Технологія сонячних панелей швидко розвивається, підвищуючи ефективність та знижуючи ціни, що призводить до величезного зростання попиту. Однак, незважаючи на значний технологічний прогрес, базова конструкція сонячних панелей майже не змінилася за ці роки. Більшість сонячних панелей досі виготовляються з використанням серії кремнієвих кристалічних елементів, розміщених між передньою скляною пластиною та заднім полімерно-пластиковим листом, що підтримується алюмінієвою рамою.

Після встановлення сонячні панелі піддаються суворим умовам протягом свого понад 25-річного терміну служби. Екстремальні коливання температури, вологості, вітру та ультрафіолетового випромінювання можуть створювати величезне навантаження на сонячну панель. На щастя, більшість панелей добре спроектовані, щоб витримувати екстремальні погодні умови. Однак деякі панелі можуть вийти з ладу кількома способами, включаючи потрапляння води, мікротріщини елементів та потенційну індуковану деградацію або PID. Саме тому життєво важливо, щоб сонячні панелі виготовлялися з використанням лише найякісніших компонентів. В нашій іншій статті « Найкращі сонячні панелі» ми висвітлюємо провідних виробників, які використовують найякісніші матеріали разом із тестуванням за найвищими галузевими стандартами.

 

Як виготовляються сонячні елементи?

 

Монокристалічні кремнієві злитки, виготовлені за загальноприйнятим процесом Чохральського.

 

Сонячні панелі використовують фотоелектричні елементи, або скорочено ФЕ-елементи, виготовлені з кристалічних кремнієвих пластин, подібних до пластин, що використовуються для виготовлення комп'ютерних процесорів. Кремнієві пластини можуть бути полікристалічними або монокристалічними та виробляються за допомогою кількох різних методів. Найефективнішим типом є монокристалічні (моно), виготовлені за допомогою відомого процесу Чохральського.

У минулому полікристалічні пластини виготовляли за допомогою кількох процесів очищення , а потім простішим методом лиття, який був набагато дешевшим. Однак вони також були менш ефективними, що призвело до поступової відмови від полікристалічних пластин на користь монокристалічних пластин вищої чистоти та вищих характеристик.

 

• Монокристалічні кремнієві елементи - Вища ефективність
• Полікристалічні кремнієві елементи - Нижча ефективність (зараз рідко використовуються)

 

Виробництво сонячних фотоелектричних елементів

Виробництво типових сонячних елементів на основі кремнію вимагає низки різних процесів, починаючи із сировини під назвою кварцит, різновид кварцового пісковика. Спочатку кварцит, або кварцовий пісок, перетворюється на кремній металургійного класу шляхом поєднання вуглецю та кварциту в дуговій печі. Цей процес відбувається за дуже високих температур, утворюючи кремній чистого 99%. Наступний крок – перетворення кремнію металургійного класу на чистий полікремній за допомогою хімічного процесу очищення, який називається процесом Сіменса, або покращеного кремнію металургійного класу (UMG-Si) за допомогою менш дорогих металургійних процесів.

 

Основні матеріали та етапи виготовлення монокристалічної кремнієвої сонячної батареї

Далі полікремній легують слідовими кількостями бору або фосфору, щоб отримати кремній P- або N-типу . На цьому етапі полікристалічний кремній можна розплавити, відлити у великі прямокутні блоки та нарізати тонкими скибочками за допомогою алмазного дроту для отримання полікристалічних або мультикристалічних пластин.

Для виготовлення більш ефективних монокристалічних пластин або елементів легований кремній можна перетворити на чистий твердий кристалічний злиток за допомогою процесу Чохральського . Цей процес включає плавлення полікристалічного кремнію під високим тиском і температурою для повільного вирощування великого монокристалічного кристала, відомого як злиток.

 

Етапи виробництва монокристалічних сонячних фотоелектричних елементів

1. Кварцовий пісок очищується в дуговій печі для отримання кремнію з чистотою 99%
2. 99% кремнію додатково очищується до майже 100% чистого кремнію.
3. Кремній легований бором або фосфором (P-тип або N-тип)
4. Легований кремній плавиться та екстрагується у кристалічний злиток
5. Круглий злиток нарізається алмазним дротом на тонкі квадратні пластини
6. Тонка базова пластина покрита надтонким шаром кремнію P-типу або N-типу для формування PN-переходу .
7. На поверхню комірки додано антибліковий шар та металеві пальці.
8. Додано плоскі стрічкові шини (як показано) або тонкодротяні (MBB) шини

 

Як виготовляються сонячні панелі?

