Barion Pixel

Villanyszerelők Lapja

Megújulók

A napelemgyártás kulisszatitkai I.

Minden napelem egyforma?

2015/11. lapszám | Boros Viktor |  5003 |

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 I.

Azok, akik napelemes rendszer beszerzésén törik a fejüket, az egyes napelemgyártók műszaki adatlapjait bújva rendszerint azzal szembesülnek, hogy két összehasonlított napelem a katalógusadatok alapján szinte minden részletében megegyezik. 250 Wp névleges teljesítmény, pozitív teljesítménytolerancia, 1640x990x40 mm befogadó méretek, 18,5 kg súly stb. Mi több, még a marketingszövegek is szinte betűre azonosak: 12 év általános garancia, 25 év lineáris teljesítménygarancia, piacvezető gyártó, legkorszerűbb üzem, évi sok száz megawatt termelési kapacitás, és még sorolhatnánk.

Ha csak ezen paraméterek alapján kellene meghozni a döntésünket, nagyon nehéz helyzetben lennénk, de „szerencsére” az ügyfelek többsége a jól bevált módszer szerint választ: „válasszuk azt, amelyik a legolcsóbb, hiszen mindegyik napelem ugyanazt tudja”. Ha mégsem az ár alapján születik a döntés, akkor általában a kereskedő személyébe vetett bizalom inspirálja azt. Ezek a módszerek tökéletesen alkalmasak arra, hogy a 25-30 évre tervezett beruházásunk megtérülését komoly veszélybe sodorjuk.

De hogyan is hozhatnánk megalapozott döntéseket mélyrehatóbb műszaki ismeretek nélkül? Jelen cikksorozat abban próbál segíteni, hogy megértsük a napelemgyártás technológiai folyamatát, és azt, hogy az egyes alkatrészek milyen módon befolyásolják a napelemek teljesítményét és tartósságát.

Egy napelemen belüli gel-content értékek egy hibás napelemnél. Az értékek 52%-tól 97%-ig szóródnak. Ennek a napelemnek a szendvicsszerkezete pár éven belül szét fog válni, de az EVA fólia besárgulása és a napelem teljesítményvesztése is szinte garantált.

Felejtsük el, amit eddig tudtunk a napelemekről!

Legtöbben csak a napelem hatásfokát mutató számokat vizsgálják, pedig az nem több, mint egy mutatószám, ami az 1 m²-re jutó fényenergiából a napelem által hasznosított energia mennyiségét mutatja meg. Ennyit és nem többet. Ha analógiát szeretnék keresni az autóiparban, akkor lehet, hogy az egyik autó csak 1 litert fogyaszt 100 km-en, amíg a másik 5 litert, de az első csak 20 km/h végsebességre képes, így hiába jobb a mutatószám, mégis a másik autót választanánk. Egy 1 m²-es, 100 W-os napelem éppúgy lehet jó, mint egy azonos felszínű, 200 W-os napelem. Már hallom is, ahogy mindenki felhördül, hogy „de akkor több terület kell azonos teljesítményű napelemes rendszer megvalósításához, több tartósín, több kábel stb.", és amennyiben a bekerülési költség oldaláról vizsgáljuk a napelemes rendszerünket, ebben mindenkinek teljesen igaza is van. Ettől eltekintve egy 200 vagy 100 W-os napelem lehet ugyanolyan jó minőségű, vagy éppen a kisebb lehet akár jobb is. Egyszóval tegyük félre az eddigi ismereteinket, és próbáljunk a következőkben elmerülni a műszaki részletkérdésekben.

Egy besárgult napelem. Az UV-fény hatására az EVA fólia elöregedett, ennek hatására megsárgult, ezáltal kevesebb fényt tud átereszteni a napelemcellák felületére, ami teljesítményvesztéssel jár.

