Technologia klejenia i dozowania płynów w montażu paneli słonecznych

Panele słoneczne są w ostatnich latach promowane jako źródło „czystej energii”, nie emitującej CO2, odnawialnej i przez niektórych są uznawane za remedium na kryzys energetyczny. Inni krytykują technologię, która wymaga interwencji rządowej, ulg podatkowych i wsparcia finansowego by się rozwijać, wątpi się również w wydajność jej bilansu energetycznego. Niemniej, instalacje słoneczne są faktem. Coraz częściej widać je na dachach w Europie, ale także na skarpach usypywanych na brzegach autostrad, gdzie niekiedy ciągną się kilometrami. W tym tekście chcę się skupić na technologiach montażu za pomocą płynów. Mało kto wie, że głównym ograniczeniem rozwoju tej technologii jest koszt produkcji panelu, a w konsekwencji koszt uzyskanej z niego kilowatogodziny. I to niezależnie od zasady działania panelu.

W swojej działalności zawodowej spotykam się z dwoma zasadniczymi rodzajami paneli słonecznych:

  • kolektory słoneczne,
  • panele fotowoltaiczne (photovoltaic – PV).

Kolektory słoneczne, to płaskie skrzynki wystawione na działanie słońca i ogrzewające przepływającą w nich wodę. Ważnym elementem kolektora jest absorber, czyli powłoka pochłaniająca energię słoneczną. Najczęściej jest jeszcze dziś wykonywany z blachy miedzianej, pokrytej warstwą czarnego chromu, lub tlenku tytanu. Jednak już dziś nasz zespół bierze udział w projektach, w których blacha miedziana jest wypierana przez aluminiową. Ponieważ w motoryzacji proces zastąpienia miedzi przez aluminium spowodował znaczny spadek cen samochodów (chłodnice, których jest kilka, stanowią znaczny udział w koszcie budowy pojazdu), producenci kolektorów spodziewają się spadku kosztów produkcji i są skłonni do wdrożenia tej technologii.

W tej nowej, aluminiowej technologii, ważnym procesem jest nałożenie topnika, umożliwiającego połączenie aluminiowej wężownicy z aluminiowym absorberem. Zapanowanie nad techniką łączenia wymaga wdrożenia know-how, udostępnianego dla klientów, którzy chcą wyprzedzić konkurencję.

Ważną z naszego punktu widzenia operacją jest klejenie szyby ze szkła solarnego i hartowanego do obudowy kolektora. Najczęściej jest wykonywane za pomocą elastycznych klejów jednoskładnikowych, na bazie poliuretanów lub polimerów MS, czasem także silikonów. Nakładanie jest operacją, którą można wykonać za pomocą ręcznego pistoletu pneumatycznego lub elektrycznego. Jednak jest kilka ograniczeń takiej metody postępowania:

  • czas otwarty kleju (czas tworzenia skórki) może być dość krótki, w przypadku opóźnienia nałożenia szyby może zajść wstępne utwardzenie kleju,
  • wydajność ręcznego pistoletu jest znacznie mniejsza niż pompy do wyciskania go z wiadra lub beczki,
  • konieczne jest najczęściej dwukrotne nakładanie kleju, aby zamaskować złącze,
  • po nałożeniu złącze trzeba ręcznie wyrównać, tracąc znaczną ilość kleju, na dodatek operacja czyszczenia jest zwykle bardzo pracochłonna,
  • klej lub uszczelniacz utwardza się z prędkością około 2-4 mm/dobę, co powoduje powstawanie pól odkładczych .

Wymienione wyżej przyczyny powodują, że coraz częściej do klejenia szyb kolektorów są stosowane kleje dwuskładnikowe. Mają one kilka zalet:

  • Utwardzają się w całej objętości.
  • Czas wstępnego utwardzenia wynosi około 1 godziny, co istotnie zmniejsza pola odkładcze.

 

Jednak należy liczyć się z utrudnieniami:

  • Kleje dwuskładnikowe bywają droższe niż jednoskładnikowe. Dotyczy to zwłaszcza opakowań jednostkowych, jak kartusze do ręcznego nakładania. Związane jest to z kosztami konfekcjonowania. Korzystniejsze jest kupowanie ich w większych opakowaniach (np. beczki 200 litrowe lub wiadra 20 litrowe).
  • Ze względu na krótki czas wiązania ręczne oczyszczanie spoiny jest utrudnione i narażamy się na utratę estetyki złącza.
  • Do ich nakładania należy więc zastosować urządzenia o dużej mocy, jak pompy beczkowe połączone układami dwuskładnikowych proporcjonerów.

Urządzenia dwuskładnikowe pozwalają na zwiększenie wydajności procesu klejenia. Zwłaszcza, jeśli są połączone z układami automatycznie pozycjonującymi szybę i dociskającymi ją na miejsce. W Polsce wdrożyliśmy już instalacje, gdzie zupełnie udało się wyeliminować operację czyszczenia złącza klejonego szyby.

Ciekawym rozwiązaniem jest oferowane przez firmę VISCOTEC odpowietrzanie nakładanych klejów w procesie „inline”, czyli w cyklu ciągłym, po drodze z opakowania fabrycznego do dozownika. Eliminuje się w ten sposób całkowicie nie tylko bąbelki powietrza, ale również charakterystyczne dla zapowietrzonego materiału „ślinienie” się zaworu po zaprzestaniu dozowania. Pozwala to na dalszą poprawę estetyki złącza.