Сонячні панелі виготовляються з використанням шести основних компонентів, детально описаних нижче, та збираються на передових виробничих потужностях з надзвичайною точністю. У цій статті основна увага буде приділена панелям, виготовленим з використанням кристалічних кремнієвих сонячних елементів, оскільки вони є найпоширенішою та найпродуктивнішою сонячною технологією, доступною сьогодні. Доступні й інші технології сонячних фотоелектричних елементів, такі як тонкоплівкові та шовкодруковані елементи, але ми не будемо їх обговорювати, оскільки вони мають обмежене застосування або все ще перебувають у розробці.

Шість основних компонентів сонячної панелі

1. Сонячні фотоелектричні елементи
2. Загартоване скло - зазвичай товщиною 3,2 мм
3. Рама з екструдованого алюмінію
4. Інкапсуляція - шари плівки EVA
5. Полімерний задній лист
6. Розподільна коробка - діоди та роз'єми

Багато відомих виробників сонячних панелей є « вертикально інтегрованими », що означає, що одна компанія постачає та виробляє всі основні компоненти, включаючи кремнієві злитки та пластини, що використовуються для виготовлення сонячних фотоелектричних елементів. Однак багато виробників панелей збирають сонячні панелі, використовуючи зовнішні деталі, включаючи елементи, полімерну задню панель та інкапсуляційний матеріал EVA. Ці виробники можуть бути більш вибірковими щодо вибору компонентів. Однак вони не завжди контролюють якість продукції, тому їм слід переконатися, що вони використовують найкращих доступних постачальників.

 

 

6 основних компонентів, що використовуються при будівництві сонячної панелі

 

1. Сонячні фотоелектричні елементи

Сонячні фотоелектричні елементи або фотоелектричні елементи перетворюють сонячне світло безпосередньо на постійну електричну енергію. Продуктивність сонячної панелі визначається типом елемента та характеристиками використовуваного кремнію, причому два основні типи - це монокристалічний та полікристалічний кремній. Основою фотоелектричного елемента є дуже тонка пластина, зазвичай товщиною 0,1 мм, яка виготовлена ​​з кремнію позитивного p-типу або кремнію негативного n-типу . Існує багато різних розмірів та конфігурацій елементів, які пропонують різні рівні ефективності та продуктивності, включаючи напіврозрізані або розщеплені елементи, елементи з кількома шинами (MBB) та, останнім часом, елементи з черепицею, що використовують тонкі перекриваючі пластини. Для отримання більш детальної інформації про різні елементи та типи сонячних панелей дивіться повний огляд технології сонячних фотоелектричних елементів .

 

 

Схема базової конструкції звичайного (P-типу) кремнієвого сонячного елемента - Натисніть, щоб переглянути більше інформації.

Більшість житлових сонячних панелей містять 60 повнорозмірних монокристалічних елементів або 120 половинних елементів, з'єднаних послідовно за допомогою шин для генерації напруги від 30 до 40 вольт, залежно від типу використовуваного елемента. Більші сонячні панелі, що використовуються для комерційних систем та комунальних сонячних електростанцій, містять 72 повнорозмірні або 144 половинні елементи та, у свою чергу, працюють на вищій напрузі. Електричні контакти, що з'єднують елементи, відомі як шини та дозволяють струму протікати через усі елементи в колі.

 

6 основних типів сонячних панелей, які використовують сонячні елементи різних типів та розмірів

2. Скло

Переднє скляне скло захищає фотоелектричні елементи від негоди та ударів граду чи повітряного сміття. Зазвичай це високоміцне загартоване скло товщиною від 3,0 до 4,0 мм, розроблене для стійкості до механічних навантажень та екстремальних перепадів температури. Згідно з мінімальним стандартом IEC, випробування на ударність вимагає, щоб сонячні панелі витримували удар градину діаметром 1 дюйм (25 мм), що рухається зі швидкістю до 60 миль/год (27 м/с). У разі аварії або сильного удару загартоване скло також набагато безпечніше за стандартне скло, оскільки воно розбивається на дрібні фрагменти, а не на гострі зазубрені ділянки.

 

Для підвищення ефективності та продуктивності більшість виробників використовують високопрозоре скло, яке має дуже низький вміст заліза та антиблікове покриття на зворотному боці для зменшення втрат та покращення світлопроникності.

