S. Wahlen 2012-02-28

Trwa貫 ogniwa s這neczne w Alpach Szwajcarskich - dzi瘯i automatycznemu oznaczaniu wody

Trwa貫 ogniwa s這neczne w Alpach Szwajcarskich - dzi瘯i automatycznemu oznaczaniu wody

Co w chwili obecnej jest dost瘼ne w du篡ch ilo軼iach, a przy tym ca趾owicie bezp豉tne? 安iat這 s這neczne! Wytwarzanie energii odnawialnej przy pomocy ogniw s這necznych staje si coraz bardziej powszechne. Z metod t wi您ane s du瞠 nadzieje na przys興o嗆. Sta豉 poprawa wydajno軼i oraz wyd逝瞠nia plresu eksploatacji ogniw s這necznych wymaga m.in. oznaczania wilgoci w ró積ych ich elementach. Znane laboratorium fotowoltaniczne nazywane w skrócie "PV-Lab", wchodz帷e w sk豉d Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologii, maj帷e swoj siedzib w Lozannie, wybra這 titratory Karla Fischera METTLER TOLEDO, aby skutecznie realizowa to trudne zadanie analityczne.

Czysta i odnawialna energia nabiera coraz wi瘯szego znaczenia ze wzgl璠u na stopniowe wyczerpywanie si zasobów paliw kopalnych oraz ryzyko wynikaj帷e z korzystania z energii atomowej. Energia s這neczna nie jest czym zupe軟ie nowym.

Historia wykorzystania energii s這necznej si璕a zamierzch造ch czasów. Powszechnie wiadomo, 瞠 ju staro篡tni grecy ujarzmili energi s這鎍a, skupiaj帷 jego promienie za pomoc tarcz wykonanych z br您u w celu podpalania statków wroga. W dziewi皻nastym wieku dokonano odkrycia, 瞠 energi elektryczn mo積a pozyska z promieni s這necznych, co potwierdzi Einstein wiele lat pó幡iej. Pierwsze ogniwo s這neczne zosta這 wyprodukowane ponad 50 lat temu w Bell Telephone Laboratories w Stanach Zjednoczonych Ameryki. Mia這 ono sprawno嗆 wówczas 4%!

Od tamtego momentu technologia ogniw s這necznych odnotowa豉 istotny post瘼. Nast徙i równie rozwój ró積ego rodzaju materiaów wykorzystywanych w tej technologii. Gównym sk豉dnikiem nadal stosowanym jest krzem, poniewa posiada on odpowiednie w豉軼iwo軼i i jest bardzo tani. Mo積a go bardzo 豉two otrzymywa w formie monokrysztaów o bardzo wysokiej cz瘰totliwo軼i.

Jeszcze kilka lat temu krzem by produkowany gównie na potrzeby przemys逝 wytwarzaj帷ego krzemowe uk豉dy scalone. Krzem, który nie zosta spo篡tkowany przez ten przemys, by dost瘼ny na rynku do innych zastosowa. Obecnie krzem jest produkowany zasadniczo na potrzeby przemys逝 energetyki s這necznej. Obok krzemu wykorzystywane s równie inne materia造 o w豉軼iwo軼iach pó逍rzewodnikowych takich jak gal, arsen, kadm i tellur. Ogniwa s這neczne mo積a równie produkowa, wykorzystuj帷 materia造 organiczne, ale technologia ta nie jest tak zaawansowana jak tradycyjna technologia oparta na krzemie.

Wyst瘼uj dwa rodzaje ogniw: ogniwa cienkowarstwowe i grubowarstwowe. Tradycyjne ogniwa s這neczne s wykonane z "wafli" monokrystalicznych i polikrystalicznych sk豉daj si z kilku cienkich warstw, ka盥a o grubo軼i 100 µm. Ogniwa cienkowarstwowe maj grubo嗆 zalednie 10µm.

Ogniwa cienkowarstwowe s produkowane przede wszystkim z krzemu amorficznego, który jest przytwierdzany do pod這瘸 przy pomocy ró積ych technik, w tym osadzania chemicznego. Ogniwa mo積a równie produkowa z krzemu mikrokrystalicznego. Ogniwa te s znacznie cie雟ze od tradycyjnych ogniw polikrystalicznych. krzem mikrokrystaliczny jest zazwyczaj przetwarzany razem z krzemem amorficznym, co prowadzi do uzyskania tzw. ogniwa "tandemowego". Takie po陰czenie sprawia, 瞠 ogniwo wykorzystuje w maksymalnym mo磧iwym stopniu ca貫 widmo 鈍iat豉 s這necznego, co przyczynia si do wzrostu jego sprawno軼i.

