тем меньше фотонов поглотится в активном слое и тем меньше энергии выработает панель. Впрочем, некоего баланса достичь можно: для этого надо искать материалы с высоким коэффициентом поглощения вне видимой области спектра, а также максимально эффективно использовать энергию поглощенных фотонов.

Американские и китайские химики под руководством Стивена Форреста (Stephen R. Forrest) из Мичиганского университета сумели получить прозрачные солнечные панели с высокой эффективностью. Активный слой этих солнечных батарей представляет собой тонкую пленку смеси двух соединений — донора и акцептора. В качестве донора использовали полимер PCE-10, который практически прозрачен в видимой области спектра. Для того чтобы выбрать идеальный акцептор, ученые синтезировали и протестировали три похожих поликонденсированных гетероароматических соединения: уже использовавшийся в прозрачных элементах акцептор SBT-FIC и два похожих на него соединения А078 и А134, для которых максимум поглощения еще дальше сдвинут в ближнюю инфракрасную область. Дополнительным аргументом в пользу новых акцепторов оказалась простота их получения — это важно для стоимости будущих солнечных модулей. Синтез SBT-FIC включает в себя десять последовательных стадий, а синтез А078 и А134 — всего по шесть стадий.

Формулы соединений-акцепторов и соответствующие спектры поглощения.

Li et al. / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020

Сравнивая прозрачные солнечные элементы, ученые вычисляют произведение двух конкурирующих параметров — эффективности и светопроницаемости. Для солнечного элемента на основе A078 этот параметр оказался равен 5,0 процентам. Это очень заметный шаг вперед, ранее рекордным значением этого параметра было 3,9 процента.

В дальнейшем Форрест и его коллеги планируют заняться повышением стабильности устройств — пока что в этом параметре прозрачные солнечные элементы заметно уступают традиционным кремниевым.

Изготовление прозрачных солнечных панелей — не единственный способ гармонично вписать солнечный элемент в дизайн здания. Например, компания Tesla несколько лет назад начала выпускать солнечные панели, которые внешне имитируют черепицу. Панели состоят из трех слоев: нижний представляет собой высокоэффективную солнечный элемент, средний слой — маскирующее стекло, а внешний слой —закаленное защитное стекло. Если смотреть на такую панель с земли, благодаря маскирующим слоям она будет выглядеть как дерево или камень, однако для падающего сверху солнечного луча верхние стеклянные слои прозрачны.

Источник

Применение стекла в солнечной энергетике

Современные материалы и их использование в энергетике — это начало постепенного перехода от конечных природных ресурсов к возобновляемым источникам энергии. И это — большой шаг на пути в будущее.

Именно стекло является наиболее оптимальным материалом, который используется при изготовлении солнечных батарей. Оно хорошо защищает фотоэлектрические преобразователи от неблагоприятных воздействий окружающей среды, а также обеспечивает прочность панелей.

Еще одним преимуществом стекла является его сравнительно невысокая стоимость и повсеместная распространенность. Современные технологии предлагают широкий ассортимент изделий и программных решений для того, чтобы удовлетворить все потребности в обработке стекла для использования в конструкции солнечных батарей.

С олнечные нагреватели

В большинстве аппаратов данного типа так или иначе присутствуют стеклянные элементы. Для их обработки, резки, гибки и закалки используются новейшие высокоэффективные станки.

Фотоэлектрические преобразователи

Существует специальная интегрированная технология изготовления стекол для солнечных батарей, как тонкопленочных, так и кремниевых многослойных. Для производства параболических зеркал и стекол применяются интегрированные и автономные решения. Например, станок производителя Glaston, модели CHF 2000, разработан специально для того, чтобы осуществлять закаливание строительного стекла и стекла, используемого в солнечных батареях. Данная система функционирует за счет инновационной технологии конвекционного нагревания, позволяющей снизить количество затрачиваемой электроэнергии и повысить качество продукции.

За счет наличия системы флотации в воздухе, в результате получается тончайшее стекло повышенной прочности. Его преимущество заключается в том, что материал отлично пропускает солнечные лучи, тем самым значительно повышая КПД фотоэлектрической панели. Повышение производительности и пропускной способности способствует более высокой выработке энергетического ресурса.

