התפקיד הגדל של פאנלים סולאריים גמישים באנרגיה מתחדשת

לוחות סולאריים גמישים הפכו לחדשנות מפתח בתחום האנרגיה המתחדשת, המציעים חלופות קלות משקל, נדידות וניידות לפאנלים קשיחים מסורתיים.היכולת שלהם להתאים משטחים מעוקלים ומשקל מופחת שלהם להפוך אותם אידיאליים עבור יישומים החל תרמילים ו ציוד קמפינג לבניית תצלומים ספציפיים (BI) ומערכות חלל.

מאמר זה בוחן את חומרי הליבה המשמשים לוחות סולאריים גמישים: תאים פוטו-וולטאיים (PV) הממירים את השמש לחשמל, את המצע המספק תמיכה מכנית, את הcapsulant שמגן על התאים מהסביבה, ואת השכבות החיצוניות המגנות.We גם לחקור את הגורמים הקריטיים המשפיעים על בחירה חומרית, חידושים מתעוררים בתחום, והדרכה מעשית לבחירת השילוב הנכון עבור שילוב שלך.

הבנה של אדריכלות סולארית גמישה

פאנל סולארי גמיש הוא מבנה רב שכבתי.בבניה טיפוסית, השכבות מסודרים כדלקמן: גיליון חזית מגן חיצוני (לעתים קרובות פולימר שקוף עם התנגדות UV), שכבת מכבש מעל לתאי PV, תאים PV עצמם (טכנולוגיית הסרט הנפוץ ביותר), שכבה שנייה של מכבשים מתחת לתאי, ולבסוף חומר גמיש המספק גם אותנטיות מכנית או ציפויים נוספים עבור סוללות מכניות או אפילו.

הבחירה של חומר לכל שכבה משפיעה ישירות על גמישות, יעילותו, התנהגות תרמית, והתנגדות ללחץ סביבתי כגון לחות, רכיבה על אופניים טמפרטורה וחשיפה אולטרה סגולה (UV) להלן אנו שוברים את קטגוריות החומריות המרכזיות.

Photovoltaic Cell Technologies for Flex Panels

בניגוד ללוחות קשיחים המשתמשים בסיליקון גבישי עבה, לוחות גמישים מסתמכים על טכנולוגיות PV דק-סרט שניתן להפקיד על תת-שכבות גמישות.שלוש הטכנולוגיות הדקות מבוססות ביותר הן סיליקון זוהר (a-Si), קדמיום מספרד (CdTe), ו- Indium Gallium Sallenide (CI).

Amorphous Silicon (A-Si)

סיליקון אמורפי הוא הטכנולוגיה הוותיקה ביותר של סרטי דיפל המשמשים לוחות גמישים.הוא מופקד כשכבה דקה של סיליקון לא קריסטלליין על תת-קרקעית כגון סולל פולימר או נירוסטה. תאים Si הם קלים ויכולים להיות גמישים, אבל יעילותם היא נמוכה יחסית - 68% עבור מודולים מסחריים.

קדימיום Telluride (CdTe)

CdTe הוא שבב ישיר פסגהp כי משיג יעילות גבוהה יותר מאשר A-Si - באופן כללי 9-12% עבור מודולים מסחריים ועד 22% בתאי מעבדה. CdTe סולרי יש תכונות ספיגה מצוינות, המאפשר שכבת שירות מאוד רזה מאוד פעיל (כמה מיקרומטרים) הם מבצעים היטב באור נמוך ותנאים עתירי זמן גבוהים.

קוטב Indium Gallium Selenide (CIGS)

CIGS נחשבת לטכנולוגיה רבת-סרטנית המובילה עבור לוחות סולאריים גמישים בשל היעילות הגבוהה שלה וגמישות מעולה. מודולים CIGS המסחרי להשיג יעילות של 12-16%, ותאים מחקר עלו על 23%. שכבת הסינוקס סופגנית ניתן להפקיד על תת-שכבות גמישות כגון סרט פולימידי, נירוסטה מפלה, או פולימרים מצופים, וכתוצאה מכך לוחות שניתן לכופף כדי לרדי חזק יותר מאשר סוללות CT סטנדרטיות, לעומת זאת, יעילות גבוהה יותר מאשר סוללות.

