用復材簡化太陽能電池板
通過復合材料實現更輕、更耐用的太陽能收集器太陽能創新者 Armageddon energy（美國加利福尼亞州門洛帕克）與美國空軍和代頓大學研究所（美國俄亥俄州代頓 UDRI）合作開展了這一試點項目，以展示堅固耐用的復合材料密集型太陽能電池板在離網地區軍事行動中的價值。所示的便攜式面板架也是復合材料的，由 Sollega（美國加利福尼亞州舊金山）制造。
復合材料實現緊湊設計
使用EconCore/Vizilon復合夾芯板作為太陽能電池板的背面支撐，可以輕松地加工出一個口袋來固定接線盒，從而實現更緊湊的安裝
無玻璃和鋁的幾何形狀 Armageddon 堅固耐用的 2.0 版太陽能電池板，具有透明的聚合物表面和復合材料背面支撐，在層壓后立即顯示。與玻璃前片和鋁框架制成的太陽能電池板相比，這種配置使太陽能電池板的成品重量減少了70-80%
太陽能的歷史以波峰和波谷著稱。早在1839年， 人們就發現某些材料在暴露于陽光下時具有導電性。1905年，阿爾伯特·愛因斯坦參與了光電效應的研究，1913年，美國第一個“太陽能電池”專利獲得批準。貝爾實驗室（現為美國新澤西州默里山的諾基亞貝爾實驗室）在20世紀50年代初推出了可工作的太陽能電池，最終為美國的太空任務提供了動力。
從那時起，盡管由于產能過剩、價格壓力、稅收補貼和信貸的變化、時機不好和/或運氣不好，太陽能 初創公司出現了一系列驚人的破產，但該技術已經成熟，太陽能電池的能效也有所提高。在過去的兩年里，行業增長迅速，更重要的是，太陽能裝置也在增長。Adam Vaughan于2017年3月7日在《衛報》上發表的一篇報道稱，2016年太陽能發電量增長了 50%， 全球發電量達到305吉瓦。在美國，太陽能行業協會 （美國華盛頓特區）的《2016 年太陽能市場洞察報告》（solar Market Insight Report 2016 Year in Review）報道稱，與2015年相比，2016 年美國太陽能裝機量幾乎翻了一番。此外，預計未來 5 年，美國太陽能總裝機容量將增加近三倍。到2022年，每年將安裝超過18吉瓦的太陽能光伏發電量。
“在過去的十年里，太陽能已經成為最便宜的能源， ”世界末日能源公司（美國加利福尼亞州門洛帕克）首席執行官 Mark Goldman 解釋道。他說，每瓦的成本——太陽能系統的總成本除以發電量——已經從 7 美元下降到了 3 美元左右。 “行業確實受到了影 響， ”他在談到之前參與者的命運時說道，但他指 出，人們對太陽能的興趣仍然很強烈。 “產量繼續驚 人地增長。 ”考慮到需求，Goldman公司最近推出了一種新型的復合材料密集型屋頂太陽能電池板系統， 該系統比典型的太陽能電池板重量輕得多，也更堅固。
即插即用太陽能
Goldman解釋道： “太陽能電池板傳統上是用浮 法玻璃生產的，浮法玻璃具有剛性、良好的防潮性能 和良好的透光性能。 ” 這種玻璃通常涂有涂層以降低反射率和防污，比窗戶玻璃更貴，在某些情況下，還經過回火（鋼化），增加了成本。盡管這些級別的玻 璃不太容易破碎，但它們增加了重量，這對屋頂安裝 來說是一個挑戰，而且隨著時間的推移，它們可能會變得渾濁，從而降低能源效率。而且，它們必須是矩形的。
Goldman 繼續說道： “我們最初的戰略是為消費者提供一個易于安裝、美觀性更好、整體系統尺寸更 小的系統，減少對客戶所有用電量的清零，更多地抵 消昂貴的峰值用電量，平均系統提供 2-3 千瓦，而不是 典型的 5-6 千瓦。 ” ，透明的乙烯-四氟乙烯（ETFE） 聚合物膜，商標為 Tefzel，來自杜邦性能材料公司（美 國，德國，威爾明頓），產生了世界末日 1.0 版面板設計 SolarClover，這是業界第一塊符合太陽能行業UL1703標準（平板光伏模塊和面板標準）的薄膜覆蓋 太陽能面板。
Goldman說： “我們想超越玻璃，有了ETFE薄膜，我們的第一個版本足夠輕，孩子可以單手舉起， 而且設計獨特。 ” “預接線的快速組裝架是為屋頂工或電工設計的，沒有經過專門的太陽能培訓。 ”SolarClover的一個著名屋頂安裝是位于美國加利福尼亞州圣何塞的市政廳。
尋找替代材料