Egy napelem főbb alkotóelemei: üveg, napelemcellák, a napelemcellákat összekötő réz szalagkábelek, lamináló fólia, hátlapfólia, tartókeret és az elektromos kötődoboz. Gondolhatnánk, hogy ebből a legfontosabb a napelemcella, de az üveg vagy a lamináló fólia legalább annyira meghatározó elemek a napelem teljesítményében és tartósságában. Valószínűleg mindenki a napelemcellák elemzésével és bemutatásával kezdené, de úgy gondolom, hogy elsőre sokkal jobb választás a lamináló fólia és a laminálási folyamat bemutatása, mivel ennek a technológiai folyamatnak van az egyik legnagyobb szerepe a tartósságban, illetve ezen komplex folyamat a legkevésbé ismert az átlagfelhasználó számára.

A napelemek tartóssága nagyban függ a szerkezet kialakításától, az anyag- és az alkatrészválasztástól. Mindazonáltal a gyártásközi minőségellenőrzés (QC – quality control) – függetlenül a választott anyagoktól – legalább olyan jelentőséggel bír a végső napelemminőség terén.

A laminálási eljárásban egy üvegből, az első réteg lamináló fóliából, a napelemcellákból, a második réteg lamináló fóliából és a hátlapfóliából álló szendvicset olvasztunk öszsze egy receptúra szerinti hőmérsékleten, nyomás alatt. A lamináló fóliák közül a leggyakoribb az EVA fólia (ethylene-vinyl-acetate), amely egy hőre lágyuló műanyagfajta. Az EVA fólia a folyamat során vulkanizálódik, megkeményedik, és kötést hoz létre az egyes rétegek között. A nem megfelelő mértékű vulkanizálás eredményeképpen az egyes rétegek szétválhatnak (angolul „delamination”), vagy akár az évek során a napelem besárgulhat, és jelentősen romolhat a teljesítménye.

Laminálási folyamat tipikus receptúrája.

Miként befolyásolja a laminálás a napelemek minőségét?

Laminálás során a hő hatására az ecetsav távozik az EVA fóliából, amely hidrogén atomokat von el a polimer láncok végéről és a szabad fonalmolekulaláncok között gyenge kölcsönhatás jön létre, vagyis kötések jönnek létre az eltávozott hidrogénatomok helyén. Az alkalmazott sütési időtől függően egyre több molekulalánc találja meg a párját. Annak érdekében, hogy a napelem-laminátum kellően rugalmas maradjon, a cél 70-90% közötti kötésszám elérése (gel-content). Ha a molekulák kevesebb, mint 70%-a találja meg a párját, akkor a napelemszendvics rétegei szétválhatnak az idő múlásával, illetve ha túl sok molekula között jön létre kötés (95-100% gel-content), akkor a szendvicsszerkezete túl merev lesz, és ez az egyes alkatrészek eltérő hőtágulási mutatóiból eredően, akár napelemcella-töréshez vagy a forrasztások töréséhez vezethet. (A napelemek akár –40 és +50 °C közötti környezeti hőmérsékleten is működhetnek, az üveg, a szilícium napelemcellák és a réz szalagkábelek mind eltérő mértékben tágulnak a hő hatására.) A szabadon maradt molekulaláncok végét a levegőből oxigénatomokkal próbálja zárni a kapott rugalmas polimerünk, viszont az oxigénatomoknak van egy olyan rossz tulajdonsága, hogy az ultraibolya (UV) fény hatására ózonmolekulák jönnek létre. Ennek a folyamatnak az eredménye a napelemek besárgulása. Bizonyára mindenki látott már műanyagot, ami hosszasan napsugárzásnak volt kitéve, és idővel megsárgult, elöregedett. A besárgult lamináló fólia kevésbé átlátszó, kevesebb fényt tud átereszteni a napelemcellák felszínére, így akár jelentősen csökkenhet az évek során a napelemünk teljesítménye.