Концентраторы солнечной энергии

Оборудование для гибки стекла представляет собой специальные печи, которые способны задавать форму стекла в фокусе солнечного отражателя с высокой точностью. Печь производит последовательную гибку материала с одновременным нагревом специальным излучением, а также конвекционными процессами с рекуперацией тепла, что обеспечивает большую энергоэффективность и точность протекания процесса.

Для производства солнечных рефлекторов используется закаленное тонкое листовое стекло высокого качества, которое в холодном состоянии можно согнуть в форму параболы, обеспечив максимальную производительность.

Таким образом, в развивающейся отрасли солнечной энергетики стеклянные элементы и изделия играют одну из основных ролей. Они являются неотъемлемыми составными частями множества конструкций, предназначенных для накопления и преобразования солнечной энергии в электрическую.

Источник

В Австралии создали солнечные батареи, которые встроены прямо в оконные стекла

Полупрозрачные солнечные элементы, которые можно встроить в оконное стекло, могут трансформировать архитектуру, городское планирование и производство электроэнергии. Австралийские ученые, создавшие такое изобретение, опубликовали его данные в Nano Energy.

Исследователи преуспели в производстве солнечных батарей на основе перовскита следующего поколения, которые генерируют электричество и пропускают свет. Сейчас они изучают, как новая технология может быть встроена в коммерческие продукты с Viridian Glass — крупнейшим производителем стекла в Австралии.

Эта технология превратит окна в активные генераторы энергии, потенциально революционизируя дизайн здания. Исследователи говорят, что 2 м² солнечного окна будут генерировать примерно столько же электроэнергии, сколько стандартная солнечная панель на крыше.

Идея полупрозрачных солнечных элементов не нова, но предыдущие проекты провалились, потому что они были очень дорогими, нестабильными или неэффективными. Австралийцы изобрели другой подход.

Они использовали органический полупроводник, который можно превратить в полимер, и использовали его для замены обычно используемого компонента солнечного элемента (известного как Spiro-OMeTAD), который демонстрирует очень низкую стабильность, поскольку создает бесполезное водянистое покрытие. Заменитель дал удивительные результаты.

«Эффективность преобразования солнечной энергии на крыше составляет от 15 до 20%. Полупрозрачные ячейки имеют эффективность преобразования 17%, при этом пропуская более 10% входящего света, поэтому они находятся прямо в зоне получения ультрафиолета. Я давно мечтал иметь окна, которые генерируют электричество, и теперь это становится реальностью. Мы будем стремиться разработать крупномасштабный процесс производства стекла, который можно легко перенести в промышленность, чтобы производители могли легко освоить эту технологию».

Яцек Ясениак, Центр передовых технологий ARC в науке об экситонах (Exciton Science) и Университет Монаш.

Солнечные окна станут благом для владельцев зданий и жителей, и принесут новые проблемы и возможности для архитекторов, строителей, инженеров и проектировщиков. Потому что так получается компромисс. Солнечные элементы можно сделать более или менее прозрачными. Чем они прозрачнее, тем меньше вырабатывается электричества, поэтому архитекторам это нужно учитывать.

Он добавил, что солнечные окна, окрашенные в той же степени, что и нынешние коммерческие окна, будут генерировать около 140 Вт электроэнергии на м². Первое применение, скорее всего, будет в многоэтажных домах. Потому что большие окна, установленные в высотных зданиях, дороги в изготовлении. Дополнительные затраты на включение в них полупрозрачных солнечных элементов будут незначительными.

Но даже с дополнительными затратами здание получает электричество бесплатно. До сих пор каждое здание проектировалось исходя из предположения, что окна в основном пассивны. Теперь они будут активно производить электричество. Планировщикам и дизайнерам, возможно, придется даже пересмотреть то, как они размещают здания на площадках, чтобы оптимизировать ловлю стенами солнца.

Сейчас исследователи тестируют тандемное устройство, где будут использоваться солнечные элементы на основе перовскита в качестве нижнего слоя и органические солнечные элементы в качестве верхнего.

Что касается того, когда на рынке появятся первые коммерческие полупрозрачные солнечные элементы, это будет зависеть от того, насколько успешным будет масштабирование технологии. Разработка таких солнечных окон приведет к новым стеклянным инновациям и технологиям в будущем.

Источник