3. Алюмінієва рама

Алюмінієва рама відіграє вирішальну роль, захищаючи краї ламінованої секції, в якій розташовані сонячні панелі, та забезпечуючи міцну конструкцію для кріплення сонячної панелі. Екструдовані алюмінієві секції розроблені таким чином, щоб бути надзвичайно легкими, жорсткими та здатними витримувати екстремальні навантаження від сильного вітру та зовнішніх сил.

Алюмінієва рама може бути сріблястою або анодовано-чорною, а залежно від виробника панелі кутові секції можуть бути прикручені, пресовані або затиснуті разом, забезпечуючи різний рівень міцності та жорсткості.

4. Плівка EVA

EVA розшифровується як «етиленвінілацетат», що являє собою спеціально розроблений полімерний високопрозорий (пластиковий) шар, який використовується для інкапсуляції клітин та їх утримання на місці під час виробництва. Матеріал EVA має бути надзвичайно міцним та стійким до екстремальних температур і вологості, він відіграє важливу роль у довгостроковій роботі, запобігаючи потраплянню вологи та бруду.

Ламінування з обох боків фотоелектричних елементів забезпечує певну амортизацію та допомагає захистити елементи та з'єднувальні дроти від вібрацій та раптових ударів граду та інших предметів. Високоякісна плівка EVA з високим ступенем так званого «зшивання» може бути вирішальним фактором між довгим терміном служби та поломкою панелі через потрапляння води. Під час виробництва елементи спочатку інкапсулюються в EVA, перш ніж збиратися в скло та задній лист.

5. Задній лист

Задній шар – це найзадніший шар стандартних сонячних панелей, який діє як вологозахисний бар'єр та остаточна зовнішня оболонка, забезпечуючи як механічний захист, так і електричну ізоляцію. Матеріал заднього шару виготовлений з різних полімерів або пластмас, включаючи PP, PET та PVF, які забезпечують різні рівні захисту, термостійкості та довготривалої стійкості до ультрафіолетового випромінювання. Шар заднього шару зазвичай білого кольору, але також доступний прозорий або чорний, залежно від виробника та модуля. Для детального аналізу різних матеріалів заднього шару, що використовуються, зверніться до статті про конструкцію заднього шару в Taiyang News.

Матеріал PVF «Tedlar» від Dupont відомий як один з провідних високоефективних задніх шарів для виробництва фотоелектричних модулів.

Подвійні скляні панелі – деякі панелі, такі як двосторонні та безрамкові, використовують задню скляну панель замість полімерного заднього шару. Задне бічне скло є більш міцним та довговічним, ніж більшість матеріалів заднього шару, тому деякі виробники пропонують 30-річну гарантію на подвійні скляні панелі.

6. Розподільна коробка та з'єднувачі

Розподільна коробка — це невеликий водонепроникний корпус, розташований на задній стороні панелі. Вона потрібна для надійного кріплення кабелів, необхідних для з'єднання панелей. Розподільна коробка важлива, оскільки вона є центральною точкою з'єднання груп комірок і має бути захищена від вологи та бруду.

• Байпасні діоди

У розподільній коробці також розташовані байпасні діоди, необхідні для запобігання зворотним струмам, які можуть виникати, коли елементи затінені або забруднені. Діоди пропускають струм лише в одному напрямку, а типова панель на 60 елементів поділена на 3 групи по 20 фотоелектричних елементів, кожна з яких має байпасний діод для запобігання зворотному струму. На жаль, байпасні діоди можуть з часом вийти з ладу та потребувати заміни, особливо якщо вони піддаються навантаженню через стаціонарні об'єкти на даху, що спричиняють постійне затінення протягом року - Дізнайтеся більше про затінення та проблеми з несправними байпасними діодами . У старих панелях кришку розподільної коробки можна зняти для обслуговування, хоча більшість сучасних сонячних панелей використовують більш досконалі, довговічні діоди та непридатні для обслуговування розподільні коробки. Ви можете дізнатися більше про те, як працюють байпасні діоди, тут.

Всередині розподільної коробки типової сонячної панелі на 60 елементів, на якій показано 3 байпасні діоди

Всередині розподільної коробки з встановленими вдосконаленими діодами для зменшення нагрівання та збільшення терміну служби

• Сонячні роз'єми MC4

Майже всі сонячні панелі підключаються за допомогою спеціальних атмосферостійких штекерів та розеток, які називаються роз'ємами MC4. Термін MC4 розшифровується як багатоконтактний роз'єм діаметром 4 мм. Через екстремальні погодні умови роз'єми повинні бути дуже міцними, надійними та стійкими до ультрафіолетового випромінювання, а також підтримувати хороше з'єднання з мінімальним опором як при низькій, так і при високій напрузі до 1000 В.