A besárgulás elkerülése érdekében a lamináló berendezések sütőkamrájában vákuumot hoznak létre, hogy a levegőt, így az oxigént is kiszívják a napelemszendvicsből. Tökéletes vákuumot nagyon nehéz nagyipari körülmények között létrehozni, így az EVA anyagot gyárilag UV-stabilizáló anyagokkal „szennyezik el”. Az UV-stabilizáló anyagok, bár csökkentik a sárgulás effektust, egyben csökkentik az EVA fólia fényáteresztő képességét is, és kiszűrik a 380 nm alatti ultraibolya fénysugarakat, amelyek viszont hasznos fénysugarak lehetnének, mivel a napelemcellák hasznosítani tudnák a fényspektrum ez alatti részét is energiatermelésre.

Valószínűleg mindenki azt hitte, hogy a napelemek legfontosabb része maga a napelemcella, de mint láthatjuk, a laminálás legalább annyira összetett ipari folyamat, amely nagy odafigyelést igényel, és megfelelő minőségellenőrzés nélkül beláthatatlan következményekkel járhat a napelemek hosszú távú tartóssága tekintetében.

A laminálási folyamat optimalizálása

A pénzügyesek által képviselt költségcsökkentési elvárásokat és a mérnökök által képviselt maximális minőségre való törekvést az ipari termelés során közelíteni kell, ezt nevezik a gyártási folyamatok optimalizálásának. A költségoptimalizálás gyakorlatilag a mérnökök által beépített biztonsági tartalékok minimálisra redukálásával érhető el, amely viszont csak kifinomult és állandó minőségellenőrzés mellett valósítható meg. A biztonsági marzsok lecsökkentésével a gyártók folyamatos kötéltáncot járnak a minőség terén, és ez szükségessé teszi a gyakori és gyors beavatkozást a gyártási folyamatokba.

A laminálási folyamat esetében a ciklusidők csökkentését a vulkanizálási hőmérséklet növelésével vagy gyorsabb vulkanizálási idejű, esetleg nem EVA alapanyagú lamináló fóliák alkalmazásával lehet elérni. A hőmérsékletet nem lehet a végtelenségig növelni, mert ha túl gyorsan hevítjük fel az EVA fóliát, akkor túlsüthetjük (over-cooking), és ekkor gázbuborékok válnak ki, amelyek csökkentik az anyagon belüli kötéseket, illetve ha a napelemcellák felszínén jönnek létre, akkor fénytörést okozhatnak, de hozzájárulhatnak a PID effektus kialakulásához is (Power Induced Degradation – a későbbiekben taglaljuk). A gyors kötésű EVA fóliák esetében a ciklusidőket akár 15-20%-kal lehet csökkenteni, de ennek az anyagnak is megvannak a korlátai. A nem EVA alapú lamináló fóliák (PVB, szilikon) pedig drágábbak, mint az EVA, és alapos költségelemzést igényelnek az energiamegtakarítás kontra alapanyagköltség görbe mentén.

A minőségellenőrzés folyamata

Azáltal, hogy gyakorlatilag a nullára csökkentettük a biztonsági tartalékokat a gyártási folyamatban, állandó minőségellenőrzés szükséges a laminálási folyamat során. A minőségellenőrzés jelen eseten a „gel-content”, vagyis a EVA fóliában a vulkanizálás során kialakult kötések számának az ellenőrzését jelenti. A gel-content vizsgálatára több mérési módszer létezik, azokon belül is két fő metódus van: a roncsolásos és a roncsolás nélküli vizsgálatok. A roncsolásos módszerek lényege, hogy a gyártósorról levett kész napelemek 5 pontjáról kivágnak 1x1 cm-es EVA darabokat (használhatatlanná téve azt a napelemet), és azokat vegyi, illetve spektroszkópiai elemzésnek vetik alá. A legpontosabb és a mai napig leggyakrabban használt módszer a Soxhlet-eljárás, amelynek a roncsoláson túl további hátulütője, hogy 24 óra szükséges az eredmények kinyeréséhez. Hasonlóan roncsolásos módszer a DSC (Differential Scanning Calorimetry), vagyis differenciál pásztázó kalorimetriás vizsgálat, amely jelentősen gyorsabb mérést tesz lehetővé, viszont a pontossága függ a berendezés kalibrálásától.

