Wraz z rozwojem technologii wzrasta zapotrzebowanie na energię, a energia słoneczna jako czyste i odnawialne źródło przyciąga coraz większą uwagę.
Panele fotowoltaiczne, jako jedno z głównych urządzeń do wytwarzania energii słonecznej, mają wydajność i koszt jako kluczowe czynniki ograniczające ich powszechne zastosowanie. Aby rozwiązać te problemy, naukowcy nieustannie badają nowe materiały i technologie. Wśród nich, Tworzywa sztuczne konstrukcyjne, charakteryzujące się doskonałymi właściwościami, takimi jak duża sztywność, niskie pełzanie, wysoka wytrzymałość mechaniczna, dobra odporność na ciepło i doskonała izolacja elektryczna, stały się kluczową alternatywą dla metali w przypadku materiałów konstrukcyjnych w produkcji paneli fotowoltaicznych.
Według danych instytucji zajmujących się badaniami rynku, roczna wartość produkcji na światowym rynku podzespołów fotowoltaicznych szacowana jest na ok. 4–5 mld dolarów amerykańskich, z czego ponad 5 mld przypada na podzespoły z tworzyw sztucznych.
Czym są tworzywa sztuczne inżynieryjne?
Tworzywa sztuczne inżynieryjne to rodzaj wysokowydajnego plastiku znanego ze swoich doskonałych właściwości mechanicznych, odporności chemicznej, stabilności termicznej i odporności na zużycie. Te tworzywa sztuczne służą jako materiały inżynieryjne, mogące zastąpić metale w produkcji elementów maszyn i innych zastosowaniach. Znajdują szerokie zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu, w tym w elektronice, motoryzacji, budownictwie, sprzęcie biurowym, maszynach, lotnictwie i innych.
Rozwój tworzyw konstrukcyjnych nie tylko wspiera kluczowe gałęzie przemysłu krajowego i nowoczesne sektory high-tech, ale także stymuluje transformację tradycyjnych gałęzi przemysłu i dostosowanie struktur produktów. Ich wszechstronność sprawia, że nadają się do szerokiego zakresu złożonych zastosowań inżynieryjnych, zapewniając innowacyjne rozwiązania w różnych sektorach i odgrywając kluczową rolę w nowoczesnej produkcji.
Zastosowanie różnych tworzyw sztucznych do produkcji paneli fotowoltaicznych
01 Poliwęglan (PC)
Poliwęglan jest optycznym plastikiem znanym z wysokiej wytrzymałości, odporności na uderzenia i przejrzystości. Jest lżejszy od szkła, ma dobrą odporność na warunki atmosferyczne i jest odporny na korozję chemiczną. Poliwęglan jest powszechnie stosowany w produkcji okularów ochronnych, osłon twarzy, osłon lamp samochodowych, paneli wyświetlaczy itp.
Zastosowanie poliwęglanu w panelach fotowoltaicznych
(1) Materiał obudowy: Poliwęglan, ze względu na swoją wysoką wytrzymałość, odporność na uderzenia i przejrzystość, jest często stosowany jako materiał obudowy paneli fotowoltaicznych. Służy do ochrony ogniw słonecznych i innych kluczowych komponentów przed zewnętrznymi uszkodzeniami środowiskowymi, takimi jak uderzenia, warunki atmosferyczne i promieniowanie UV.
(2) Materiał tylnej warstwy: W panelach fotowoltaicznych poliwęglan może również pełnić funkcję materiału tylnej warstwy. Tylna warstwa znajduje się na tylnej stronie ogniw słonecznych, zapewniając strukturalne wsparcie i ochronę elementów baterii. Tylne warstwy poliwęglanowe zapewniają dobrą wytrzymałość i odporność na warunki atmosferyczne, skutecznie zabezpieczając ogniwa słoneczne i wydłużając ich żywotność.
(3) Materiał uszczelniający: Panele fotowoltaiczne wymagają doskonałych właściwości uszczelniających, aby zapobiec przedostawaniu się wilgoci, kurzu i innych zanieczyszczeń do wnętrza panelu. Poliwęglan może być stosowany jako materiał uszczelniający do hermetyzacji i zabezpieczania ogniw słonecznych i innych komponentów, zapewniając długoterminową stabilną pracę paneli fotowoltaicznych.
(4) Płytka światłowodowa: Materiały poliwęglanowe mają wysoką wydajność transmisji światła, co czyni je odpowiednimi do produkcji płyt światłowodowych. Płytki światłowodowe służą do kierowania światła z krawędzi panelu fotowoltaicznego do obszaru ogniwa słonecznego, zwiększając efektywność wykorzystania światła.
