Первая попытка создать солнечные модули с использованием поликарбонатного герметика
Аккумулятор Challenger A12-100А
Канадские исследователи предложили солнечный модуль без ламината, в котором вместо этиленвинилацетата и стекла используется поликарбонат. По имеющимся данным, новая технология герметизации позволяет легко разбирать модуль, повторно использовать солнечные элементы и наладить местное производство с открытым исходным кодом.
Исследователи из Университета Западного Онтарио в Канаде предложили использовать поликарбонат (ПК) в качестве герметика для сборки солнечных модулей вместо этиленвинилацетата (ЭВА), который сложно удалить при переработке, не повредив хрупкие и дорогостоящие солнечные элементы.
«Это первая демонстрация конструкции солнечного модуля без ламината, с поликарбонатной оболочкой, — рассказал Джошуа М. Пирс, один из авторов исследования. — Эта конструкция позволяет разбирать и повторно использовать фотоэлектрические элементы в рамках экономики замкнутого цикла, что решает одну из самых серьезных проблем при переработке стандартных модулей с ламинированным стеклом и этиленвинилацетатом».
«Проект полностью открыт для доступа, поэтому его можно использовать для производства фотоэлектрических модулей на местах, что выгодно отличается от традиционного централизованного производства. Это снижает барьеры для изготовления и ремонта на уровне сообществ, — продолжает Пирс. — Мы успешно продемонстрировали механическую прочность, несмотря на отсутствие ламинирования. Пожалуй, самое впечатляющее — это то, что прототипы достигли уровня герметичности, эквивалентного классу защиты IP68, что удивительно для неламинированной конструкции и подтверждает возможность их использования в полевых условиях».
Ученые объяснили, что в предлагаемой конструкции солнечного модуля без ламината, с пластиковой оболочкой, листы ПК заменяют стекло, в то время как процесс, основанный на давлении и нагревании, с 3D-печатью на ПК герметизирует модуль и удерживает элементы на месте без EVA. Такой подход позволяет создавать масштабируемые, легкие фотоэлектрические модули, которые можно изготовить с помощью доступных инструментов "сделай сам", в то время как для вторичной переработки требуется только механическое отделение пластикового корпуса с последующей сортировкой материала.
Традиционный фотоэлектрический модуль из стекла (слева) и предлагаемая концепция модуля (справа)
Вместо полиизобутилена (ПИБ) и силикона, которые обычно используются в других конструкциях без ламината, было применено уплотнение, напечатанное на 3D-принтере. Оно было соединено с двумя внешними листами путем нагревания поликарбоната до температуры, близкой к температуре стеклования, и последующего давления. В уплотнении также было отверстие для проводов, а его ширина была увеличена в месте выхода проводов, чтобы излишки поликарбоната могли деформироваться при герметизации и обтекать провода, улучшая герметичность. После герметизации оставшиеся зазоры вокруг проводов были заделаны этилцианоакрилатным клеем.
Одноэлементные модули были изготовлены из монокристаллических элементов производства Sunpower.
Исследовательская группа отметила, что в обычных фотоэлектрических модулях обычно используется стекло толщиной 3–4 мм и слои этиленвинилацетата, которые вместе пропускают около 95% падающего на солнечный элемент света. Для сравнения: протестированная в ходе исследования крышка из поликарбоната показала более низкий коэффициент пропускания — 80,38%. Таким образом, за 20 лет эксплуатации одноэлементный модуль может выработать около 102 кВт·ч при использовании стеклянной крышки и всего около 86 кВт·ч при использовании крышки из поликарбоната, что приводит к потере энергии примерно в 16 кВт·ч из-за снижения светопропускания.
Однако конструкция на основе ПК позволяет легко извлекать и повторно использовать фотоэлементы и другие компоненты. Это может продлить срок службы системы более чем на 20 лет, поскольку извлеченные элементы можно отремонтировать, модернизировать или использовать в новых модулях с относительно низким дополнительным энергопотреблением. Первоначальные испытания на долговечность также показали многообещающие результаты, в том числе хорошую механическую прочность и высокую водостойкость, сравнимую с классом защиты IP68.
Согласно предварительному технико-экономическому анализу, прототип модуля может вырабатывать 2,12 Вт в условиях солнечной погоды и стоить около 3,11 доллара за ватт. Это значительно выше средней цены на модули в США, хотя разница во многом объясняется использованием материалов по розничным ценам и мелкосерийным производством.
По словам исследователей, стоимость может существенно снизиться, если поликарбонат будет производиться из переработанных материалов, а фотоэлементы будут закупаться по оптовым ценам. При таких условиях стоимость крупномасштабного производства может составить от 0,06 до 0,30 доллара за ватт, что потенциально сделает эту конструкцию конкурентоспособной по сравнению с коммерческими модулями. Распределенное производство может еще больше снизить затраты за счет сокращения транспортных расходов и организации локального производства, особенно в регионах с большим количеством переработанного пластика.
«В дальнейшем следует сосредоточиться на масштабировании конструкции до многоячеистых модулей, оптимизации светопропускания поликарбоната и использовании ударопрочных материалов за счет перехода к гибридной модели, — заключили ученые. — Также необходимы дальнейшие испытания при термоциклировании, воздействии влаги и тепла, а также длительного ультрафиолетового излучения для подтверждения долговечности».
Новая технология герметизации представлена в статье «Распределенное производство поликарбонатных солнечных фотоэлектрических модулей с открытым исходным кодом, предназначенных для разборки», опубликованной в Journal of Cleaner Production.