Barion Pixel

Villanyszerelők Lapja

Megújulók

A napelemgyártás kulisszatitkai II.

A szolár üveg és a hátlapfólia napelemteljesítményre gyakorolt hatásai

2015/12. lapszám | Boros Viktor |  3193 |

Figylem! Ez a cikk 7 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).

A napelemgyártás kulisszatitkai II.

A cikksorozat első részében mélyrehatóbban foglalkoztunk a napelemgyártás egyik kulcskérdésével, a laminálási folyamattal. A folytatásban sorra vesszük a napelem további alkotóelemeit, illetve azoknak a napelemek végső teljesítményére és tartósságára gyakorolt hatásait. A második részben valószínűleg azt várná az olvasó, hogy a napelemcellákról, mint a „legfontosabb” alkotóelemről essen szó, de csalódnunk kell, mert ezúttal a napelemek vázát alkotó szolárüveget és a hátlapfóliát fogjuk mélyrehatóbban megvizsgálni.

Az üveglap csak a napelem védelmét látja el?

A napelemeket fedő üveglapról a legtöbben csak azt feltételezik, hogy a napelemek szilárdságáért felelnek, és a külső fizikai behatásoktól, mint például a jégeső vagy a hó, védik a napelemcellákat. Ez a feltevés eddig igaz is, de ennél nagyobb szerep jut az üvegnek a napelemek teljesítményének hosszútávú alakulásában.

A szolárüveg, bár úgy néz ki, mint egy szokványos beltéri ajtóknál használatos, rücskös felületű üveglap, fizikai és kémiai összetételét tekintve jelentősen eltér azoktól. Amíg egy ablaküveg esetében a cél az, hogy az minél jobban kizárja a szobánkból a meleget (IR infravörös fénysugarak), addig a napelemeknél használatos üveg feladata, hogy minél több fényt engedjen át a napelemcellák felületére. Az ablaküvegek esetében az üveg anyagát a gyártás során elszennyezik szénnel, hogy az visszatükrözze az üveg belső szerkezetéből a melegítő hatású infra fénysugarakat. A szolár üveg esetében viszont a gyártók arra törekednek, hogy minél tisztább és nagyobb fényáteresztő képességű üveget állítsanak elő, ezért lecsökkentik az üveg vas- és széntartalmát, illetve újabban még egy AR (anti-reflection) tükröződéscsökkentő réteggel is bevonják, hogy a fény az üveglap felszínéről való visszatükröződését is a lehető legkisebbre csökkentsék.

Azt mindenki belátja, hogy minél vastagabb egy üveglap, annál nagyobb fizikai behatásoknak tud ellenállni. Aki régebben kezdett el a napelemek iránt érdeklődni, az bizonyára még emlékszik, hogy 2010-et megelőzően még 4-5 vagy akár 6 mm vastag üveggel gyártott napelemeket lehetett látni a gyártók kínálatában. Manapság viszont szinte minden gyártó 3,2 mm-es üveggel kínálja a napelemeket, sőt, már vannak gyártók, akik 2 mm-es üveggel készítik a napelemeiket (ezek általában a 2+2 mm-es üveg előlap/üveg hátfalú napelemek). Itt valószínűleg többen felhördülnek, hogy „ezek a napelemgyártók már megint kispórolják az anyagot”, és ez részben igaz is. Az előző részben már szó esett a laminálási folyamat esetében a gyártási folyamat optimalizálásáról, és itt is részben erről van szó, mivel a 4 és a 3 mm-es üveg ára között kb. 10-15%-os eltérés van, ami pénzre átszámolva kb. 1,5-2 euró megtakarítást eredményez egy 60 cellás napelem esetében, ez pedig egy 250 W-os napelemre vetítve átlagosan 0,006 euró/Wp költségcsökkentést jelent.

Arra viszont már kevesebben gondolnak, hogy egy 4 mm-es üveg kevesebb fényt tud magán átengedni, mint egy 3,2 mm vastag üveglap. Ha 100 egységnek vesszük az üveglap felületére eső fényt, akkor egy 4 mm vastag üveg esetében az üveglap belső oldalára már csak 91 egységnyi fény jut át, míg egy 3,2 mm vastag üveg esetében ez 94,5 egységet jelent. Az a fény, ami itt elvész – és amely az esetünkben energiát jelent –, az visszatükröződik az üveg felszínéről, illetve elnyelődik az üveglap belsejében, ezáltal az üveglap felmelegedik.