W dążeniu do osiągania najwyższych prędkości nakładania, coraz częściej stosuje się rozwiązania, które umożliwiają dynamiczną korektę prędkości nakładania w zależności od prędkości liniowej robotów. Rozwiązania takie oferuje się zarówno do klejów i uszczelniaczy jedno- jak i dwuskładnikowych.
Są to np. układy kompensacyjne PrecisionFlow® firmy Graco, jak i pompy kawitacyjne, budowane przez niemiecką firmę VISCOTEC. Układy te jednak powinny być instalowane przez doświadczone zespoły inżynierskie, posiadające wiedzę zarówno w zakresie automatyki i napędów, jak i dynamiki przepływów. Ciecze występujące w tym zakresie nie są bowiem cieczami Newtonowskimi, co nie ułatwia zadania.

Panele fotowoltaiczne

Podstawowe rodzaje paneli fotowoltaicznych szereguje się w czterech podstawowych kategoriach:

  1. Krzemowe monokryształy i polikryształy (1 generacja)
  2. Powłoki nanoszone na powierzchnię (2 generacja) z półprzewodników na bazie krzemu polikrystalicznego, amorficznego, mikrokrystalicznego, tellurydów kadmowych (CdTe), lub siarczków miedziowo-indowych (CIS)
  3. Komórki fotoelektrochemiczne, polimerowe i nanokryształowe (3 generacja)
  4. Technologie kompozytowe, gdzie stosuje się polimery z nanocząsteczkami zmieszane razem w celu wytworzenia pojedynczej warstwy multispektralnej (4 generacja)

W panelach fotowoltaicznych 1 generacji prąd jest produkowany przez komórki (cells). Komórki krzemowych monokryształów są produkowane przez cięcie plasterków z wielkiego kryształu nazywanego „ingot”. Taki kryształ ma wartość wielu tysięcy euro. Aby go przeciąć, trzeba go… przykleić (a jakże) do podłoża i to za pomocą specjalnej technologii, gdzie się odpowietrza klej tak, by nawet jeden pęcherzyk powietrza w nim nie pozostał. Jeden pęcherzyk może spowodować, że w czasie cięcia ingot pęknie w sposób niekontrolowany, a wtedy powstaje ogromna strata.

Baterie krzemowe są kosztowne w produkcji ze względu na kapitałochłonną metodę ich wytwarzania, która przyszła z przemysłu mikroprocesorowego. Oprócz tego, jakość polikryształów jest zbyt dobra niż potrzeba w produkcji paneli fotowoltaicznych. Mimo tego, około 93% aktualnej produkcji komórek solarnych jest oparte na komórkach krzemowych.
Wysoki koszt komórek krzemowych (odpowiedzialnych za 40-50% kosztów końcowego produktu) spowodował, że producenci szukają tańszych materiałów. Jednak do dziś nie ma prawdziwych zamienników.

Dalsze operacje w produkcji paneli fotowoltaicznych to między innymi nanoszenie fosforowej powłoki, gdy kwas fosforowy rozpuszczony w alkoholu nanosi się precyzyjnie w celu wytworzenia połączeń p-n.
Roztwór fosforowy nanosi się natryskiem lub za pomocą napylania oparów.

Metoda natryskowa ma jednak kilka zalet w stosunku do napylania w próżni:

  • można osiągnąć wyższą efektywność komórki, nawet o 16%;
  • proces wsadowy można przekształcić w proces ciągły;
  • niższe są koszty inwestycji.

Inną operacją nakładania płynu jest przyklejanie tzw. „Junction-Box”, czyli puszki przyłączeniowej. Operacja ta musi być przeprowadzona bardzo dokładnie ze względu na wysokie napięcie złącza fotowoltaicznego, które może sięgać 2 kV, przy narażeniu na ciągły kontakt z warunkami atmosferycznymi. Dlatego przeprowadza się w sumie dwie operacje: klejenia J-Boxa i jego zalewanie. Zalewanie zwykle przeprowadza się za pomocą silikonowych kauczuków dwuskładnikowych. Zalewa musi utwardzać się szybko, więc do jej obróbki stosuje się urządzenia mieszające produkty dwuskładnikowe na miejscu, czasem również od razu odpowietrzające materiał. Powietrze wtłoczone do zalewy w czasie wlewania jej do zbiornika może być zagrożeniem dla odpowiedniej izolacji.

Inną operacją dozowania, wymagającą precyzji i powtarzalności, jest lutowanie elementów solarnych między sobą oraz łączenie ich do podłoża. Nałożenie agresywnego fluksu jest operacją dość krytyczną: za mała ilość to słabe złącze elektryczne. Zbyt duża – to groźba podpłynięcia i zagrożenie delaminacją.
Czasem proponuje się w tym miejscu stosowanie klejów elektroprzewodzących. Charakteryzują się one porównywalną skutecznością jak złącza lutowane.

 

Bardzo chciałbym umieścić obok fotografie klejonych podzespołów, zalewanych elementów, powlekanych powierzchni… jednak większość firm produkujących panele słoneczne zastrzegła, by nie udostępniać żadnych danych, podpisując z nami stosowne umowy.

Autor: Marek Bernaciak

Jesteś zainteresowany?

Zapraszamy do kontaktu