Automatyka - Trwałe ogniwa słoneczne w Alpach Szwajcarskich - dzięki automatycznemu oznaczaniu wody E-automatyka.pl - Portal dla Wszystkich Specjalistów z Branży Automatyki Przemysłowej

Trwałe ogniwa słoneczne w Alpach Szwajcarskich - dzięki automatycznemu oznaczaniu wody

Co w chwili obecnej jest dostępne w dużych ilościach, a przy tym całkowicie bezpłatne? Światło słoneczne! Wytwarzanie energii odnawialnej przy pomocy ogniw słonecznych staje się coraz bardziej powszechne. Z metodą tą wiązane są duże nadzieje na przysżłość. Stała poprawa wydajności oraz wydłużenia plresu eksploatacji ogniw słonecznych wymaga m.in. oznaczania wilgoci w różnych ich elementach. Znane laboratorium fotowoltaniczne nazywane w skrócie "PV-Lab", wchodzące w skład Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologii, mające swoją siedzibę w Lozannie, wybrało titratory Karla Fischera METTLER TOLEDO, aby skutecznie realizować to trudne zadanie analityczne.

Czysta i odnawialna energia nabiera coraz większego znaczenia ze względu na stopniowe wyczerpywanie się zasobów paliw kopalnych oraz ryzyko wynikające z korzystania z energii atomowej. Energia słoneczna nie jest czymś zupełnie nowym.

Historia wykorzystania energii słonecznej sięga zamierzchłych czasów. Powszechnie wiadomo, że już starożytni grecy ujarzmili energię słońca, skupiając jego promienie za pomocą tarcz wykonanych z brązu w celu podpalania statków wroga. W dziewiętnastym wieku dokonano odkrycia, że energię elektryczną można pozyskać z promieni słonecznych, co potwierdził Einstein wiele lat później. Pierwsze ogniwo słoneczne zostało wyprodukowane ponad 50 lat temu w Bell Telephone Laboratories w Stanach Zjednoczonych Ameryki. Miało ono sprawność wówczas 4%!

Od tamtego momentu technologia ogniw słonecznych odnotowała istotny postęp. Nastąpił również rozwój różnego rodzaju materiałów wykorzystywanych w tej technologii. Głównym składnikiem nadal stosowanym jest krzem, ponieważ posiada on odpowiednie właściwości i jest bardzo tani. Można go bardzo łatwo otrzymywać w formie monokryształów o bardzo wysokiej częstotliwości.

Jeszcze kilka lat temu krzem był produkowany głównie na potrzeby przemysłu wytwarzającego krzemowe układy scalone. Krzem, który nie został spożytkowany przez ten przemysł, był dostępny na rynku do innych zastosowań. Obecnie krzem jest produkowany zasadniczo na potrzeby przemysłu energetyki słonecznej. Obok krzemu wykorzystywane są również inne materiały o właściwościach półprzewodnikowych takich jak gal, arsen, kadm i tellur. Ogniwa słoneczne można również produkować, wykorzystując materiały organiczne, ale technologia ta nie jest tak zaawansowana jak tradycyjna technologia oparta na krzemie.

Występują dwa rodzaje ogniw: ogniwa cienkowarstwowe i grubowarstwowe. Tradycyjne ogniwa słoneczne są wykonane z "wafli" monokrystalicznych i polikrystalicznych składają się z kilku cienkich warstw, każda o grubości 100 µm. Ogniwa cienkowarstwowe mają grubość zalednie 10µm.

Ogniwa cienkowarstwowe są produkowane przede wszystkim z krzemu amorficznego, który jest przytwierdzany do podłoża przy pomocy różnych technik, w tym osadzania chemicznego. Ogniwa można również produkować z krzemu mikrokrystalicznego. Ogniwa te są znacznie cieńsze od tradycyjnych ogniw polikrystalicznych. krzem mikrokrystaliczny jest zazwyczaj przetwarzany razem z krzemem amorficznym, co prowadzi do uzyskania tzw. ogniwa "tandemowego". Takie połączenie sprawia, że ogniwo wykorzystuje w maksymalnym możliwym stopniu całe widmo światła słonecznego, co przyczynia się do wzrostu jego sprawności.