A kalibráláshoz ismételten Soxhlet eljárással ellenőrzött és hitelesített minták szükségesek, ám ennek ellenére is ez a módszer 5-10%-os hibahatárral működik. Ha a gyártási folyamatot „kihegyezzük”, és jó minőség/rossz minőség szűk határmezsgyéjén egyensúlyozunk, akkor 5%-os eltérés nagyon veszélyes lehet. A 24 órás Soxhlet-eljárás egy másik hátulütője, hogy egy nagyobb napelemgyárban 24 óra leforgása alatt akár több száz vagy több ezer napelem is legördülhet a gyártósorról, mielőtt felfedezzük az esetleges eltéréseket (pl. túl alacsony gel-content), és beavatkozhatunk a gyártási folyamatba, hogy a hibát elhárítsuk. El tudja képzelni, hogy egy napelemgyár, amely folyamatos árversenyre kényszerül, egyszerűen csak kidobja 1 napi termelését? Nem akarom az ördög ügyvédjét játszani, de ilyen esetekben legtöbbször a kockázatelemzést követően a hibás napelemek simán kikerülnek a kereskedelmi forgalomba (ha 1000 hibás napelemből 5-6 éven múlva 200 db-ra garanciális csereigényt jelent be az ügyfél, meg mindig olcsóbb, mint 1000 db napelem megsemmisítése). Léteznek már roncsolásmentes gel-content ellenőrző eljárások is, többek között az egyszerű letapogatásos módszer, amely a hátlapon keresztül nyomásnak teszi ki a vulkanizált EVA fóliát a napelem több pontján, és a ruganyosságból következtet a kialakult polimerkötések mértékére. Ez az eljárás is előzetes kalibrációt igényel, de legalább nem hőmérsékletfüggő, mint a DSC eljárás. Ez az új technológia ígéretesnek mutatkozik a gyártásközi minőségellenőrzés terén, de a magas bekerülési költségek miatt még nem terjedt el kellően nagy számban a napelemgyártók között.

A napelem szendvicsszerkezetének felépítése.

Lamináló berendezések karbantartása – kulcs a minőséghez

Nem csak a hibás receptúra vezethet rossz laminálási minőséghez, alacsony gel-content-hez, hanem a lamináló berendezések nem szakszerű vagy rendszertelen ellenőrzése és karbantartás is hasonló eredményekre vezethet. A Franhofer CSE kutatói által a LayTec eljárásellenőrzéséhez végzett tesztek során még jó nevű napelemgyártók termékei is elbuktak, mert kiderült, hogy az EVA fólián belüli kötések még egy napelemtáblán belül sem voltak azonosak. A hibát jelezték a napelemgyárnak, és hiába a napelemgyártó rendszeres belső minőségellenőrzése, az ellenőrzési módszerek nem voltak alkalmasak arra, hogy egy nagyobb lamináló berendezés akár 3,5 x 4,2 m-es sütőlapján belüli hőmérsékleteltéréseket kiszűrjék. A lamináló berendezések, akárcsak a villamos olajradiátorok, a felhevített olaj folyamatos áramoltatásával melegítik fel a sütőlapokat (heating-plate). Ezt úgy kell elképzelni, hogy egy acéllemezhez rögzített vékony csőkígyóban folyamatosan 130-180 °C közötti hőmérsékletre hevített speciális olaj cirkulál, de hasonlóan az autók motorjához, itt is rendszeres olajcsere szükséges, mert a folyamatos magas hőmérséklet hatására az olaj kémiai átalakuláson megy keresztül, lerakódások képződhetnek a vékony csövekben, ami extrém esetben akár a csövek részleges vagy teljes elzáródásához vezethet, ezáltal hőmérsékleteltérés alakul ki a sütőlapon. A lamináló berendezésgyártók egy ilyen sütőlapon (ami lehet akár 15 m²-es is) általában 5 db PT100-as szenzort helyeznek el a sütőlap négy sarkához közel, illetve a sütőlap középpontjánál. Ez alkalmas nagyobb hibák felfedezésére, de valójában csak a sütőlap töredékének felszíni hőmérsékletét mérik. A szenzorok továbbá rendszeres kalibrációt igényelnek és időnként a cseréjük is szükséges. Ha ezeket a karbantartásokat nem végezzük el, akkor hiába a több százezer euró értékű, modern lamináló berendezésünk, semmi nem garantálja, hogy minőségi termékeket fogunk gyártani.