З'єднувачі призначені для використання зі стандартним подвійно ізольованим сонячним кабелем постійного струму діаметром 4 мм або 6 мм з багатожильним осердям з лудженої міді для мінімального опору та підвищеної довговічності. Для правильного складання з'єднувачів використовується спеціальний обтискний інструмент для обтиску багатожильного кабелю до внутрішнього виводу, який потім вставляється та замикається в корпус MC4.

Роз'єми Solar MC4 - "папа" та "мама" з внутрішніми обтиснутими клемами

ПРИМІТКА. Існує кілька різних типів роз'ємів MC4, які можуть виглядати схожими, але не завжди надійно підходять один до одного. Завжди слід використовувати роз'єм одного типу та виробника , щоб зменшити потенційне потрапляння води або вихід з ладу штекера, що може призвести до іскріння та навіть пожежі. Роз'єми MC4, показані вище, та роз'єми MC4-EVO-2 наступного покоління (не показано) виготовлені компанією Staubli та є єдиними роз'ємами, що мають різний вигляд, які дозволено використовувати разом.

 

Збірка та виробництво сонячних панелей

Сонячні панелі збираються на сучасних виробничих потужностях з використанням автоматизованого роботизованого обладнання та датчиків для точного позиціонування компонентів з надзвичайною точністю. Виробничі підприємства повинні бути надзвичайно чистими та контрольованими, щоб запобігти будь-якому забрудненню під час складання.

Протягом усього виробничого процесу панелі та елементи перевіряються та інспектуються за допомогою передових оптичних/візуалізаційних датчиків, щоб переконатися, що всі компоненти розташовані правильно, а пластини елементів, які є дуже делікатними, не пошкоджені та не розтріскані під час процесу складання. Залежно від виробника, остаточна збірка панелі ретельно перевіряється за допомогою низки тестів, включаючи електролюмінесцентне (EL) або спалахове тестування, щоб виявити будь-які дефекти в елементах, які можуть призвести до виходу з ладу після впливу сонячного світла та високих температур протягом багатьох років.

Нижче наведено відео від Tindo Solar, австралійського виробника сонячних панелей.

Деградація та несправності сонячних панелей

Сонячні панелі , як правило, дуже надійні, оскільки не мають рухомих частин і потребують мінімального обслуговування. Однак вони можуть вийти з ладу або працювати неефективно протягом очікуваного 25-річного терміну служби з кількох різних причин. Цілком нормально, що елементи повільно втрачають потужність через так звану світлову деградацію або LID , що призводить до втрат в середньому 0,5% на рік. Ця повільна деградація часто непомітна, і більшість сонячних панелей все ще працюватимуть на 80% або вище від початкової номінальної потужності після 20 років, залежно від типу використовуваного елемента. Ступінь деградації вказано в гарантії виробника на продуктивність - Дізнайтеся більше про гарантії на сонячні панелі .

На жаль, сонячні панелі також можуть страждати від серйозніших проблем, таких як мікротріщини та серйозніша деградація з кількох причин. Будь-які високі навантаження внаслідок ударів, неправильної практики монтажу або ходьби людей по панелях на даху можуть спричинити крихітні тріщини в елементі. Ці проблеми часто дуже важко виявити, і якщо їх залишити на кілька років, вони можуть перерости в гарячі точки та спричинити катастрофічні поломки, такі як іскріння або пожежа. На щастя, існують способи зменшити ймовірність поломки, і більшість виробників удосконалюють як конструкцію, так і виробництво панелей, щоб мінімізувати короткострокові та довгострокові проблеми. Дізнайтеся більше про проблеми із сонячними панелями, такі як мікротріщини та гарячі точки .

Сталий розвиток

Сонячне світло або сонячна енергія – це безкоштовне джерело відновлюваної енергії, запаси якого ніколи не вичерпаються. Викопне паливо, з іншого боку, – це обмежені ресурси, які викидають парникові гази та інші тверді частинки під час видобутку, обробки та спалювання. Для порівняння, сонячні панелі не виробляють викидів під час використання, але вони виготовляються з кількох різних матеріалів, які потребують різного рівня ресурсів та енергії. Енергія, що використовується для видобутку сировини та виробництва продукту, відома як « втілена енергія ». Час, необхідний продукту для повернення втіленої енергії, вимірюється роками. Це називається загальним часом окупності енергії (англ.EPBT).