טכנולוגיות מתפתחות: Photovoltaics אורגני Perovskites

תאים פוטו-וולטאיים אורגניים (OPV) משתמשים בפולימרים מוליכים או מולקולות אורגניות קטנות כמו השכבה הפעילה. הם קלים מאוד, גמישים מאוד, וניתן לייצר באמצעות טכניקות הדפסה.יעילות הנוכחית היא סביב 10-12% לתאי מעבדה ונמוך יותר עבור מודולים, אבל OPV מציעה את ההבטחה של לוחות הנדסיים נמוכים מאוד, מותאם אישית שניתן לשלבם לתוך בגדים או אריזה.

חומרים גמישים: הגבורה הגמישות

המצע נותן לפאנל את התמיכה המכנית שלו וקובע הרבה גמישות ומשקל שלה.המצע האידיאלי הוא דק, קל משקל, גמיש, יציב מבחינה תרמית במהלך הייצור, עמיד לחות וכימיקלים.חומרים נפוצים כוללים סרטים פולימרים, זכוכית גמישה, וסולורי מתכת.

סרטים פולימר

סרטי פולימר הם תת-שכבות בשימוש נרחב ביותר עבור לוחות סולאריים גמישים בגלל העלות הנמוכה שלהם, משקל קל, וגמישות גבוהה.

  • (FLT:0) פּוֹליאתלין Terephthalate (PET): FLT:1 PET הוא סרט זול, שקוף המציע גמישות נאותה והתנגדות כימית.זה משמש יישומים בעלי עוצמה נמוכה כגון לוחות-Si וכמה עיצובים OPV. עם זאת, PET יש יציבות תרמית מוגבלת (שימוש זמני מתחת 120 מעלות צלזיוס) והתנגדות בינונית, אשר עלול להשפיע על עמידות לטווח ארוך.
  • (FLT:0) פּוֹליאת'ילן נָאפְּטַטְטְטַט (PENOVA): פֶּן פְּטַהְטַה (PENVER): פְּטַהִילְטְטַהִילְטִילָה: פֶּן פֶּטַטְטְטְטְטְטְטַהִילְטְטְטְטְטְטְטַטַן: טוֹבְטְטְטַהִילְטְטְטְטְטְטְטְטְטְטְטְטַהִילְטְטְטְטְטַהִילַהִילַהִילַהִילַהִילַהִילַהִילַהַהִילַהִילְטַהִילַהִילַהִילְטַהִדַהִלַהִילַהַהַהִדַהַהַהַהַהִילְטְט
  • (FLT:0) פולימיידיד (PI): FLT:1 סרטים פולימידיים, כגון קפטון, ידועים יציבות תרמית יוצאת דופן (עד 400 מעלות צלזיוס) ונכסים מכניים מצוינים.הם משמשים לעתים קרובות לוחות CIGS ביצועים גבוהים שבו טמפרטורות פוזיציה גבוהים. פולימידיד הוא יקר יותר מאשר PET או PEN אבל מציע עמידות רחבה יותר וטווח הפעלה על פוליסטריד יכול לעמוד על משטחים עמידים.
  • (FLT:0) פוליטרה-פלוראורוטירן (PTFE) וסרטים אחרים: FLT:1 אלה סרטים מציעים עמידות כימית גבוהה ואנרגיה על פני השטח הנמוך, מה שהופך אותם שימושיים עבור יישומים מיוחדים הדורשים משטחים לא מקל או מנקה עצמית.

זכוכית גמישה

זכוכית גמישה, המיוצר על ידי דקת זכוכית קונבנציונלית <100 מיקרומטר, משלבת את השקיפות, התנגדות שריטה, ותכונות מחסום של זכוכית עם תואר של נדריות. קורנינג ווילו זכוכית ו זכוכית אולטרה סגולה הם דוגמאות. מצע זכוכית גמיש מציע יציבות תרמית גבוהה יותר מאשר פולימרים ולספק לחות מצוינים וביצועי מחסום חמצן. הם משמשים כמה לוחות פרמיות שבו יעילות עמידות ויעילות הם לפני כן, אבל זה יכול להיות גמיש יותר מאשר עם מלחים יותר מאשר עם מלחים מסוימים.

Metal Foils

מפלדה טיטניום משמשים כ substrates עבור תהליכים עתירי עתירי פילים דקים (למשל, CIGS ו-Si) מסולוקי מתכת הם קשים, לנהל חום וחשמל, ויכול להיות דק מאוד (בעד 25 מיקרומטר) הם מציעים עמידות מכנית מעולה ויכולים להיות מעובד בטמפרטורות גבוהות.