Podczas produkcji ogniw cienkowarstwowych wykorzystuje się mniejsze ilości krzemu w porównaniu z ogniwami słonecznymi wykonanymi z wafli krzemowych. Poza tym, produkcję ogniw cienkowarstwowych, szczególnie tych wykonanych z krzemu amorficznego, można zautomatyzować i zmniejszyć tym samym koszty produkcji. Produkcję tych ogniw można prowadzić na dużą skalę.

Technologia wytwarzania wafli polega na ivch skomplikowanym wycinaniu. Podczas tego procesu powstają duże ilości odpadów. Inną zaletą wytwarzania ogniw cienkowarstwowych jest możliwość stosowania różnych podłoży w zależności od ich przeznaczenia.

Wytwarzanie jak najcieńszych ogniw przynosi wiele korzyści, ponieważ promienie słoneczne penetrują jedynie pierwsze 10µm warstwy krzemu. Wytwarzanie cienkich ogniw krzemowych pozwala zmniejszyć koszty produkcji. Ogniwa są lżejsze i bardziej elastyczne. Cienkie ogniwa można montować w i na różnych materiałach, co stwarza nowe możliwości, jeśli chodzi o wykorzystanie ogniw.

Budowanie zasilanych energią słoneczną silników samochodów nie jest już ideą futurystyczną. W przyszłości ogniwa słoneczne będą integrowane z odzieżą, dając klientom możliwość ładowania urządzeń przenośnych takich jak telefony komórkowe oraz laptopy podczas przemieszczania się. RYS4

Instytut Mikroinżynierii w Neuchatel (IMT), który wchodzi w skład Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologii w Lozannie, podjął się pionierskiego zadania opracowania ogniw słonecznych. Laboratorium fotowoltaniczne Instytutu mieści się w samym jego sercu, chlubiąc się 25-letnią historią sukcesów w tej dziedzinie. W laboratorium opracowano m.in. nową rewolucyjną technologię produkcji ogniw cienkowarstowowych zwaną osadzaniem przy pomocy plazmy o wysokiej częstotliwości. Laboratorium przyczyniło się również do poprawy sprawności krzemu mikrokrystalicznego jako materiału wykorzystywanego przy produkcji ogniw słonecznych. Zespół naukowy profesora Arvida Shaha - zdobywca wielu nagród - już na samym początku skoncentrował swoją uwagę na obiecujących ogniwach cienkowarstwowych produkowanych z krzemu amorficznego oraz na mikromorficznych ogniwach tandemowych.

Instytut badawczy specjalizuje sie jednocześnie w poprawie sprawności ogniw słonecznych oraz zmniejszaniu kosztów produkcji i kosztów materiałów. Obszar aktywności laboratorium obejmuje zarówno badania podstawowe jak i przekazanie nowej technologii partnerom przemysłowym. Udana współpraca laboratorium fotowoltnicznego z jednym z partnerów przemysłowych przyniosła liczne nagrody, w tym rekord świata pod koniec 2010 roku, którym było osiagnięcie sprawności wytwarzania energii elektrycznej na poziomie 11.9% przy pomocy ogniw słonecznych o grubości zalednie 2.2µm wykonanych z krzemu mikromorficznego.

Nadal uważa się, że tradycyjne ogniwa wykonane z krzemu krystalicznego, pomimo wysokiej sprawności konwersji energii, maja niekorzystny okres zwrotu. koszty produkcji tych ogniw są wysokie w stosunku do energii uzyskanej w całym okresie eksploatacji. W przeciwieństwie do nich, ogniwa cienkowarstwowe mają niższą sprawność, ale można je produkować taniej i przy mniejszym zużyciu zasobów. Kwestie związane z produkcją, sprawy materiałowe oraz emisje zanieczyszczeń to czynniki, które należy wziąć pod uwagę podczas oceny zalet alternatywnych technologii wytwarzania energii.

