ГИБКИЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ

Изобретение относится к области солнечной энергетики, в частности к гибким фотоэлектрическим модулям, которые, помимо основной функции - генерации фототоэлектричества, могут быть дополнительно использованы в качестве элементов промышленного и строительного дизайна, подвергающихся упругой деформации в продольном и/или поперечном направлении - кручению или изгибу.

К таким конструктивным элементам, в частности, могут относиться:

- быстроразвертываемые переносные системы энергообеспечения при аварийно-спасательных и восстановительных работах;

- располагаемые на крышах автомобилей или вагонов поездов системы дополнительного энергообеспечения;

- модули, служащие крышами обособленных объектов - остановок автотранспорта, информационных табло, телефонных будок и пр., и одновременно обеспечивающие автономное электрообеспечение объекта;

- модули в виде эластичных кровельных материалов и плит, а также ненесущих стен-перегородок для фасадных работ.

Для применения фотоэлектрических модулей в таком качестве необходимо обеспечить, с одной стороны, достаточную гибкость конструкции (для того, чтобы вписаться в общий конструктивный дизайн), с другой стороны, необходимо обеспечить достаточную жесткость конструкции, способной сопротивляться распределенным ветровым или сосредоточенным нагрузкам, приложенным к фотоэлектрическому модулю: например, удар ледяных градин или случайное надавливание рукой. 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%.

Простота и невысокая стоимость производства делает модули из аморфного кремния востребованными в самых широких сферах человеческой деятельности, однако их КПД составляет 8÷11%, что существенно ниже, чем КПД для модулей на основе монокристаллического кремния, который достигает 30%.

К тому же модули из аморфного кремния менее долговечны из-за значительной деградации электрофизических свойств аморфного кремния при длительном воздействии солнечного света.

Известен также гибкий фотоэлектрический модуль, предусматривающий размещение на поверхности гибкой сетчатой мембраны рамы из солнечных элементов, коммутированных между собой с помощью металлических шин и покрытых с лицевой и тыльной сторон защитными стеклянными пластинами [2].

К недостаткам данной конструкции следует отнести невозможность обеспечения регулярности деформируемой плоскости модуля, деформируется лишь сетчатая мембрана, тогда как каждый из входящих в состав модуля солнечных элементов деформации не подвергается: изменяется лишь пространственное расположение элементов относительно друг друга.

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 [3].

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 пропитанные веществом (или содержащие такое вещество) с низким коэффициентом поглощения и рассеивания света [4].

Максимальная компенсация упругой деформации плоскости фотоэлектрического гибкого модуля за счет введенной в его конструкцию сетки и из прозрачных высокопрочных нитей обеспечивается при расположении нитей параллельно плоскости фотоэлектрического гибкого модуля.

Если высокопрочные искусственные нити сориентировать в направлении вектора внутреннего напряжения предполагаемого изгиба фотоэлектрического гибкого модуля, то тем самым можно дополнительно повысить устойчивость фотоэлектрического гибкого модуля к деформирующим напряжениям, возникающим при конкретных условиях его эксплуатации.

В случах, когда гибкий фотоэлектрический модуль предполагается эксплуатировать в виде изогнутой в продольном и поперечном направлении упругодеформированной конструкции (при размещении его на сложнопрофилированных поверхностях, таких как на бампер автомобиля, элементы такелажа катеров или яхт и т.п.), 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.

Одним из вариантов конструкции сетки из высокопрочных искусственных нитей, пропитанных веществом с низким коэффициентом поглощения и рассеивания света, является сетка, в которой в качестве искусственных нитей используются нити из вещества с низким коэффициентом поглощения и рассеивания света.

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. При этом радиус максимально возможной кривизны под действием изгибающих напряжений, при которых еще не происходит разрушение кремниевых солнечных элементов, составляет ~25÷30 см.

Указанный гибкий фотоэлектрический модуль 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 упругой деформации плоскости гибкого модуля одновременно в нескольких направлениях без механического разрушения солнечных элементов модуля.

Задачей изобретения является повышение надежности модуля за счет обеспечения обратимой (упругой) деформации плоскости фотоэлектрического модуля одновременно в двух и более направлениях.

Это достигается за счет того, что в гибком фотоэлектрическом модуле, представляющем собой последовательно расположенные нижнюю несущую пленку, нижний армирующий слой, нижнюю скрепляющую пленку, электрически соединенные между собой солнечные элементы, верхнюю скрепляющую пленку, верхний армирующий слой и верхнюю несущую пленку, причем нижние и верхние несущие и скрепляющие пленки выполнены из прозрачного для солнечного света материала, в качестве армирующих слоев используют слои сфероидных элементов из прозрачного для солнечного света материала, и покрытых слоем антиадгезивного материала.