Podczas produkcji ogniw cienkowarstwowych wykorzystuje si mniejsze ilo軼i krzemu w porównaniu z ogniwami s這necznymi wykonanymi z wafli krzemowych. Poza tym, produkcj ogniw cienkowarstwowych, szczególnie tych wykonanych z krzemu amorficznego, mo積a zautomatyzowa i zmniejszy tym samym koszty produkcji. Produkcj tych ogniw mo積a prowadzi na du膨 skal.

Technologia wytwarzania wafli polega na ivch skomplikowanym wycinaniu. Podczas tego procesu powstaj du瞠 ilo軼i odpadów. Inn zalet wytwarzania ogniw cienkowarstwowych jest mo磧iwo嗆 stosowania ró積ych pod這篡 w zale積o軼i od ich przeznaczenia.

Wytwarzanie jak najcie雟zych ogniw przynosi wiele korzy軼i, poniewa promienie s這neczne penetruj jedynie pierwsze 10µm warstwy krzemu. Wytwarzanie cienkich ogniw krzemowych pozwala zmniejszy koszty produkcji. Ogniwa s l瞠jsze i bardziej elastyczne. Cienkie ogniwa mo積a montowa w i na ró積ych materia豉ch, co stwarza nowe mo磧iwo軼i, je郵i chodzi o wykorzystanie ogniw.

Budowanie zasilanych energi s這neczn silników samochodów nie jest ju ide futurystyczn. W przysz這軼i ogniwa s這neczne b璠 integrowane z odzie膨, daj帷 klientom mo磧iwo嗆 豉dowania urz康ze przeno郾ych takich jak telefony komórkowe oraz laptopy podczas przemieszczania si. RYS4

Instytut Mikroin篡nierii w Neuchatel (IMT), który wchodzi w sk豉d Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologii w Lozannie, podj掖 si pionierskiego zadania opracowania ogniw s這necznych. Laboratorium fotowoltaniczne Instytutu mie軼i si w samym jego sercu, chlubi帷 si 25-letni histori sukcesów w tej dziedzinie. W laboratorium opracowano m.in. now rewolucyjn technologi produkcji ogniw cienkowarstowowych zwan osadzaniem przy pomocy plazmy o wysokiej cz瘰totliwo軼i. Laboratorium przyczyni這 si równie do poprawy sprawno軼i krzemu mikrokrystalicznego jako materia逝 wykorzystywanego przy produkcji ogniw s這necznych. Zespó naukowy profesora Arvida Shaha - zdobywca wielu nagród - ju na samym pocz徠ku skoncentrowa swoj uwag na obiecuj帷ych ogniwach cienkowarstwowych produkowanych z krzemu amorficznego oraz na mikromorficznych ogniwach tandemowych.

Instytut badawczy specjalizuje sie jednocze郾ie w poprawie sprawno軼i ogniw s這necznych oraz zmniejszaniu kosztów produkcji i kosztów materiaów. Obszar aktywno軼i laboratorium obejmuje zarówno badania podstawowe jak i przekazanie nowej technologii partnerom przemys這wym. Udana wspó逍raca laboratorium fotowoltnicznego z jednym z partnerów przemys這wych przynios豉 liczne nagrody, w tym rekord 鈍iata pod koniec 2010 roku, którym by這 osiagni璚ie sprawno軼i wytwarzania energii elektrycznej na poziomie 11.9% przy pomocy ogniw s這necznych o grubo軼i zalednie 2.2µm wykonanych z krzemu mikromorficznego.

Nadal uwa瘸 si, 瞠 tradycyjne ogniwa wykonane z krzemu krystalicznego, pomimo wysokiej sprawno軼i konwersji energii, maja niekorzystny okres zwrotu. koszty produkcji tych ogniw s wysokie w stosunku do energii uzyskanej w ca造m okresie eksploatacji. W przeciwie雟twie do nich, ogniwa cienkowarstwowe maj ni窺z sprawno嗆, ale mo積a je produkowa taniej i przy mniejszym zu篡ciu zasobów. Kwestie zwi您ane z produkcj, sprawy materia這we oraz emisje zanieczyszcze to czynniki, które nale篡 wzi望 pod uwag podczas oceny zalet alternatywnych technologii wytwarzania energii.