Można odnieść wrażenie, że sposób w jaki ogniwa (krzem grubo- i cienkowarstowy) są montowane w celu otrzymania panelu lub modułu słonecznego, ma mnejsze znaczenie. Jego znaczenie jest jednak ogromne, ponieważ sposób montażu wpływa na długość okresu eksploatacji modułu.

Optymalne laminowanie modułów baterii słonecznych jest zadaniem stanowiącym poważne wyzwanie, biorąc pod uwagę różne czynniki zewnętrzne oddziałujące na ogniwa oraz dość surowe międzynarodowe przepisy prawne odnoszące się do materiałów opakowaniowych. Idealny materiał powinien chronić ogniwa przed zewnętrznymi czynnikami środowiskowymi takimi jak wilgoć, promieniowanie UV, zmiany temperatury oraz naprężeniami mechanicznymi, umożliwiając jednocześnie przechodzenie światła bez żadnych strat do warstwy aktywnej. Mechaniczne, optyczne, fizyczne i chemiczne właściwości każdego składnika należy poddać drobiazgowym badaniom, a w niektórych przypadkach właściwości te należy również monitorować przez cały okres eksploatacji ogniw.

Ważnym parametrem w tym kontekście jest woda, która jest głównym winowajcą, jeśli chodzi o degradację ogniw słonecznych. Woda może oddziaływać na moduł w różnej postaci - w postaci deszczu, śniegu, gradu, wilgoci i pary - czego konsekwencją mogą być poważne uszkodzenia. Przenikanie wody jest zatem ważnym parametrem, który nalezy wziąć pod uwagę, przystępując do działań ukierunkowanych na poprawę sprawności i niezawodności oraz wydłużenia okresu eksploatacji modułów słonecznych.

Badania naukowe prowadzone w laboratorium poświęcone tym kwestiom trwają już od jakiegoś czasu. W sposób ciągły badane są tradycyjne materiały hermetyzujące. Trwają również prace nad opracowaniem nowych materiałów.

Polimer EVA (octan etyenowo-winylowy) jest powszechnie używany, ponieważ jest to jedyny materiał polimerowy, który w ciagu ostatnich lat został intensywnie przebadany pod kątem jego wykorzystania w ogniwach słonecznych. Podczas laminowania ogniwa słonecznego polimer EVA jest sieciowany poprzecznie, co prowadzi do zmieny jego właściwości.

Oznaczanie wody w surowym i usieciowanym octanie etylenowo-winylowym nie jest tak proste, jak można by się tego spodziewać. Rozpuszczalność EVA w tradycyjnych rozpuszczalnikach jest słaba. Jego temperatura punktu topnienia mieści się w zakresie od 60 do 100 stopni Celsjusza. Folia wykonana z tego materiału ma bardzo niską gęstość materiałową. Ocenie poddano różne metody oznaczania wody. Najlepszym rozwiązaniem okazała się kulometryczna metoda Karla Fischera z podajnikiem próbek Stromboli wyposażonym w piec podgrzewający.

Laboratorium korzysta z systemu METTLER TOLEDO składającego się z kulometru C30, podajnika próbek Stromboli z piecem podgrzewającym oraz oprogramowania LabX titration. Próbki folii polimeru są umieszczone w szklanych naczyniach, które sa następnie automatycznie transportowane do pieca. W piecu następuje ogrzanie próbek, dzięki czemu następuje uwolnienie zawartej w nich wody. Uwolniona woda jest przenoszona w strumieniu gazu d celi miareczkowej. Zaleca się, aby nośnikiem był gaz obojętny, ponieważ unika się w ten sposób rozkładu próbki, co mogłoby doprowadzić do otrzymania błędnych wyników oznaczenia. Aby zminimalizować dryft i wartość ślepej próby, gaz jest suszony dwustopniowo nad żelazem krzemionkowym i na sitach molekularnych. Osiąga się w ten sposób stabilne warunki prowadzenia badania, gdzie dryft kształtuje się na poziomie poniżej 3µg wody na minutę. Dzięki temu rozwiązaniu można wykonać bardzo dokłdne oznaczenie wody w serii składającej się z wielu próbek. Wystarczy jedno kliknięcie - One Click, aby uruchomić badanie 14 próbek.