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 - сфероидные элементы верхнего и нижнего армирующих слоев соответственно;

4 - солнечные элементы.

В качестве сфероидных элементов армирующих слоев используют шары, эллипсоиды вращения, сфероиды (приплюснутые шары), полусферы.

Сфероидные элементы выполнены из прозрачного для солнечного света материала, например, оптического стекла, и обработаны антиадгезивным составом, например, силиконовым антиадгезивом.

В процессе последующего процесса ламинирования происходит сцепление несущей и скрепляющей пленок друг с другом, а сфероидные элементы оказываются зафиксированными на границе этих пленок.

За счет антиадгезивных свойств поверхности сфероидных элементов 3 и 5 они оказываются не жестко прикрепленными к поверхностям пленок 6 и 7, тогда как вне областей расположения сфероидных элементов пленки 6 и 7 оказываются надежно скрепленными.

После сцепления в ламинаторе несущей и скрепляющей пленок, между которыми находятся обработанные антиадгезивным составом сфероидные элементы, с обеих сторон солнечных элементов оказываются сформированными армирующие слои, содержащие множество компенсационных микрообъемов: сфероидных элементов, расположенных в полостях между скрепляющей и несущей пленками и имеющих ограниченную подвижность в этих полостях.

Поскольку сфероидные элементы в армирующих слоях расположены в произвольном порядке, то образованные ими компенсационные микрообъемы обеспечивают компенсацию прикладываемых к модулю деформирующих усилий в любом направлении.

Таким образом, сфероидные элементы выполняют функцию демпферов упругой деформации в любом направлении плоскости модуля. В этом случае обеспечивается оптимальная компенсация упругой деформации плоскости фотоэлектрического гибкого модуля за счет введенной в его конструкцию обладающих ограниченной подвижностью армирующих элементов.

Размер сфероидных элементов не должен быть более толщины используемой скрепляющей пленки, чтобы при последующем ламинировании не произошел выход элементов за пределы скрепляющей пленки (во избежание возможного неконтролируемого контакта их с цепочкой солнечных элементов). Поскольку типичные толщины пленок «ЭВА», используемых в технологии изготовления солнечных модулей, не превышают 1000 мкм, то и максимальный габаритный размер армирующих элементов ограничивается этой величиной. Минимальный размер армирующих элементов не должен быть менее 500 мкм, т.к. при меньших размерах модуль будет иметь недостаточную жесткость, и при больших изгибающих напряжениях может иметь место механическое повреждение солнечных элементов (растрескивание, появление сколов, отслоение токоведуших полос и т.п.).

В известных науке и технике решениях аналогичной задачи не обнаружено использование в гибких фотоэлектрических модулях в качестве армирующего слоя дополнительно введенных армирующих элементов сфероидной формы из прозрачного для солнечного света материала, покрытых слоем антиадгезивного материала.

Конкретная реализация предлагаемой конструкции гибкого фотоэлектрического модуля с использованием армирующих слоев из сфероидных элементов в виде шариков из оптического стекла КУ-1 осуществляется следующим образом.

На монтажном столе раскладывается первая несущая пленка (прозрачная этилен-тетрафлюроэтиленовая пленка «TEFZEL» заданной площади). На нее сверху укладывается третий армирующий слой из сфероидных элементов (шариков диаметром 500-600 мкм из оптического кварцевого стекла марки КУ-1, покрытых антиадгезивным слоем «SYL-OFF» фирмы «Dow Coming»). Сверху этого слоя шариков 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»), пятый армирующий слой из покрытых антиадгезивным слоем шариков диаметром 600-800 мкм из оптического стекла КУ-1 и седьмую несущую пленку (пленку «TEFZEL»). Приготовленная слоистая заготовка помещается в ламинатор, где происходит формирование фотоэлектрического модуля при температуре ~150°C в течение 20 мин.

Сформированный таким образом фотоэлектрический гибкий модуль может быть подвергнут упругой деформации как в продольном, так и в поперечном направлении одновременно, при этом возможный радиус кривизны модуля примерно равен соответственно длине или ширине фотоэлектрического гибкого модуля.

Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемой конструкции, заключается в обеспечении упругой деформации плоскости фотоэлектрического гибкого модуля одновременно в двух и более направлениях.

Источники информации

1. Патент РФ №2190901 от 24 сентября 1997 г.

2. Патент РФ №2234166 от 21 апреля 2003 г.

3. Заявка на патент США №20100101627 от 29 апреля 2010 г.

4. Патент РФ №2416056 от 17 декабря 2009 г. - прототип.