1. ábra: A 3,2 mm-es szolárüveg fényáteresztő képessége és egy tipikus kristályos napelemcella energiahasznosítása különböző fényhullámhosszok mellett.

2. ábra: Ha 100 egységnek vesszük az üveglap felületére eső fényt, akkor egy 3,2 mm vastag üveg esetében az üveglap belső oldalára már csak 94,5 egységnyi fény jut át. Az a fény, ami itt elvész – és amely az esetünkben energiát jelent –, az visszatükröződik az üveg felszínéről, illetve elnyelődik az üveglap belsejében, ezáltal az üveglap felmelegedik.

Ha csak ezt a mutatószámot vennénk figyelembe, akkor az 1 mm-es vagy még ettől is vékonyabb üveg volna a legideálisabb, de akkor elvesztené a napelem a szilárdságát, illetve a fizikai behatásokkal szembeni ellenálló képességét. A napelemgyártók mérnökei elvégezték a szükséges valószínűségi és szilárdsági számításokat, hogy azokon a területeken, ahol a napelemeket leginkább telepítik, melyek a leggyakoribb szél- és hóterhelések, illetve milyen valószínűséggel fordulnak elő galambtojás vagy éppen borsónyi méretű jégesők, és ezen számítások alapján jött ki, hogy a 3,2 mm-es edzett üveglap még kellő védelmet nyújt a napelemek számára.

A vékonyabb és ezáltal nagyobb fényáteresztő képességű üveg nem csak direkt módon jelent költségcsökkenést (alacsonyabb a vékonyabb üveg ára), de a többletenergia révén, ami az üveglapon átjut a napelemcellák felszínére, nagyobb teljesítményű napelemet kapunk. Ezt nem szabad összetéveszteni a napelemcellák teljesítményének a növelésével, mert az egy másik folyamat része (a cikksorozat későbbi részeiben szó lesz róla), itt a beágyazási veszteségek csökkentéséről beszélünk. Beágyazási veszteségnek nevezzük például azt a fényenergiát, ami visszatükröződik az üveg felületéről, de ilyen típusú veszteség az előző cikkben említett laminálási veszteség is, amikor az EVA fólia UV-stabilitása érdekében kiszűrnek egyes fényhullámhosszokat, amelyeket a napelemcellák hasznosítani tudnának.

Itt felmerül a kérdés, hogy milyen módon jelent további költségcsökkentést a kisebb beágyazási veszteség. A képlet viszonylag egyszerű, mégpedig azáltal, hogy akár egy teljesítményosztállyal alacsonyabb teljesítményű napelemcellák felhasználásával is elérhetjük a tervezett napelem-teljesítményt. A napelemcellákat a gyártás során teljesítményük szerint osztályozzák, és egy-egy napelemtípus azonos teljesítményosztályba tartozó napelemcellákból épül fel. A cellagyártás során képződik például 17,6%-os hatásfokú napelemcella (4,28 W) és képződik 18%-os hatásfokú is (4,38 W). Általában 0,2 százalékonként külön teljesítményosztályba sorolják a cellákat. Ha veszünk 60 db 4,28 W-os napelemcellát és azokat sorba kötjük, akkor kapunk 256,8 W összteljesítményt. Igen ám, de a beágyazási veszteségeket levonva, a kész napelemünk teljesítménye – ha a 4, illetve a 3,2 mm-es üveglap fényáteresztő képességét vesszük figyelembe – ettől jelentősen eltérő lesz (lásd a keretes írást a cikk végén).

3. ábra: Egy tipikus, strapabíró, 3 rétegű hátlapfólia. A párazárásért felelős külső PVF/Tedlar réteg, a stabilitásért és elektromos szigetelésért felelős középső PET réteg és a napelem belseje felé eső oldalon egy vékony, nagy fehérségű fluoridos bevonat, amely a fényvisszatükrözésért felel.

A szolárüveg és a tartósság

A eddigiek alapján mindenki beláthatja, hogy a szolár üveg vastagságának jelentős befolyása van a napelem teljesítményére, illetve az is kézenfekvő megállapítás, hogy az üveg vastagsága meghatározó tényező a napelem szerkezetének merevségében, illetve a környezeti hatások elleni védelmében. Továbbá láthattuk, hogy jelentős szerepet játszik az üveg a napelemek előállítási költségeinél is, ám bizonyos mértéken túl már nem lehet az üveg vastagságát csökkenteni, mert azzal gyengülne a napelemek fizikai védelme és az üveggyárak sem képesek egy bizonyos vastagság alatt kellően sík és megfelelően erős edzett üveglapot előállítani.