Kétkamrás lamináló berendezés. Az első kamrában történik meg az előmelegítés és a vákuumozás, a második kamrában pedig a vulkanizálás.

A laminálás folyamata

A vulkanizálás – szakzsargonban laminálás – egy sütőprésben zajlik, amelyben egy időben 1–2, vagy akár 4 db napelemszendvicset helyeznek el. Az EVA műanyag, amely alapvetően egy nem teljesen átlátszó fólia, 60-70 °C között olvad meg, és kémiai összetételétől függően kb. 110 °C–on kezd el vulkanizálódni. A „fast–cure” azaz gyorskötésű kémiai összetételű anyagban a kötések 12-15 perc alatt mennek végbe, míg a hagyományos EVA fóliák esetében 15-20 perc szükséges, állandó hőmérséklet és nyomás alatt. Mivel a napelemszendvics szobahőmérsékletű állapotban kerül be a sütőbe, így időbe telik az is, amíg a vulkanizáláshoz szükséges hőmérsékletre hevülnek az egyes alkotóelemek, ez általában 6-12 percet vesz igénybe. A lassú felmelegedés oka alapvetően az üveglap rovására írható, amely rosszul vezeti a hőt. Már itt látszik, hogy ez a folyamat idő- és energiaigényes, mivel állandó és magas hőmérsékleten kell tartani a sütőpréseket. A napelemgyártás során használt lamináló készülékek drága és összetett berendezések, így a mérnökök igyekeznek a laminálási ciklusokat a lehető legrövidebbre csökkenteni, hogy a berendezések áteresztő képességét maximalizálják, illetve az egységnyi napelemre eső energiaköltségeket csökkentsék. (pl. 60 perc/25 perces ciklusidő – 2,4 ciklus/óra – 2,4 ciklus x 4 napelem – 9,6 napelem/óra. Ha a ciklusidőt lecsökkentjük 18 percre, óránként 3,33 ciklussal számolhatunk és ugyanaz a lamináló berendezés már óránként 13 napelemet képes előállítani, ami 35%-os termelékenységi javulást, és akár 1%-os egységnyi napelemre vetített energiaköltség-csökkenést is eredményezhet. A berendezést állandó hőmérsékleten kell tartani, így az egységnyi napelemre eső energiafelhasználás is kisebb lesz.) Remélem a száraz adatok nem vették el a kedvüket a továbbiaktól, de ezen alapvető adatok nélkül nehéz lenne megérteni, hogy a laminálási folyamat miként tudja befolyásolni egy napelem minőségét és tartósságát. Hiába használjuk a gyártás során a legjobb minőségű napelemcellákat, ha a laminálási folyamat nem optimális, akkor egy gyenge minőségű napelemet fogunk kapni.

Akkor melyiket válasszam?

Az eddigiek valószínűleg jól összezavarták és elbizonytalanították az olvasót, ám ha nincs is tökéletes képlet a végső döntés meghozatalára, azért van néhány tényező, ami segíthet a megalapozott napelemválasztásban. Kisebb napelemes rendszerek esetében az ügyfelek általában (de nem mindig) kevésbé árérzékenyek, nem haboznak a jobb hírnevű gyártók kicsivel drágább termékeit választani pár százezer forint felár ellenében. Nagyobb napelemes rendszerek kivitelezése során viszont hajlamosak a beruházók pár millió forintnyi árelőnyért az akár több-százmillió forintos bekerülési költségű naperőművük megtérülését kockára tenni. Nekik javasolom az alábbiak megfontolását a végső döntésük meghozatala előtt.