Kluczowi dostawcy
Bayer AG, LG Chem, Sumitomo Chemical Co., Ltd., Mitsubishi Chemical Corporation, Sumitomo Chemical Co., Ltd., Japan Electrical Chemicals (NEC), Shanghai Organic Glass Factory Co., Ltd.
Zalety poliwęglanu
(1) Odporność na uderzenia: Poliwęglan wykazuje doskonałą odporność na uderzenia, skutecznie zapobiegając pękaniu lub uszkodzeniom paneli.
(2) Wysoka przejrzystość: Poliwęglan charakteryzuje się doskonałą przejrzystością, skutecznie przepuszczając światło słoneczne do warstwy ogniw słonecznych.
(3) Lekkość: W porównaniu do tradycyjnych materiałów szklanych poliwęglan jest lżejszy, co przyczynia się do zmniejszenia wagi paneli fotowoltaicznych, ułatwiając instalację i transport.
(4) Odporność na warunki atmosferyczne: Poliwęglan ma dobrą odporność na warunki atmosferyczne, opiera się działaniu promieniowania UV, wilgoci i zmianom temperatury, zachowując stabilność i trwałość panelu.
Podsumowując, poliwęglan jest szeroko stosowany w panelach fotowoltaicznych, gdzie spełnia ważne funkcje, takie jak ochrona, wsparcie, uszczelnienie i transmisja optyczna, przyczyniając się do poprawy wydajności i niezawodności paneli fotowoltaicznych.
02 Polimetakrylan metylu (PMMA)
Polimetakrylan metylu, znany również jako akryl lub szkło akrylowe, jest optycznym plastikiem charakteryzującym się doskonałą przejrzystością i jakością optyczną. Posiada wysoką odporność na promieniowanie ultrafioletowe (UV) i wyjątkową odporność na warunki atmosferyczne.
Zastosowanie polimetakrylanu metylu w panelach fotowoltaicznych
(1) Soczewki optyczne: PMMA, ze względu na swoją dobrą przejrzystość i jakość optyczną, jest powszechnie stosowany w produkcji soczewek optycznych do paneli fotowoltaicznych. Soczewki optyczne koncentrują światło na powierzchni ogniw słonecznych, zwiększając wydajność absorpcji światła. Soczewki PMMA mają wysoką transmisję, umożliwiając skuteczniejszą konwersję światła słonecznego na energię elektryczną.
(2) Płytki światłowodowe: Płytki światłowodowe kierują światło z krawędzi paneli fotowoltaicznych do obszaru ogniw słonecznych, poprawiając efektywność wykorzystania światła. PMMA, dzięki swojej wysokiej wydajności transmisji światła, może być używany do produkcji płytek światłowodowych, optymalizując dystrybucję światła i transmisję w celu zwiększenia efektywności panelu.
(3) Osłony i obudowy ochronne: PMMA może również służyć jako osłony ochronne i materiały do obudowy paneli fotowoltaicznych. Posiada doskonałą przejrzystość i odporność na uderzenia, skutecznie chroniąc ogniwa słoneczne i inne kluczowe komponenty przed zewnętrznymi uszkodzeniami środowiskowymi, takimi jak uderzenia, pogoda i promieniowanie UV.
Kluczowi dostawcy
Evonik Industries, Rohm Co., Ltd., Mitsubishi Chemical Corporation, Sumitomo Chemical Co., Ltd., Chimei Corporation, KOLON Industries, Inc., Kuraray Co., Ltd., Suzhou Double Elephant Microfibers Co., Ltd., Wanhua Chemical Group Co., Ltd., Huizhou Huifeng Chemical Co., Ltd.
Zalety polimetakrylanu metylu
(1) Wysoka przejrzystość: PMMA charakteryzuje się doskonałą przejrzystością, skutecznie przepuszczając światło słoneczne do warstwy ogniw słonecznych, zwiększając w ten sposób efektywność absorpcji światła.
(2) Lekkość: PMMA ma niską gęstość, dzięki czemu jest materiałem, który może zmniejszyć całkowitą wagę paneli fotowoltaicznych, ułatwiając instalację i transport.
(3) Odporność na warunki atmosferyczne: PMMA wykazuje dobrą odporność na warunki atmosferyczne, opiera się działaniu promieniowania UV, wilgoci i zmianom temperatury, co wydłuża żywotność panelu.