Ha már a vastagságon nem tudunk tovább csökkenteni, akkor a következő logikus lépésnek az üveg felületéről visszatükröződő fény menynyiségének csökkentése mutatkozik, ezáltal csökkentve az energiaveszteséget. A legegy-szerűbb és a leggyakoribb megoldás az üveg felületének textúrázása: az apró rücskös felület milliónyi prizmaként viselkedik, és az üveg belső része felé téríti el a fényt, illetve azáltal, hogy a fény nem merőlegesen éri az üveg felületét, csökken a visszatükröződés is. Léteznek egészen durván texturált szolár üvegek is, ezeket prizmatikus üvegnek hívják, de külső felületen ezt a megoldást ritkán használják, mert a barázdákban könnyen megragad a kosz.

A kettő közötti átmenetet jelentik a matt/prizmatikus üvegek, amelyek külső oldala csak enyhén texturált, míg a napelemcellák felé eső oldaluk apró piramisokból (prizmákból) épül fel. Az üveggyártók kidolgoztak olyan felületkezelő anyagokat is, amelyek csökkentik a visszatükröződést, és javítják a fény elnyelődését az üveglapon keresztül (AR anti-reflective coating – visz-szatükröződés-mentes bevonat). A felületkezelésnek két főbb eljárása létezik: az első esetben egy hengerrel viszik fel az üveglap felületére az AR réteget, míg a másik esetben vékony rétegben az üveglapra permetezik a visszatükröződés-csökkentő anyagot. Minden gyártó a saját eljárására esküszik, de a hengerelés az eddigi tapasztalatok szerint egyenletesebb réteget képez az üveg felületén, jobban bejut az AR anyag az üveglap apró pórusaiba. Az AR rétegek 2-3%-kal tudják javítani az üveg fényáteresztési/fényelnyelési képességét, ezáltal 1-1,5%-ra csökkentik a beágyazási veszteséget egy 3,2 mm-es üveglappal szerelt napelem esetében.

Azonban amennyivel az AR rétegek javítják egy napelem teljesítményét, annyira nagy kockázatot is jelentenek a tartósságukra, mivel ezen fényelnyelő rétegek az üveg külső felületére, mint egy festékréteg kerülnek felvitelre, ezáltal nem épülnek be az üveglap szerkezetébe. A napelemeket köztudottan 25-30 éves használatra tervezik, de a jelenlegi IEC szabványok szerinti laboratóriumi tesztek nem alkalmasak teljesen a 25 évnyi szabadban eltöltött időt, az időjárás viszontagságait megfelelően szimulálni. Hiába mentek át a laboratóriumi teszteken az AR bevonatos üveglapok, sok esetben 4-5 szabadban eltöltött év után a fényelnyelő rétegek megkopnak, foltosan lepattogzanak, és nemhogy javították volna a napelemek energiatermelését, de még az AR réteg nélküli napelemek teljesítményszintje alá ment a teljesítményük. Elsősorban az ázsiai gyártók szeretik használni az AR bevonatos üvegeket, mert általuk költségcsökkenést tudnak elérni (az 1 W-ra vetített költségek terén, hasonlóan a fenti 4 mm kontra 3,2 mm-es üveg matematikája), de a technológia kiforratlansága miatt egyelőre még óva intenék mindenkit ilyen termékek vásárlásától.