Mo積a odnie嗆 wra瞠nie, 瞠 sposób w jaki ogniwa (krzem grubo- i cienkowarstowy) s montowane w celu otrzymania panelu lub modu逝 s這necznego, ma mnejsze znaczenie. Jego znaczenie jest jednak ogromne, poniewa sposób monta簑 wp造wa na d逝go嗆 okresu eksploatacji modu逝.

Optymalne laminowanie moduów baterii s這necznych jest zadaniem stanowi帷ym powa積e wyzwanie, bior帷 pod uwag ró積e czynniki zewn皻rzne oddzia逝j帷e na ogniwa oraz do嗆 surowe mi璠zynarodowe przepisy prawne odnosz帷e si do materiaów opakowaniowych. Idealny materia powinien chroni ogniwa przed zewn皻rznymi czynnikami 鈔odowiskowymi takimi jak wilgo, promieniowanie UV, zmiany temperatury oraz napr篹eniami mechanicznymi, umo磧iwiaj帷 jednocze郾ie przechodzenie 鈍iat豉 bez 瘸dnych strat do warstwy aktywnej. Mechaniczne, optyczne, fizyczne i chemiczne w豉軼iwo軼i ka盥ego sk豉dnika nale篡 podda drobiazgowym badaniom, a w niektórych przypadkach w豉軼iwo軼i te nale篡 równie monitorowa przez ca造 okres eksploatacji ogniw.

Wa積ym parametrem w tym kontek軼ie jest woda, która jest gównym winowajc, je郵i chodzi o degradacj ogniw s這necznych. Woda mo瞠 oddzia造wa na modu w ró積ej postaci - w postaci deszczu, 郾iegu, gradu, wilgoci i pary - czego konsekwencj mog by powa積e uszkodzenia. Przenikanie wody jest zatem wa積ym parametrem, który nalezy wzi望 pod uwag, przyst瘼uj帷 do dzia豉 ukierunkowanych na popraw sprawno軼i i niezawodno軼i oraz wyd逝瞠nia okresu eksploatacji moduów s這necznych.

Badania naukowe prowadzone w laboratorium po鈍i璚one tym kwestiom trwaj ju od jakiego czasu. W sposób ci庵造 badane s tradycyjne materia造 hermetyzuj帷e. Trwaj równie prace nad opracowaniem nowych materiaów.

Polimer EVA (octan etyenowo-winylowy) jest powszechnie u篡wany, poniewa jest to jedyny materia polimerowy, który w ciagu ostatnich lat zosta intensywnie przebadany pod k徠em jego wykorzystania w ogniwach s這necznych. Podczas laminowania ogniwa s這necznego polimer EVA jest sieciowany poprzecznie, co prowadzi do zmieny jego w豉軼iwo軼i.

Oznaczanie wody w surowym i usieciowanym octanie etylenowo-winylowym nie jest tak proste, jak mo積a by si tego spodziewa. Rozpuszczalno嗆 EVA w tradycyjnych rozpuszczalnikach jest s豉ba. Jego temperatura punktu topnienia mie軼i si w zakresie od 60 do 100 stopni Celsjusza. Folia wykonana z tego materia逝 ma bardzo nisk g瘰to嗆 materia這w. Ocenie poddano ró積e metody oznaczania wody. Najlepszym rozwi您aniem okaza豉 si kulometryczna metoda Karla Fischera z podajnikiem próbek Stromboli wyposa穎nym w piec podgrzewaj帷y.