(4) Odporność na uderzenia: PMMA charakteryzuje się dobrą odpornością na uderzenia, skutecznie chroniąc ogniwa słoneczne i inne kluczowe elementy przed uderzeniami zewnętrznymi.
Podsumowując, PMMA, stosowany jako soczewki optyczne, płytki światłowodowe i materiały obudów paneli fotowoltaicznych, oferuje doskonałą przejrzystość, lekkość, odporność na warunki atmosferyczne i odporność na uderzenia. Odgrywa kluczową rolę w poprawie efektywności absorpcji światła, dystrybucji i transmisji światła oraz ochronie ogniw słonecznych w panelach fotowoltaicznych.
03 Polistyren (PS)
Polistyren jest optycznym plastikiem o wysokiej przezroczystości i współczynniku załamania światła. Wykazuje dobrą jednorodność optyczną i jakość powierzchni, powszechnie stosowany w produkcji soczewek optycznych, podłoży i światłowodów.
Zastosowanie polistyrenu w panelach fotowoltaicznych
(1) Warstwa dielektryczna: Warstwa dielektryczna w panelach fotowoltaicznych jest umieszczona między ogniwami słonecznymi a tylną warstwą, służąc do izolowania prądu między ogniwami i innymi komponentami, zapobiegając zwarciom i uszkodzeniom. Folia polistyrenowa może być stosowana jako materiał warstwy dielektrycznej, zapewniając właściwości izolacyjne, które skutecznie izolują prąd.
(2) Płytka światłowodowa: Płytki światłowodowe w panelach fotowoltaicznych kierują światło z krawędzi panelu do obszaru ogniwa słonecznego, zwiększając efektywność wykorzystania światła. Polistyren, dzięki swojej wysokiej wydajności transmisji światła, może być wykorzystywany jako materiał na płytki światłowodowe, pomagając w optymalizacji dystrybucji i transmisji światła.
(3) Elementy pomocnicze: Polistyren może być również stosowany do elementów pomocniczych w panelach fotowoltaicznych, takich jak konstrukcje wsporcze i łączniki. Ze względu na niską gęstość i dobre właściwości przetwórcze polistyren może oferować lekkie rozwiązania w zakresie podpór i połączeń.
Kluczowi dostawcy
DOW (Dow Chemical), BASF, FINA, CHEVRON (Chevron Phillips Chemical Company), INEOS Styrolution, TotalEnergies, Styron (Trinseo), Sinopec i JSP (Jiangsu Sunplas Co., Ltd.).
Zalety polistyrenu
(1) Niskie koszty: Polistyren to powszechnie stosowany plastik o niższych kosztach produkcji, co przyczynia się do obniżenia kosztów produkcji paneli fotowoltaicznych.
(2) Lekkość: polistyren ma niską gęstość, dzięki czemu jest stosunkowo lekki, co pozwala na zmniejszenie całkowitej masy paneli fotowoltaicznych, a tym samym łatwiejszy montaż i transport.
(3) Właściwości izolacyjne: Polistyren wykazuje dobre właściwości izolacyjne, skutecznie izolując prąd i zwiększając bezpieczeństwo oraz niezawodność paneli fotowoltaicznych.
(4) Wydajność transmisji światła: Polistyren charakteryzuje się wysoką przejrzystością i wydajnością transmisji światła, co pozwala na skuteczniejsze przekazywanie światła do warstwy ogniw słonecznych, zwiększając w ten sposób wydajność absorpcji światła przez panele fotowoltaiczne.
04 Polietylen (PE)
Polietylen jest powszechnym materiałem z tworzywa sztucznego, znanym z wysokiej przejrzystości i doskonałej odporności na korozję chemiczną. Jest on zazwyczaj stosowany w produkcji folii, materiałów opakowaniowych, powłok optycznych itp.
Zastosowanie polietylenu w panelach fotowoltaicznych
(1) Materiał tylnej warstwy: Polietylen może być stosowany jako materiał tylnej warstwy paneli fotowoltaicznych. Tylna warstwa znajduje się na tylnej stronie ogniw słonecznych, zapewniając strukturalne wsparcie i ochronę elementów baterii. Tylne warstwy polietylenowe wykazują dobrą wytrzymałość, odporność na warunki atmosferyczne i korozję chemiczną, skutecznie zabezpieczając ogniwa słoneczne i wydłużając ich żywotność.