W zależności od ustawionych warunków grzania i parametrów miareczkowania, badania te można wykonać w ciągu paru godzin w trybie bezobsługowym dzięki wdrożeniu kompleksowej automatyzacji. Jedynymi działaniami, które nalezy wykonać ręcznie, jest pocięcie i zważenie próbek. Ma to kluczowe znaczenie dla zapewnienia precyzji i dokładności badania. Należy zapewnić powtarzalność, jeśli chodzi o ułożenie i wielkość próbek, ponieważ kształt i forma próbek mają wpływ na uwalnianie wody. Próbka musi być ponadto wystarczająco duża, aby zminimalizować wpływ błędów zewnętrznych i zapewnić wystarczającą ilość materiału, biorąc pod uwagę niewielką zawartość w nim wody (<1000ppm).

Laboratorium oznacza wodę w innych próbkach w ramach badań nad innymi materiałami wykorzystywanymi do laminowania oraz w ramach kontroli jakości dostarczanych surowców. Uzyskiwane dane są automatycznie zapisywane i organizowane przez oprogramowanie LabX titration, które pozwala analizować je w postaci graficznej oraz prezentować wyniki badań dla każdej metody.

miareczkowanie Karla Fischera daje Laboratorium możliwość skrupolatnego monitorowania zawartości wody podczas badania różnych materiałów wykorzystywanych do laminowania ogniw słonecznych. Niezależnie od innych wniosków, badania te pozwoliły obalic błędne założenia dotyczące okresu eksploatacji niektórych materiałów.

Lider grupy Laure-Emmanuelle Perret-Aebi odgrywający wiodącą rolę w obszarze konstrukcji modułów dokonuje oceny systemu pomiarowego METTLER TOLEDO: "opróćz kontroli jakości materiałów, instrument ten pozwala nam poszerzyć wiedzę o różnych zjawiskach zachodzących w materiałach, które wpływają na niezawodność i długość użytkowania modułów słonecznych."

Oczekiwania w stosunku do ogniw słonecznych dotyczące ich przyszłych zastosowań są wysokie, co stawia przed laboratorium poważne wyzwania. Według raportu unii Europejskiej, ilość energii uzyskanej z ogniw słonecznych wzrosła 30-krotnie w ciągu ostatnich 10 lat. Jest to konsekwencją nie tylko zwiększonej świadomości ekologicznej, lecz również wynika ze znacznie lepszych metod produkcji ogniw słonecznych. Żaden inny rynek nie rozwija sie równie dynamicznie. Zgodnie z przewidywaniami profesora Arvinda Shaha, jedną trzecią globalnego zapotrzebowania na energię elektryczną można do 2050 roku zaspokoich, korzystając z energetyki słonecznej. Należy jeszcze wiele zrobić, aby ten cel osiagnąć, ale jedna kwestia pozostaje oczywista: oznaczanie wody (z wykorzystaniem prostej i skutecznej metody) będzie nadal odgrywać istotną rolę w całym cyklu użytkowania ogniw słonecznych.

KNX Automatyka budynkowa

KNX firmy Schneider Electric to inteligentny system sterowania budynkiem, który doskonale sprawdza się we wszystkich obiektach, tak mieszkalnych, jak i biurowych.

2023-05-08

Motoreduktor DuoDrive

Motoreduktor DuoDrive jest teraz opatentowany Rewolucyjna technologia motoreduktora firmy NORD DRIVESYSTEMS

2022-05-18

Trwałe ogniwa słoneczne w Alpach Szwajcarskich - dzięki automatycznemu oznaczaniu wody

Zapraszamy do skomentowania artykułu

Pozostałe artykuły z tej kategorii

W kategorii polecamy

KNX Automatyka budynkowa

VEGA – Bezpieczeństwo przede wszystkim

Motoreduktor DuoDrive

Polecamy

Aktualności

Opisy produktow

Ciekawe wdrożenia

Raporty rynkowe

Gospodarka

Wywiad

Okiem komentatora

TOP10 - Popularne artykuly

Treść opini
Popis