A napelemek általában, így a napelemeket borító üveglap sem igényel különösebb gondozást az évek során, de azért van olyan tulajdonsága az üvegnek, amiről nagyon kevesen tudnak, és némi odafigyelést igényel, hogy a napelemünk ne veszítsen a teljesítményéből az évek során. Az üveg alapvetően nem egy bomlandó anyag, nem tudja kikezdeni az UV sugárzás és a víz sem, de mégis, a víz hatására az üveg rozsdásodhat! Igen, jól hallották: rozsda! Az üvegnél kialakuló rozsdásodás abban nyilvánul meg, hogy az üveglap felszíne elfehéredik, olyanná válik, mint a tejüveg. A rozsdásodást a víz okozza, de természetesen nem kell attól tartanunk, hogy az esővíztől vagy a hótól elindul ez a folyamat: a rozsdásodás csak olyan extrém esetekben fordulhat elő, ha az üveglap tartósan vízzel érintkezik levegőmentes környezetben. Ilyen például, amikor két nedves üveglapot szorosan egymásnak szorítunk, és nem kap levegőt, de hasonló hatást válthat ki egy nagyobb falevél is, ami ráhull a vizes üveglapunkra, és ahhoz szorosan odasimul. Ilyen extrém esetekben, amikor az üveg felületéről nem tud távozni a víz (leszáradni), akkor elindul egy ozmózisfolyamat, és a víz részecskéi lassan elkezdenek az üveg felszínén lévő mikroszkopikus pórusokon át az üveg belseje felé diffundálni, és beépülni annak szerkezetébe. Ezt kiszárítani már nem lehet, ez egy visszafordíthatatlan folyamat. Amennyiben csak felszíni a rozsda, akkor azt speciális dörzsanyaggal meg lehet próbálni eltávolítani, de a napelemünk már sosem lesz a régi.

A rozsdafoltos részeken, ahol az üveg kifehéredett, kevesebb fény tud a napelemcellák felületére eljutni, ezáltal csökken a napelem teljesítménye. Ezért javallott a napelemek felszínéről (amennyiben az eső vagy hó azt nem mossa le) évente egy-két alakommal a nagyobb szennyeződéseket eltávolítani, a faleveleket lesöpörni, a madárürüléket tiszta vízzel és puha kefével lesúrolni.

4.ábra: A PET hátlapon létrejött repedések, miután UV sugárzásnak tették ki a hátlap felől. A PET hátlapon létrejött repedések, miután UV sugárzásnak tették ki az üveglapon keresztül.

A napelem sötét oldala

A hátlap a napelemek azon része, amivel az átlag felhasználók vagy a telepítők általában a legkevesebbet foglalkoznak, pedig a hátlapfóliának is fontos szerepe van abban, hogy a napelemünk 30 év múlva is megfelelően működjön. A hátlapfóliának kettős szerepe van: 1) biztosítja az elektromos szigetelést a napelem elektromos vezetői (napelemcella, elektromos kötőszalagok) és a külvilág között, és 2) biztosítja, hogy ne jusson nedvesség a napelem belsejébe, ami károsítja az EVA fóliát és a napelemcellákat is.

Az egyik legelső hátlapfóliákat az amerikai DuPont cég fejlesztette ki, elsődlegesen a repülőgépipar és a távközlési ipar számára (műholdak) és ezért a szakmából sokan a mai napig a hátlapfóliát Tedlar-nak nevezik, ami a termék márkaneve. Ez egy erős, időtálló és jól szigetelő, PVF-alapú anyag (polyvinyl fluorid), de idővel túlságosan drága lett az egyre költségérzékenyebb napelemipar számára, és így születtek meg a ma leginkább használatos, olcsóbb helyettesítő anyagok. A ma használatos hátlapfóliák többsége több vékony rétegből álló, ragasztott, szendvicsszerkezetű anyag, amelynek a fő komponense a PET (ami a műanyag ásványvizes palackok alapanyaga is). A PET egy jó elektromos szigetelő tulajdonságokkal rendelkező műanyag, de érzékeny az UV sugárzásra, és nem teljesen levegő- és párazáró. Az UV-védelmet a hátlapfólia belső (napelemcellák felé eső) oldalára ragasztott vékonyabb réteg PE (polietilén) vagy PA (poliamid) fóliával érik el, amely egyben biztosítja a kellő tapadást lamináláskor az EVA fóliához, illetve magas a refraktív indexük, és vissza tudják tükrözni a napelemcellák közötti réseken beeső fényt (2. ábra) az üveglap belső felületére, illetve onnan a napelemcellák felszínére. A hátlapfóliák külső oldalát általában módosított PA vagy néha egy vékonyabb réteg Tedlar alkotja, amely biztosítja a párazárást (3. ábra).

Léteznek 1, 2, 3 és 4 rétegű hátlapfóliák is: az egyrétegű fóliák általában drágábbak, amelyek egy lépcsőben kínálnak megoldást a párazárásra és az elektromos szigetelésre is, míg a legolcsóbb hátlapfóliák a 3 rétegű AAA vagy APA szerkezetű fóliák (AAA: poliamid/poliamid/poliamid, APA: poliamid/PET/Poliamid). Ezek a fóliák is ellátják a szigetelés és párazárás feladatát, de könynyebben sérülnek, és hajlamosabbak az öregedésre, berepedezésre, felhólyagosodásra.