Encapsulants and Protective Layers

Encapsulants לשמש כמו adhesive ומגן ממטריקס המקיף את תאי PV, בידוד אותם לחות, חמצן, ו הלחץ מכני.הגליון הקדמי (שכבת העליון) חייב להיות שקוף מאוד כדי לאפשר שידור אור, בעוד גליון האחורי (אם בנפרד) יכול להיות ⁇ . חומרים אנפסול חייב להישאר גמיש לאחר הנשיקה, דבק תאים ו substrates, ומתנגד לפירוק UV תרמי.

Ethylene Vinyl Acetate (EVA)

EVA הוא המרוויח הנפוץ ביותר בתעשיית השמש, בשימוש נרחב הן לוחות נוקשים וגמישים.זה קומפוזימר שהופכ להיות מחובר במהלך תהליך ההלמנטציה, יצירת קשר יציב, שקוף. EVA מציעה דבקות טובה, עלות נמוכה, והתנגדות UV מקובלת כאשר הוא מנסח כראוי. עבור לוחות גמישים, EVA יכול לשמש כמו encapscapsulant על שני תאים מייצבים, אבל עשוי להיות משופרים עם UVA יכול להיות משופרים על פני ייצוב גבוה.

Thermoplastic Polyolefin (TPO) ופוליוולף Elastomers (POE)

חומרים המבוססים על פוליאולפין, הם צוברים פופולריות כי הם מספקים תכונות מחסום לחות טובות יותר והתנגדות UV גבוהה יותר מאשר EVA. הם פחות נוטים צהובה ואינם משחררים חומצה אצטית (כפי EVA יכול). POE מתאים במיוחד עבור לוחות גמישים כי יהיה חשופים לתנאי חוצות קשים. TPO הוא אופציה נוספת המציעה הטבות דומות יכול לשמש בבנייה קלים, גמישים.

סיליקון וגליונות Frontsheets

עבור לוחות גמישים ביצועים גבוהים, סיליקון משמשים כמו encapsulants בשל יציבות UV יוצאת דופן שלהם, גמישות בטמפרטורות נמוכות, ושקיפות גבוהה. סיליקון encapsulants הם יקרים יותר מאשר EVA או POE אבל הם לעתים קרובות מועסקים באווירה ומוצרים של BIPV. Fluoropolymer הקדמיות (למשל, ET -eth teoefluotrair) לספק תכונות הגנה גבוהה מאוד.

מצעים ל-Clock Coatings and backsheets

לוחות גמישים דורשים לחות יעילה ושכבות מחסום חמצן כדי למנוע השפלה - במיוחד עבור טכנולוגיות רגישות כמו perovskite או תאים אורגניים.סרטי מחסום טראנס-הורי, לעתים קרובות על בסיס שכבות מרובות של חומרים אורגניים ולא אורגניים (כגון סיליקון oxide או oxide מופקד על פולימרים), יכול להשיג גבוה מאוד מים פנויים שיעורי שידור. Backsheets עבור לוחות גמישים עשויים להיות עשוי מסרטים, פולימיד, או מתכת, או הגנה פוליאוסטרית, לספק נזק מכני נוסף נגד לחות מכנית.

מפתחי מפתח בבחירת חומרים לפאנלים סולאריים גמישים

בעת תכנון או בחירת פאנל סולארי גמיש, כמה גורמים הקשורים להנחיות בחירות חומריות.עדיפות של כל גורם תלויה ביישום המיועד.

גמישות ו-Beling Radius

הרדיוס המינימלי המתנשא - כמה חזק ניתן לכווץ את הלוח ללא תאים סדקים או דלמנטום - הוא ממריץ העיקרי. ⁇ -film PV תאים שהופקדו על תת-שכבות פולימר יכול להיות מעוופף כדי לרדינר קטן כמו 5-10 מ"מ, בעוד לוחות על זכוכית גמישה או סולדות מתכת יש רדיוני מינימלי גדול יותר.

המונחים: Efficiency

יעילות גבוהה יותר פירושה יותר כוח ליחידה שטח. CIGS ו- CdTe מציעים את היעילות הטובה ביותר בין טכנולוגיות פילים רזה בוגר, בעוד A-Si הוא נמוך יותר. Perovskites להבטיח יעילות גבוהה אבל עדיין מתפתח.הבחירה של טכנולוגיית תאים PV משפיעה ישירות על האזור הדרוש כדי להשיג פלט חשמל מסוים, אשר משפיע על עיצוב ועלות.