(2) Materiał uszczelniający: Panele fotowoltaiczne wymagają skutecznego uszczelnienia, aby zapobiec przedostawaniu się wilgoci, kurzu i innych zanieczyszczeń do wnętrza panelu. Polietylen można wykorzystać jako materiał uszczelniający do enkapsulacji i zabezpieczania ogniw słonecznych i innych komponentów, zapewniając długoterminową stabilną pracę paneli fotowoltaicznych.
(3) Elementy pomocnicze: Polietylen może być również stosowany do elementów pomocniczych w panelach fotowoltaicznych, takich jak konstrukcje wsporcze i łączniki. Ze względu na niską gęstość i dobre właściwości przetwórcze polietylen może zapewnić lekkie rozwiązania w zakresie podpór i połączeń.
Kluczowi dostawcy
Toray Industries, Inc., LG Chem, Sumitomo Chemical Co., Ltd., Mitsubishi Chemical Corporation, Japan Electrical Chemicals (NEC), Shanghai Organic Glass Factory Co., Ltd.
Zalety polietylenu jako materiału na panele fotowoltaiczne
(1) Niskie koszty: Polietylen to powszechnie stosowany plastik o niższych kosztach produkcji, co przyczynia się do obniżenia kosztów produkcji paneli fotowoltaicznych.
(2) Lekkość: Polietylen ma niską gęstość, dzięki czemu jest stosunkowo lekki, co pozwala na zmniejszenie całkowitej masy paneli fotowoltaicznych, a co za tym idzie, łatwiejszą instalację i transport.
(3) Odporność na warunki atmosferyczne: Polietylen wykazuje dobrą odporność na warunki atmosferyczne, opiera się działaniu promieniowania UV, wilgoci i zmianom temperatury, co wydłuża żywotność panelu.
(4) Odporność na korozję chemiczną: Polietylen charakteryzuje się dobrą odpornością na korozję chemiczną, a także jest w stanie oprzeć się działaniu niektórych substancji chemicznych, co zwiększa trwałość paneli fotowoltaicznych.
05 Politetrafluoroetylen (PTFE)
Politetrafluoroetylen jest optycznym plastikiem znanym ze swojej obojętnej natury i odporności na wysoką temperaturę. Wykazuje doskonałą odporność chemiczną, odporność na ciepło i niski współczynnik tarcia, powszechnie stosowany w produkcji powłok optycznych, materiałów uszczelniających i urządzeń optycznych w środowiskach o wysokiej temperaturze.
Zastosowanie politetrafluoroetylenu w panelach fotowoltaicznych
(1) Warstwa dielektryczna: Politetrafluoroetylen może być stosowany jako jeden z materiałów dielektrycznych w panelach fotowoltaicznych. Warstwa dielektryczna jest umieszczona między ogniwami słonecznymi a tylną warstwą, izolując prąd między ogniwami i innymi komponentami, aby zapobiec zwarciom i uszkodzeniom. PTFE ma doskonałe właściwości izolacyjne i odporność na korozję chemiczną, skutecznie izolując prąd.
(2) Materiał uszczelniający: Panele fotowoltaiczne wymagają skutecznego uszczelnienia, aby zapobiec przedostawaniu się wilgoci, kurzu i innych zanieczyszczeń do wnętrza panelu. PTFE, charakteryzujący się wyjątkową odpornością na korozję chemiczną, odpornością na wysokie temperatury i niskim współczynnikiem tarcia, może służyć jako doskonały materiał uszczelniający, gwarantujący długoterminową, stabilną pracę paneli fotowoltaicznych.
(3) Materiał powłoki: PTFE może być stosowany jako materiał powłokowy do paneli fotowoltaicznych, zapewniając funkcje takie jak ochrona przed zabrudzeniem, odporność na zarysowania, odporność na promieniowanie UV i odporność na warunki atmosferyczne. Posiada dobrą odporność chemiczną i niską przyczepność powierzchniową, co pozwala powłoce chronić powierzchnię panelu przed zanieczyszczeniem i uszkodzeniem.
Kluczowi dostawcy
DuPont, LG Chem, Toray Industries, Inc., Sumitomo Chemical Co., Ltd., Mitsubishi Chemical Corporation, Japan Electrical Chemicals (NEC), Shanghai Organic Glass Factory Co., Ltd.
Zalety politetrafluoroetylenu jako materiału na panele fotowoltaiczne
(1) Odporność na wysoką temperaturę: PTFE charakteryzuje się doskonałą odpornością na wysokie temperatury, zachowując stabilność w środowiskach o wysokiej temperaturze, odpowiednich do warunków pracy paneli fotowoltaicznych.
