Почему стекло солнечных панелей текстурированное, а не гладкое
Содержание
Присмотритесь к передней части солнечного модуля — и стекло окажется не гладким листом, как в окне. Оно покрыто нерегулярными ямками. Большинство людей считают это дефектом производства. На самом деле это одна из наиболее тщательно спроектированных поверхностей во всём модуле.
Материалы ФЭ · Стекло модуля · автор Jerry, Ooitech
1. Спроектированная поверхность, а не дефект
Рис. 1: Переднее стекло модуля в отражённом свете. Выделенная область показывает нерегулярную ямчатость, придающую поверхности характерный вид. Рисунок намеренный, и именно он превращает зеркало в коллектор света.
Структура имеет две поверхности с разными характеристиками. Внешняя поверхность, та, что контактирует с воздухом, — это текстурированная поверхность из нерегулярных ямок микронного масштаба. Внутренняя поверхность, та, что соединена с инкапсулянтом, несёт регулярный тиснёный рисунок. Вместе они — причина того, что передняя часть модуля выглядит слегка матовой, а не стеклянной, и обе присутствуют по оптическим причинам.
2. Причина первая: снижение потерь на отражение
Гладкое стекло ведёт себя как частичное зеркало. Около 8 процентов солнечного света, попадающего на полированную поверхность, отражается прямо обратно в небо и никогда не достигает ячейки. В модуле это 8 процентов энергии, за которую вы заплатили, чтобы её выработать, потерянные на самом внешнем слое прежде, чем что-либо ещё произойдёт.
Текстурированная внешняя поверхность это разрушает. Неровности микронного масштаба рассеивают падающий пучок так, что свет, приходящий под малым углом, перенаправляется, а не отскакивает, и часть его преломляется в ячейку, а не от неё. Тот же механизм удлиняет оптический путь внутри модуля, что даёт кремнию больше возможностей поглотить то, что уже вошло.
Рис. 2: Крупный вид поверхности стекла. В этом масштабе ямчатость превращается в плотный, регулярный микрорисунок. И рассеяние, и пропускание зависят от геометрии этих элементов, поэтому рисунок задаётся спецификацией, а не оставляется на волю случая.
3. Причина вторая: распределение света по ячейке
Вторая задача — равномерность. Если свет приходит неравномерно, некоторые области ячейки работают интенсивнее других, и модуль работает ниже суммы своих частей. Сочетание текстурированной внешней поверхности и структурированной внутренней поверхности распределяет падающий свет более равномерно по поверхности ячейки, так что освещённая площадь используется полнее и эффективность преобразования повышается.
Это важнее, чем звучит, для форматов с разрезанными и черепичными ячейками, где ячейки разделены на меньшие части. Неравномерное освещение взаимодействует с тем, как эти части соединены между собой, а причина, по которой модули с разрезанными ячейками ведут себя иначе при частичном затенении, рассмотрена в нашем анализе устойчивости к затенению разрезанных ячеек.
4. Причина третья: свет, приходящий под углом
Солнечный свет перпендикулярен модулю лишь короткую часть дня. Утром, вечером и в течение зимы свет приходит под выраженным углом, и именно здесь тиснёная поверхность отличается от плоской.
По мере роста угла падения пропускание тиснёного стекла растёт относительно гладкого стекла, а не падает так резко. На практике модуль восстанавливает производительность в те часы дня и времена года, когда плоская поверхность её теряла бы. Поскольку модуль проводит большую часть своей жизни вне пиковой перпендикулярной облучённости, это не маргинальный эффект.
5. Как на самом деле создаются ямки
Два процесса создают две поверхности.
| Поверхность | Процесс | Результирующая структура |
|---|---|---|
| Внутренняя (сторона инкапсулянта) | Каландрирование при выходе стекла из печи: расплавленная лента проходит между валками, один из которых несёт точный рельефный рисунок, вдавливаемый в полутвёрдую поверхность | Регулярные массивы заданных форм, обычно пирамидальные, шестиугольные усечённые и четырёхугольные усечённые рисунки |
| Внешняя (сторона воздуха) | Химическое травление для создания случайных ямок, затем антибликовое покрытие наномасштаба — некоторые антибликовые продукты формируют внешнюю поверхность каландрированием вместо этого | Нерегулярная текстура микронного масштаба под пористым антибликовым слоем |
Внутренний рисунок детерминирован: геометрия валка переносится в стекло, поэтому форма и шаг ямок задаются оснасткой, а не случаем. Внешняя поверхность намеренно случайна, потому что рандомизированная текстура рассеивает широко, а не дифрагирует в определённых направлениях. Поверх этой внешней текстуры находится антибликовое покрытие, обычно на основе пористого кремнезёма, которое использует контролируемую структуру пор для дальнейшего снижения отражения и повышения пропускания.
Рис. 3: Тиснёный рисунок на стекле в деталях. Поскольку он переносится с структурированного валка, геометрия воспроизводима от листа к листу — именно это позволяет спецификации стекла указывать рисунок, а не шероховатость.
6. Тот же приём в других местах модуля
Как только вы узнаете, что искать, тот же принцип проектирования обнаруживается в нескольких местах.