Laboratorium korzysta z systemu METTLER TOLEDO sk豉daj帷ego si z kulometru C30, podajnika próbek Stromboli z piecem podgrzewaj帷ym oraz oprogramowania LabX titration. Próbki folii polimeru s umieszczone w szklanych naczyniach, które sa nast瘼nie automatycznie transportowane do pieca. W piecu nast瘼uje ogrzanie próbek, dzi瘯i czemu nast瘼uje uwolnienie zawartej w nich wody. Uwolniona woda jest przenoszona w strumieniu gazu d celi miareczkowej. Zaleca si, aby no郾ikiem by gaz oboj皻ny, poniewa unika si w ten sposób rozk豉du próbki, co mog這by doprowadzi do otrzymania b喚dnych wyników oznaczenia. Aby zminimalizowa dryft i warto嗆 郵epej próby, gaz jest suszony dwustopniowo nad 瞠lazem krzemionkowym i na sitach molekularnych. Osi庵a si w ten sposób stabilne warunki prowadzenia badania, gdzie dryft kszta速uje si na poziomie poni瞠j 3µg wody na minut. Dzi瘯i temu rozwi您aniu mo積a wykona bardzo dok責ne oznaczenie wody w serii sk豉daj帷ej si z wielu próbek. Wystarczy jedno klikni璚ie - One Click, aby uruchomi badanie 14 próbek.

W zale積o軼i od ustawionych warunków grzania i parametrów miareczkowania, badania te mo積a wykona w ci庵u paru godzin w trybie bezobs逝gowym dzi瘯i wdro瞠niu kompleksowej automatyzacji. Jedynymi dzia豉niami, które nalezy wykona r璚znie, jest poci璚ie i zwa瞠nie próbek. Ma to kluczowe znaczenie dla zapewnienia precyzji i dok豉dno軼i badania. Nale篡 zapewni powtarzalno嗆, je郵i chodzi o u這瞠nie i wielko嗆 próbek, poniewa kszta速 i forma próbek maj wp造w na uwalnianie wody. Próbka musi by ponadto wystarczaj帷o du瘸, aby zminimalizowa wp造w b喚dów zewn皻rznych i zapewni wystarczaj帷 ilo嗆 materia逝, bior帷 pod uwag niewielk zawarto嗆 w nim wody (<1000ppm).

Laboratorium oznacza wod w innych próbkach w ramach bada nad innymi materia豉mi wykorzystywanymi do laminowania oraz w ramach kontroli jako軼i dostarczanych surowców. Uzyskiwane dane s automatycznie zapisywane i organizowane przez oprogramowanie LabX titration, które pozwala analizowa je w postaci graficznej oraz prezentowa wyniki bada dla ka盥ej metody.

miareczkowanie Karla Fischera daje Laboratorium mo磧iwo嗆 skrupolatnego monitorowania zawarto軼i wody podczas badania ró積ych materiaów wykorzystywanych do laminowania ogniw s這necznych. Niezale積ie od innych wniosków, badania te pozwoli造 obalic b喚dne za這瞠nia dotycz帷e okresu eksploatacji niektórych materiaów.

Lider grupy Laure-Emmanuelle Perret-Aebi odgrywaj帷y wiod帷 rol w obszarze konstrukcji moduów dokonuje oceny systemu pomiarowego METTLER TOLEDO: "opró獝 kontroli jako軼i materiaów, instrument ten pozwala nam poszerzy wiedz o ró積ych zjawiskach zachodz帷ych w materia豉ch, które wp造waj na niezawodno嗆 i d逝go嗆 u篡tkowania moduów s這necznych."

Oczekiwania w stosunku do ogniw s這necznych dotycz帷e ich przysz造ch zastosowa s wysokie, co stawia przed laboratorium powa積e wyzwania. Wed逝g raportu unii Europejskiej, ilo嗆 energii uzyskanej z ogniw s這necznych wzros豉 30-krotnie w ci庵u ostatnich 10 lat. Jest to konsekwencj nie tylko zwi瘯szonej 鈍iadomo軼i ekologicznej, lecz równie wynika ze znacznie lepszych metod produkcji ogniw s這necznych. 畝den inny rynek nie rozwija sie równie dynamicznie. Zgodnie z przewidywaniami profesora Arvinda Shaha, jedn trzeci globalnego zapotrzebowania na energi elektryczn mo積a do 2050 roku zaspokoich, korzystaj帷 z energetyki s這necznej. Nale篡 jeszcze wiele zrobi, aby ten cel osiagn望, ale jedna kwestia pozostaje oczywista: oznaczanie wody (z wykorzystaniem prostej i skutecznej metody) b璠zie nadal odgrywa istotn rol w ca造m cyklu u篡tkowania ogniw s這necznych.



S. Wahlen
Na podstawie: mt.com

Zapraszamy do skomentowania artyku逝

Tre嗆 opini 
Popis 

Pozosta貫 artyku造 z tej kategorii