  1. Lehetőleg mindig kérjük be a gyártók napelem-terméktanúsítványait (IEC 61215, IEC 61730). Bár ez sem jelent egyértelmű garanciát a napelem minőségére, de az európai tanúsító intézetek (pl. TÜV csoport, SGS, Bureau Veritas) nagyobb szigorral ellenőrzik a napelemgyártók alapanyagforrásait, és a gyártásközi minőségellenőrzés meglétére és módszereire is nagy hangsúlyt fektetnek, ellenben a kisebb tanúsítókkal, akiknek sokszor nincs meg a szükséges technikai hátterük a gyártósorról lekerülő, véletlenszerűen kiválasztott minták laboratóriumi vizsgálatára.
  2. Olvassuk el figyelmesen a gyártók garanciális feltételeit. Több gyártó pénzügyi kompenzációt ígér, amennyiben a napelemek teljesítménye elmarad a garantálttól – ezt általában nagyon nehéz rajtuk behajtani, hacsak nincs mögöttük egy külsős biztosító társaság. Vannak olyan gyártók, akik csak 10-12-25 év elteltével vállalják a teljesítménnyel kapcsolatos garanciális igények kivizsgálását, mondván, hogy a napelemek teljesítményvesztése majd az idővel megáll (ez már egy jel arra, hogy ők sem veszik komolyan a saját terméküket, nekik sincs benne kellő bizalmuk).
  3. Amennyiben a napelemek rendelkeznek egy úgynevezett Bankability Study-val, azt pozitívumként kell értékelni, mivel ezeket a tanulmányokat/vizsgálatokat a bankok részére független szakértők végzik, akik a terméktanúsító laboratóriumokhoz hasonlóan áttekintik az adott napelemgyár műszaki adottságait, kezdve az alapanyagforrásoktól, a termelő berendezéseken keresztül a gyártásközi és gyártást követő minőségellenőrzési folyamatokig. Sok esetben a bankok által támasztott minőségi követelmények magasabbak, mint a CE jelöléshez szükséges IEC szabványok (az IEC szabványok felülvizsgálata már folyamatban van, próbálnak közelíteni a tesztprocedúráknál a valós működési körülményekhez).
  4. Óvakodjunk a nagyon olcsó termékektől, mert csodák nincsenek! Minden nagyobb gyártó közel azonos árszinten tud az egyes komponensekhez hozzájutni, és az energia, illetve a bérek terén sem lehet 15-20%-os megtakarításokat elérni a kész napelemre vetítve. Sok esetben az olcsó napelemek esetében nincs meg a valós teljesítmény (pl. 250 W helyett csak 240-245 W teljesítményre képes valójában a napelem, még akkor is, ha azt mérési jegyzőkönyvvel dokumentálják – a cikksorozat későbbi részeiben foglalkozunk majd a napelemek teljesítménymérésével). De a nagyon olcsó napelemek között esetenként olyan napelemekkel is lehet találkozni, amelyeket a bérgyártó üzemtől nem vett át a megrendelő, mert azok nem feleltek meg a minőségi követelményeiknek, és a veszteségeik csökkentésére a bérgyártók eladják ezeket második vonalbeli napelemgyártóknak, akik átcímkézést követően nyomott áron piacra dobják.

A bizalom és a kellő tapasztalat mindig nagyon fontos szempont a napelemek kiválasztásánál, és ha ez hiányzik, akkor célszerű – még ha némi többletköltséggel is jár – külső szakértő céget felkérni az egyes ajánlatok elemzésére.

Sajnos még nincs olyan központi szerv, amely – az autóiparhoz hasonlóan – figyelné akár az Európai Unió szintjén a nemzeti fogyasztóvédelmi felügyelőségek termékvisszahívási felhívásait, és felállítana egy megbízhatósági sorrendet az egyes termékek között. A napelemes piac még mindig csak gyerekcipőben jár, globálisan évente átlagosan 20%-kal növekszik, ám a hosszú távú energetikai és pénzügyi célok eléréséhez nagy szükség volna egy megbízhatósági adatbázisra, hogy kiszűrjük az opportunista gyártók termékeit, akik csak kihasználják az újkori aranylázat, akarom mondani zöldenergia-hullámot.

NapelemNapenergia