- Двухстекольные задние панели. Заднее стекло двухстекольного модуля несёт сопоставимую обработку поверхности по той же причине: свет, достигающий задней части двустороннего модуля, должен быть впущен, а не отражён.
- Гибкие и складные модули. Портативные и складные панели используют ямчатую текстуру поверхности на своём переднем листе для получения аналогичного рассеивающего эффекта без жёсткого стекла.
- Передние листы ETFE. Лицевые листы из фторполимера поставляются с матовой поверхностью, которая выполняет ту же антибликовую функцию в легких модулях.
- Пленки фронтальной пассивации. Оптические и пассивирующие функции также объединяются на уровне ячейки, как в случае с фронтальной пленкой SiNx для TOPCon, где выбор пленки напрямую влияет на мощность модуля.
7. Что проверять при выборе стекла для модуля
Поскольку оптический эффект исходит от поверхности, а не от объема, спецификация стекла, в которой указаны только толщина и закалка, является неполной. Пять характеристик определяют производительность.
| Характеристика | Почему это важно |
|---|---|
| Содержание железа | Низкожелезистое стекло повышает базовое пропускание. Обычное флоат-стекло поглощает в видимом диапазоне и снижает мощность еще до нанесения любого поверхностного покрытия. |
| Внешняя текстура | Определяет поведение отражения и рассеяния, а следовательно, какая доля падающего света достигает ячейки. |
| Внутренний тисненый рисунок | Влияет на распределение света по ячейке и на поведение при ламинации. Геометрия рисунка переносится с оснастки, поэтому она воспроизводима и должна быть указана в спецификации. |
| Антибликовое покрытие | Обеспечивает последний прирост пропускания. Долговечность покрытия важна не меньше его первоначальных характеристик, поскольку оно подвергается воздействию погоды в течение 25 лет. |
| Качество закалки | Это скорее структурная, чем оптическая характеристика, но стекло, разрушающееся механически, утрачивает и оптические свойства. См. как определить, является ли растрескивание полузакаленного стекла самопроизвольным разрушением. |
Ooitech поставляет стекло для модулей вместе с остальной спецификацией материалов, включая плёнкам-инкапсулянтам EVA, POE и EPE, шины, герметики и рамы, что позволяет подбирать стекло и инкапсулянт согласованно, а не закупать их по отдельности. Сама спецификация стекла изложена на нашей странице продукции солнечного стекла, а полная спецификация материалов разобрана в разделе основные материалы солнечных панелей.
Часто задаваемые вопросы
Является ли шероховатая поверхность стекла солнечной панели дефектом?
Нет. Это спроектированная оптическая структура. Внешняя сторона представляет собой текстурированную поверхность из нерегулярных ямок микронного масштаба, а внутренняя сторона несет регулярный тисненый рисунок. Обе они предназначены для увеличения количества света, достигающего ячейки, вместо его отражения.
Сколько света отражает гладкое стекло?
Полированная поверхность стекла отражает примерно 8 процентов падающего солнечного света. В модуле эта потеря происходит на самом внешнем слое, прежде чем свет достигнет ячейки, поэтому столько инженерных усилий вкладывается в поверхность, а не в объем стекла.
Как производится внутренняя структурированная поверхность?
Путем каландрирования. Когда стекольная лента выходит из печи, она проходит между валками, и один из них несет точный выпуклый рисунок, который вдавливается в еще полутвердую поверхность. Обычные геометрии — массивы пирамид, шестиугольных усеченных пирамид и четырехугольных усеченных пирамид. Поскольку рисунок исходит от валка, он воспроизводится от листа к листу.
Из чего состоит антибликовое покрытие?
Обычно это пористый слой на основе кремнезема, наносимый после травления внешней поверхности. Именно пористая структура снижает отражение, поэтому важны как материал, так и геометрия пор. Долговечность при воздействии УФ, влаги и термоциклирования так же важна, как и первоначальный прирост пропускания.
Помогает ли текстура зимой и при низких углах солнца?
Да, и это один из ее сильных аргументов. При больших углах падения тисненое стекло пропускает свет пропорционально лучше, чем гладкое, поэтому модуль лучше работает утром, вечером и в зимние месяцы, когда свет редко падает перпендикулярно поверхности.
Используют ли двусторонние и гибкие модули тот же подход?
Да. Двухстекольные модули применяют аналогичную обработку к заднему стеклу, чтобы свет, достигающий задней стороны, мог проникнуть внутрь. Гибкие и складные модули используют ямчатую фронтальную текстуру, а лицевые листы из ETFE поставляются с матовой поверхностью, которая служит той же антибликовой цели без жесткого стекла.
Заключительные мысли
Ямчатая поверхность стекла для модулей — хорошее напоминание о том, что в производстве модулей самые дешевые улучшения часто оптические, а не электрические. Отражение 8 процентов падающего света ничего не стоит исправить на этапе спецификации стекла и не может быть компенсировано ни на одном последующем этапе. Когда вы указываете стекло, задавайте содержание железа, внешнюю текстуру, внутренний рисунок, антибликовое покрытие и класс закалки вместе, и подбирайте инкапсулянт к нему, а не покупайте их по отдельности. Если вы формируете спецификацию материалов для новой линии, пришлите нам формат модуля и рассматриваемое стекло, и мы скажем, что должна включать оптическая спецификация.