Типова кристалічна кремнієва сонячна панель генерує достатньо енергії, щоб окупити вкладену енергію протягом 2 років після встановлення. Однак, зі збільшенням ефективності панелі, термін окупності скоротився до менш ніж 1,5 років у багатьох районах з високим середнім рівнем сонячної радіації.

Сучасні, ефективні кристалічні кремнієві сонячні панелі генерують достатньо енергії, щоб окупити втілену енергію протягом 2 років. Численні детальні дослідження та аналізи життєвого циклу підтверджують це. Однак багато досліджень застаріли, оскільки ефективність сонячних фотоелектричних елементів зросла з 15% до 22% (збільшення на 45%) за останні кілька років, а термін окупності оцінюється в один рік. Враховуючи, що типова сонячна панель служить понад 20 років, вона легко окупить втілену енергію багаторазово та компенсує тонни викидів.

Чи токсичні сонячні панелі?

Незважаючи на велику кількість інформації про токсичність сонячних панелей, сучасні кристалічні кремнієві сонячні панелі практично  не містять токсичних матеріалів . Твердження про токсичність сонячних панелей походять від здебільшого застарілих тонкоплівкових (телурид кадмію - CdTe) сонячних панелей, що містять слідові кількості кадмію та телуриду. Однак, якщо ці (відносно рідкісні) панелі не розбити на фрагменти, слідова кількість кадмію міститься в шарах EVA і не може вимитися.

Сучасні кристалічні кремнієві сонячні панелі містять лише сліди свинцю в припої, що використовується для з'єднань елементів. Однак використання припою також поступово відмовляється з появою нових методів компресійного з'єднання шин та струмопровідних пастоподібних матеріалів . Варто зазначити, що припій використовується в сотнях мільйонів електричних пристроїв та приладів. У побутовій електроніці, мобільних телефонах, комп'ютерах та телевізорах використовується набагато більше токсичних елементів, тому електронні відходи або електронні відходи є значною глобальною проблемою.

Приблизно 99% сонячних панелей, встановлених сьогодні у світі, є кристалічними кремніями та не містять кадмію чи телуриду. Сонячні панелі є безпечними, і навіть у разі пошкодження вони не викликають жодного забруднення, оскільки елементи інкапсульовані в дуже міцні полімерні шари та не містять легкорозчинних матеріалів. Однак, як і всі прилади, сонячні панелі потребують збору та переробки після закінчення терміну служби, що ми обговорюємо в розділі нижче.

Посилання

Детальний аналіз життєвого циклу сонячних фотоелектричних панелей та систем

• http://www.appropedia.org/LCA_of_silicon_PV_panels
• https://www.researchgate.net/publication/264672000_Life_Cycle_Analysis_LCA_of_photovoltaic_panels_A_review
• https://www.researchgate.net/publication/259609641_Energy_payback_time_and_carbon_footprint_of_commercial_photovoltaic_systems
• https://www.researchgate.net/publication/338384189_Review_on_Life_Cycle_Assessment_of_Solar_Photovoltaic_Panels

Виробництво кремнієвих пластин

• https://sinovoltaics.com/solar-basics/solar-cell-production-from-silicon-wafer-to-cell/
• https://pv-manufacturing.org/silicon-production/cz-monocrystalline-silicon-production/
• Електротехніка та технології - www.electrical4u.com

Переробка сонячних панелей

Оскільки більшість сонячних панелей, встановлених протягом останніх 20 років, досі використовуються, обсяг сонячних відходів невеликий. Однак протягом наступних 10-20 років багато систем досягнуть кінця терміну служби (EOF), і очікується дуже значне збільшення обсягу відходів, пов'язаних із сонячною енергією, які потрібно буде переробити. Переробка сонячних панелей – це галузь, що розвивається. Більшість матеріалів, таких як алюмінієві рами та системи кріплення, відносно легко переробляються. Більшість виробників сонячних панелей прагнуть бути більш сталими та тепер є частиною некомерційної організації PV Cycle – «PV CYCLE пропонує своїм членам та власникам відходів кращий доступ до повернення та забезпечує рівень переробки, що перевищує галузеві стандарти».

• У Європі французька компанія з управління відходами Veolia відкрила перший спеціалізований завод з переробки сонячних панелей на півдні Франції, який здатний відновлювати та переробляти 95% матеріалів.
• Для подальшого читання ось чудова стаття від RENEW про переробку сонячних панелей.