(2) Odporność na korozję chemiczną: PTFE wykazuje wyjątkową odporność na korozję chemiczną, będąc odpornym na działanie kwasów, zasad i innych substancji chemicznych, co wydłuża żywotność panelu.
(3) Niski współczynnik tarcia: PTFE ma wyjątkowo niski współczynnik tarcia, co zmniejsza tarcie powierzchniowe i zużycie, zwiększając wydajność i żywotność panelu.
(4) Doskonałe właściwości antyzabrudzeniowe: Powłoki PTFE wykazują doskonałe właściwości antyzabrudzeniowe, skutecznie redukując przywieranie brudu i kurzu, utrzymując czystość i wydajność absorpcji światła przez panel. Ważne jest, aby pamiętać, że produkcja i stosowanie PTFE wymagają specjalnej obsługi i wymagań technicznych ze względu na jego słabą przyczepność do innych materiałów. Dlatego też, podczas stosowania PTFE w panelach fotowoltaicznych, konieczne są odpowiednie metody przetwarzania i łączenia, aby zapewnić dobrą przyczepność i współpracę z innymi komponentami.
Perspektywy rozwoju i wyzwania dla tworzyw konstrukcyjnych
Horyzont
Lekkość i elastyczność
Tworzywa sztuczne inżynieryjne charakteryzują się lekkością i elastycznością, co czyni je odpowiednimi do zastosowań w elastycznej technologii fotowoltaicznej i giętkich bateriach. Ułatwia to realizację bardziej elastycznych i lekkich urządzeń fotowoltaicznych w różnych scenariuszach.
Niższe koszty produkcji
Wykorzystanie tworzyw sztucznych do produkcji materiałów fotowoltaicznych wiąże się zazwyczaj z niższymi kosztami produkcji w porównaniu z tradycyjnymi materiałami szklanymi. Pomaga to obniżyć koszty produkcji paneli fotowoltaicznych, zwiększając konkurencyjność komercyjną technologii fotowoltaicznej.
Odporność na uderzenia i warunki atmosferyczne
Tworzywa sztuczne inżynieryjne charakteryzują się dobrą odpornością na uderzenia i warunki atmosferyczne, zapewniając ochronę ogniw słonecznych i innych komponentów w trudnych warunkach środowiskowych. Zwiększa to trwałość paneli fotowoltaicznych, umożliwiając im stabilną pracę na zewnątrz przez długi czas.
Problemy i wyzwania
Wydajność inżynierska
Panele fotowoltaiczne wymagają doskonałych parametrów optycznych, w tym takich czynników jak przepuszczalność, współczynnik załamania światła i dyspersja. Podczas opracowywania materiałów z tworzyw sztucznych do zastosowań inżynieryjnych kluczowe jest zapewnienie, że mogą one zapewnić wystarczającą przepuszczalność światła i przezroczystość, aby utrzymać wydajność paneli fotowoltaicznych.
Stabilność termiczna
Panele fotowoltaiczne działają w środowiskach o wysokiej temperaturze, co wymaga stosowania tworzyw sztucznych o dobrej stabilności termicznej, aby zapobiec mięknięciu lub degradacji materiałów plastikowych, co mogłoby mieć wpływ na wydajność i żywotność panelu.
Odporność na promieniowanie UV
Panele fotowoltaiczne muszą wytrzymywać wpływ promieniowania UV, aby zapobiec starzeniu się i żółknięciu materiałów plastikowych. Opracowanie tworzyw sztucznych o dobrej odporności na warunki atmosferyczne i promieniowanie UV stanowi krytyczne wyzwanie.
Zrównoważony rozwój
W dziedzinie fotowoltaiki zrównoważony rozwój i świadomość ekologiczna stają się coraz ważniejsze. Opracowywanie tworzyw sztucznych nadających się do recyklingu i ponownego użycia oraz przyjmowanie przyjaznych dla środowiska metod produkcji i utylizacji to kluczowe aspekty napędzania zrównoważonego rozwoju w sektorze fotowoltaicznym.
Obecnie zastosowanie tworzyw konstrukcyjnych w dziedzinie fotowoltaiki jest stosunkowo nowe i nadal znajduje się w fazie badań i rozwoju. Pomimo istniejących wyzwań, wraz z postępem technologicznym i innowacjami, perspektywy zastosowania tworzyw konstrukcyjnych w dziedzinie fotowoltaiki pozostają obiecujące, mając potencjał, aby przynieść więcej korzyści i innowacji technologii fotowoltaicznej.