Telepítéskor és a napelemek mozgatásakor nagyon ügyeljünk a hátlapfólia épségére, mert akár egy pár milliméteres sérülés is okozhatja a napelem beázását és a teljesítményének a romlását. Egy beázott napelemnek nem csak a teljesítménye romlik, de életveszélyes is lehet egy leváló hátlapfólia, mivel a napelem belsejében lévő elektromos vezetők ekkor közvetlen kapcsolatba kerülnek a környezettel, és az akár 1000 V DC rendszerfeszültség mellett érintésvédelmi kockázatot jelentenek.

Hiába építjük be egy napelembe a legjobb napelemcellákat, vesszük meg hozzá a jó minőségű EVA fóliát, ha a hátlapfólia minőségére nem ügyelünk, akkor ugyanúgy fennáll a veszélye, hogy a 4-5 éves napelemünk tönkremegy. Általánosságban elmondható, hogy az olcsó napelemek többsége egy „olcsóbb” hátlapfóliával van szerelve, ami új korában csillog-villog, de pár év után akár használhatatlanná is teheti a napelemünket.

A napelemgyártók is –0/+3%-os teljesítményosztályozással kínálják a napelemeket, így 256,8 W × 0,91 = 233,69 W elméleti teljesítményt kapnánk egy 4 mm-es üveglappal, ami csak egy 230 W-os napelemteljesítménynek felelne meg. A 3,2 mm-es üveglappal, azonos napelemcellák alkalmazásával pedig 256,8 W × 0,945 = 242,68 W elméleti teljesítményt kapunk, vagyis ugyanazt a napelemet már egy kategóriával drágábban lehet értékesíteni, illetve fordítottan, az 1 W-ra vetített gyártási költségünk alacsonyabb lett.

Természetesen a matek ennél kicsit bonyolultabb, és a valós beágyazási veszteségek polikristályos napelemek esetében 1,5-3% között mozognak egy 3,2 mm-es üveg esetében, míg egy 4 mm-es üveg esetében ez 4-5%. A monokristályos napelem esetében a hasonló beágyazási veszteség 4-5, de akár 6-7 % is lehet a 4 mm-es üveg esetében – lásd a 2. ábrát arra vonatkozólag, hogy a valós beágyazási veszteség miért kisebb, mint az üveg fényelnyelése/visszatükröződése. Ha azt vesszük, hogy a napelemgyártók a napelemcellákért euró/W árat fizetnek, akkor a számok az 1. táblázatban látható módon alakulnak. Amint lehet látni, a 3,2 mm-es üveg alkalmazásával elegendő 60 db 17,6%-os hatásfokú napelemcellát felhasználni, míg a 4 mm-es üveg esetében 18%-os hatásfokú napelemcellákat kell alkalmazni a kívánt 250 W-os napelemteljesítmény elérése érdekében. Átlagosan jelenleg 0,29 euró/W a polikristályos napelemcellák ára, ebből pedig kiszámolható a valós megtakarítás:

  • 4,28 Wp × 60 db × 0,29 euró/Wp = 74,47 euró/250 W –> 0,298 euró/Wp cellaköltség.
  • 4,38 Wp × 60 db × 0,29 euró/Wp = 76,21 euró/250 W –> 0.305 euró/Wp cellaköltség.

Amennyiben az itt megtakarított 0,007 euró/Wp-hez hozzáadjuk azt, amivel a 3,2 mm-es üveg olcsóbb, akkor már 0,013 euró/Wp a teljes megtakarításunk. A teljes napelem szintjén ez már 2,5% költségcsökkentésnek felel meg.

1. táblázat: 250 W-os, 60 cellás polikrsitályos napelem előállítása –0/+3%-os teljesítménytoleranciával

Napelemteljesítmény 17,6%-os napelemcella (4,28 W/db) 18%-os napelemcella(4,38 W/db)
4 mm-es üveg/4% veszteség 246,5 W 252,3 W
3 mm-es üveg/2% veszteség 251,6 W 257,5 W

A cikksorozat következő részében eljutunk a napelemcellák gyártásához, és megismerkedünk az egyes napelemcella-típusokkal.

NapelemNapenergia

Kapcsolódó