יציבות וחיים

לוחות גמישים משמשים לעתים קרובות בסביבות ניידות או חשופים, כך התנגדות לקרינת UV, רכיבה על טמפרטורה, לחות, ולחץ מכני הוא קריטי.חומרים עם יציבות UV גבוהה (למשל, פולימיידיד תת-סטריטים, גליונות הקדמיים פלואופוליים, סיליקון encapsulants) להאריך את החיים התפעוליים.

עלויות וייצור סקלאלה

עלויות חומריות משפיעות באופן משמעותי על מחיר הפאנל הסופי. לוחות תת-קרקעיים ו- PET הם הזולים אך יעילים ביותר. CIGS על פוליimide הוא יקר יותר, אך מציע ביצועים טובים יותר.OPV ופאנלים perovskite יש פוטנציאל בעלות נמוכה מאוד באמצעות הדפסה רול-to-roll, אבל הם כיום lag ביציבות. עבור ייצור בקנה מידה גדול, היכולת להפקיד תאים על גדול-aare גמישים באמצעות תהליכים תת-ת רציף (to-to-roll) או מצופה.

משקל ויציבות

אחד היתרונות העיקריים של לוחות גמישים הוא משקל נמוך שלהם. פאנל גמיש טיפוסי על פולימר סטראט שוקל בערך 0.3-0.5 ק"ג / m2, בהשוואה 1-2 ק"ג / m2 עבור לוחות קשיחים.עבור קמפינג, תרמילאים, או יישומי מזל"טים, כל חומר דקדוק. בחירה מצע הוא הנהג הגדול ביותר: פולימרים הם אור, סולמות מתכת הם כבד יותר, גמיש זכוכית אבל יכול להיות מאוד ביניים.

טמפרטורה ביצועים

תאים דק-סרט בדרך כלל יש חסכוני טמפרטורה נמוכה יותר מאשר סיליקון גבישי, כלומר הם מאבדים פחות יעילות כמו הטמפרטורה עולה.לדוגמה, A-Si ו- CIGS יש חסכוני טמפרטורה סביב -0.2 עד -0.3% / C, בעוד סיליקון גבישי הוא בערך -0.4% / C. זה הופך לוחות גמישים יתרון באקלים חם או על פני משטחים כי חום, כמו גגות, אבל, במיוחד, יכול להיות מכווץ גבוה, במיוחד חומרים טמפרטורות גבוהות (טמפרטורות).

אור חסר אור והתנהגות

לוחות גמישים לעתים קרובות פרוסים בתנאי תאורה לא-אידאלי - על תרמיל מזווית השמש, תחת צל חלקי, או בתוךים. CdTe ו- CIGS לבצע טוב יותר באור נמוך מאשר סיליקון גבישי בשל ה-Sgap הישיר שלהם תגובה ספקטרלית טובה. a-Si גם מבצע טוב באור דיפרזה.

חומרים חדשניים ומגמות עתידיות

מחקר לחומרים מתקדמים דוחף ללא הרף את הגבולות של ביצועי פאנל סולאריים גמישים.יש התפתחויות ראויות:

  • (FLT:0Graphene וננוtube פחמן: irFLT:1 חומרים אלה נחקרים כמו אלקטרודות מוליכים שקוף להחליף תחמוצת טין נתרן (ITO), אשר הוא שברירי ויקר. Graphene מציע מוליכות גבוהה, גמישות ושקיפות, מה שהופך אותו אידיאלי עבור מגעים חזיתיים גמישים.
  • (FLT:0)Quantum dot סולרי:FreaLT:1 , ננוקריסטלים של מוליכים למחצה (למשל, sulfide מוביל) ניתן לכוונון אורכי גל שונים, המאפשר תאים גמישים רב-צומת עם יעילות גבוהה יותר.
  • (FLT:0) ⁇ עם שכבת אטומית (ALD): ULFRELT:1 LD יכול להפקיד אולטרה-תאין, שכבות ללא הפסקה של תחמוצת מתכת (למשל, אל2O3) על תת-שכבות פולימר, מתן תכונות מכשול יוצא דופן נגד לחות וחמצן.זה מאפשר שימוש בחומרים רגישים כמו perovskites במודולים גמישים.
  • (FLT:0)Biodegradable substrates: ibLT:1 ; עבור יישומים חד פעמיים או קצרים, החוקרים מפתחים תת-שכבות גמישות nanocrystals או חומצה פולילאקטית (PLA).
  • (ב) ⁇ 0) ⁇ ⁇ :0) חומרים שיכולים לתקן מיקרו-קפצים לאחר מתח מכני מפותחים כדי להאריך את חיי לוחות גמישים בסביבות עתירה גבוהה.