自最初的設計以來，該公司一直在不斷創新，并提出了一種新的、穩健的矩形面板設計。Goldman說： “我們的動力是加倍努力，使我們與眾不同。 ”這些因素包括重量輕、耐用性、安全性以及能夠廉價生產定制面板。我們是一家科技公司，所以我們不能停 滯不前。 ”他補充道，世界末日決定淘汰鋁，以降低觸電風險，降低成本，并生產出比第一塊面板更安全、 更堅固、甚至更輕的復合材料密集型設計。新設計源于該公司決定暫時放棄住宅應用，并尋求為商業和軍 用微電網提供電力的利基市場，在這些領域，安裝方便和穩健的設計至關重要。他強調，面板設計的關鍵障礙是選擇不比標準玻璃和鋁材料貴的材料，以及能夠在標準設備上大規模生產： “這是一個成本競爭非常 激烈的市場。我們知道我們的材料、方法和相關成本，也知道我們的優勢所在，但這仍然是一條漫長的路。 ”
為了實現這種改進的設計，該公司向其長期合作伙伴杜邦提出了要求。杜邦向EconCore介紹了Armageddon，這是一家蜂窩芯制造商，通過一系列熱成型、分切和折疊步驟，使用大批量、連續的工藝從一卷熱塑性片材在線形成蜂窩板。
該小組確定，EconCore的ThermHex 熱塑性蜂窩板由杜邦Zytel聚酰胺樹脂膜制成，面板表層由杜邦Vizilon熱塑性復合材料（TPC-thermoplastic composite）聚酰胺片制成，用斜紋織物中的連續玻璃纖維增強，將形成一種堅固堅硬的面板，能夠取代結構背板中的鋁，用于版本1.0，杜邦公司項目經理Janet Sawgle說。 事實上，帶有Vizilon外皮的EconCore ThermHex 使核心面板產品重量最小，強度和剛度高，具有足夠的耐熱性，可以承受高溫（制造過程中高達 150°C，以及 在烈日下屋頂面臨的長期應力）。Sawgle補充道： “我們正在進行現場和實驗室測試，以進一步證明這些面板的性能。 ”
蜂窩板很容易操作， ”Goldman說。 “我們可以對我們想要的功能進行加工和成型，而不會產生玻璃纖維產生的灰塵。它們滿足我們30年的風化要求和應用需求——在惡劣的戶外環境中快速安裝和恢復能力。 ”
隨著新支架或“基底”的開發，Goldman描述了1.7米乘1.1米乘 17毫米厚、300瓦、7.7公斤的其余面 板是如何組合在一起的，他稱之為“封裝”的工藝， 是所有太陽能電池制造的典型工藝： “我們將高效單晶太陽能電池層壓到復合基板上，使用密封劑來保護 電池，通常是乙烯醋酸乙烯酯或乙烯-醋酸乙烯酯共聚物-EVA，并使用ETFE前片來保護面板的前部，提供我們想要的性能優勢。 ”
在放入電池組之前，電池已進行了接線和串聯連接。透明ETFE的厚度為2-5密耳，具體取決于應用。 該疊層在真空下的熱壓中層壓10-20分鐘。熱量和壓力導致EVA在制造過程中避免損壞脆弱的電池。
Goldman補充道： “EconCore/Vizilon 面板在層壓機中保持良好，如果需要，甚至可以為特定客戶將其 熱成型為簡單的彎曲形狀。如果需要更高的強度或更輕的重量，我們可以指定更高強度的 Vizilon 或碳纖維代替玻璃的級別。 ” 。他指出，堅固耐用的2.0版面板 可以制成薄至11毫米的輪廓。對于下面描述的軍事項 目，選擇了17毫米的厚度，以便在 EconCore/Vizilon背板中加工口袋，以容納嵌入式電氣接線盒（見上圖）。
微電網生態位
Armageddon與美國空軍和代頓大學研究所（美國俄亥俄州代頓）合作開展了一個試點項目，以展示堅固的太陽能電池板在離網地區軍事行動中的價值。該 項目建造了50多塊2.0版復合材料面板。Goldman聲稱： “對于其中一個試點系統，當UDRI使用標準 （玻璃）面板時，安裝團隊花了兩天時間來設置該系統。 ” 。 “我們的面板需要40分鐘，而且面板的重量還不到一半。 ”Armageddon與Sollega（美國加利福尼亞州舊金山）合作安裝面板，Sollega是一家簡單的現 成復合面板支架系統制造商。安裝的速度和簡單性使面板能夠快速激活。
Goldman指出： “有了更輕的面板，屋頂可以容 納更多的面板，從而獲得更大的功率輸出。 ” 。而且，安裝可以更容易、更快地在地面完成，就像UDRI項目一樣。Armageddon目前正在與客戶合作，為每個裝置制作定制設計。Goldman指出，該公司有一個長期計劃，開發一種用于住宅屋頂安裝的全復合支架， 并尋求與Sollega和類似公司的合作伙伴關系。
Goldman總結道： “太陽能，盡管有起有落，但現在勢不可擋。在未來很長一段時間內，它將繼續以驚人的速度增長。太陽能將大大提高我們電力和通信網絡的彈性，對于全世界數十億無法獲得可靠電力的人來說，它將為最需要它的人帶來一波繁榮。 ”
注：原文見，《 Simplifying the solar panel with composites 》2017．11．13
楊超凡 2023.10.20