מוסדות מחקר חיצוניים כמו המעבדה הלאומית לאנרגיה מתחדשת (NREL) והמכון לחקר האנרגיה הסולארית (ISE) נמצאים בחזית ההחידושים הללו.FLT:0NREL's photovoltaic Program (FLT:1) מספקים נתונים נרחבים על טכנולוגיות פיל-סרט דק.

בחירת חומרים ליישום ספציפי

השילוב החומרי האופטימלי משתנה באופן נרחב על ידי שימוש במקרה. להלן הם תרחישים טיפוסיים ופרופילים חומריים המומלצים.

אלקטרוניקה וקמפינג

עבור מטען נייד קליל, עלות ומשקל הם ראשיים.שילוב של תאים a-Si על מצע PET, מלוטש עם EVA, וחזית עם סרט פולימרים פשוט UV עמיד UV מספיק. Efficiency הוא משני כדי להרשות לעצמוה וכדאיות גבוהה יותר. עבור נסיעות ארוכות יותר שבו בעיות כוח, CIGS על פולימדיד עם FE מציעה יעילות גבוהה יותר, אבל דומה עלות נמוכה יותר.

תצלומים משולבים (BIPV)

BIPV דורש לוחות שמתאימים לאסתטיקה של גגות או חזיתות תוך מתן יעילות הגון ותוחלת חיים של 20-30 שנים. תת-קרקעית זכוכית גמישה עם CdTe או תאי CIGS נבחרים לעתים קרובות עבור עמידותם והופעתם המדה. Encapsulation עם POE או סיליקון וגליון חזית של ETFE או זכוכית גמישה מבטיח עמידות מזג אוויר ארוך טווח.

כלי רכב אוויריים ואוויריים בלתי מאוישים (UAVs)

בחלל או יישומים גבוהים, עמידות במשקל וקרינה הם קריטיים. פולימידיד substrates עם תאי CIGS ו סיליקון encapsulation הם נפוצים. מסול מתכת substrates יכול לשמש גם עבור הפחתת חום מוגברת.הגליון הקדמי חייב להיות שקיפות גבוהה ל-UV ומינימום החוצה גזים. Efficiency הוא כפול כי כל וואט של כוח מופחתת סוללות.

יישומים חשמליים וחיל הנחתים

לוחות סולאריים המשולבים בכלי רכב (למשל, על גגות רכב או סיפון סירה) חייבים לעמוד בתנודות, טמפרטורה קיצונית וחשיפה UV. מצעים כגון נירוסטה פלדה או זכוכית גמישה לספק עוצמה. Encapsulation עם סיליקון או UV-stable POE וגליון חזית של ET או חומרים היברידיים חזקים עוזר לשרוד או debris.

טכנולוגיה לובשת

עבור שעונים חכמים, עוקבים כושר, או בגדים חכמים, גמישות ומשקל נמוך הם לא ניתן להשגה.הפאנל חייב להיות מאוד בר צניעות, אולי לשטוף. אורגני photovoltaics על תת-קרקעי דק, עם סיליקון דק וציפוי טקסטיל מגן, מפותחים.

מסקנה

בחירת החומרים הטובים ביותר עבור לוחות סולאריים גמישים דורש איזון ביצועים חשמליים, התנהגות מכנית, התנגדות סביבתית, ועלות. טכנולוגיות PV דק-סרט - A-Si, CdTe ו- CIGS - כל אחד מציע שינויים נפרדים, עם CIGS כיום מוביל ביעילות וגמישות. מצע כמו פוליimide וזכוכית גמישה מאפשר עיבוד עתירי חיים ארוכים, בעוד PET ולהפחית את העלות של סיליקון הם תנאים קריטיים עבור סיליקון; סיליקון הם דורשים הגנה מפנים יעיל יותר.

ככל שהשוק הגמי של PV מתרחב, חומרים מתעוררים כגון perovskites, מעבדי למחצה אורגניים, ציפויי מחסום מתקדמים ימשיכו להרחיב עוד יותר את חלל העיצוב.מהנדסים ומעצבי המוצר צריכים להעריך את הדרישות הספציפיות של היישום שלהם - רדיוס מתנשא, חיים צפויים, תקציב משקל וחשיפה סביבתית - ולבחור ערימה חומרית העומדת בצרכים אלה ללא גירוי יתר.