Fotowoltaika – jak to działa? Zastosowania i projekt ławki

2021-11-26

Fotowoltaika w ostatnim czasie jest bardzo popularnym tematem dotyczącym odnawialnych źródeł energii. W szczególności w Polsce, gdzie rynek obejmujący swoim zakresem sprzedaż oraz montaż tych urządzeń bardzo dynamicznie się rozwija.

W tym artykule przedstawione zostaną historia i teoria związana z tym zagadnieniem, a także zasada działania i budowa panelu fotowoltaicznego. Opisano również ciekawe rozwiązania konstrukcyjne dla instalacji fotowoltaicznych, dzięki możliwości wglądu w bazy patentowe.

W celu zobrazowania jednego z rozwiązań technologicznych podjęto się także stworzenia działającej miniatury ławki solarnej. Przedstawiono poszczególne etapy powstawania prototypu dla tego pomysłu, od stworzenia szkicu koncepcyjnego, zaprojektowania i zamodelowania, aż po druk 3D i montaż gotowego produktu.

Jeśli jesteś zainteresowany procesem tworzenia prototypu zajrzyj tu, a jeśli masz już pomysł na prototyp to sprawdź ofertę naszego biura pod tym adresem.

Historia fotowoltaiki

Instalacje fotowoltaiczne są jedną z najbardziej obiecujących technologii odnawialnych źródeł energii, która może przyczynić się do rozwiązania problemu pozyskiwania czystej, zeroemisyjnej i taniej energii niezbędnej ludzkości.

Fotowoltaika, a właściwie panele fotowoltaiczne odpowiadają za przekształcanie energii słonecznej w prąd wykorzystując efekt fotowoltaiczny. Systemy fotowoltaiczne pokazują, że mogą być nie wyczerpalnym źródłem energii oraz oferują użytkownikom szereg korzyści.

Wielu z nas fotowolaika kojarzy się z nową technologią i współczesnością, i choć prawdziwy rozkwit instalacji fotowoltaicznych obserwujemy dopiero ostatnimi czasy, to ich historia sięga już pierwszej polowy XIX wieku, a popularność rośnie z każdym dniem.

Początkowe odkrycie – efekt fotowoltaiczny

W roku 1839 francuski fizyk Alexandre Edmond Becquerel podczas eksperymentu z elektrodami metalowymi i elektrolitem przypadkowo odkrył, że niektóre materiały są w stanie wytworzyć niewielkie ilości prądu po wystawieniu ich na działanie światła słonecznego. Zjawisko to nazwano efektem fotoelektrycznym.

Znajomość tego efektu jest niezbędna, jeśli chcemy zrozumieć sposób w jaki działają panele fotowoltaiczne. Rozwijając temat, zjawisko to polega na generacji nośników ładunku w półprzewodniku, kiedy ten znajduję się pod wpływem działania promieni słonecznych.

Działanie promieniowania słonecznego powoduje wzbudzenie elektronów znajdujących się w krysztale krzemu, które przechodzą na wyższy poziom energetyczny i zostają wybite. Skutkiem przemieszczania się ich pomiędzy elektrodami jest różnica potencjałów, która prowadzi do powstania prądu elektrycznego.

Alexandre Edmond Becquerel – fizyk

Odkrycie zjawiska fotowoltaicznego zapoczątkowało zainteresowanie tematyką energii słonecznej, co przyczyniło się w 1876 roku do udowodnienia, że stały materiał może bez ciepła i ruchu zamienić światło w elektryczność. Brytyjski fizyk William Grylls Adams oraz jego uczeń Richard Evans Day potwierdzili możliwość wytworzenia impulsu elektrycznego podczas ekspozycji na światło niektórych materiałów – w tym przypadku selenu. Jednak ogniwa selenowe nie były w stanie zasilić jakiegokolwiek sprzętu elektrycznego, ponieważ nie mogły przetworzyć wystarczającej ilości światła słonecznego.

Wybicie elektronów

Odkrycie zjawiska fotowoltaicznego zapoczątkowało zainteresowanie tematyką energii słonecznej, co przyczyniło się w 1876 roku do udowodnienia, że stały materiał może bez ciepła i ruchu zamienić światło w elektryczność. Brytyjski fizyk William Grylls Adams oraz jego uczeń Richard Evans Day potwierdzili możliwość wytworzenia impulsu elektrycznego podczas ekspozycji na światło niektórych materiałów – w tym przypadku selenu. Jednak ogniwa selenowe nie były w stanie zasilić jakiegokolwiek sprzętu elektrycznego, ponieważ nie mogły przetworzyć wystarczającej ilości światła słonecznego.

Polski wkład w rozwój fotowoltaiki – Jan Czochralski

Kolejnym krokiem w rozwoju fotowoltaiki była opracowana w 1916 roku metoda powstawania krzemu monokrystalicznego opracowana przez naszego rodaka Jana Czochralskiego, nazywanego ojcem światowej elektroniki. Osiągnięcie Polaka umożliwiło ponad 20 lat później wyprodukowanie pierwszego monokrystalicznego ogniwa krzemowego przez amerykańskiego inżyniera Russela Ohla.

Metoda otrzymywania monokryształów krzemu mianowana metodą Czochralskiego jest najstarszą i wciąż jedną z najpowszechniejszych metod przemysłowego wytwarzania monokryształów krzemowych wykorzystywanych na świecie. Polega ona najprościej mówiąc na stopniowym wyciąganiu zarodka krystalicznego z roztopionego wcześniej metalu przy pomocy pręta dotykającego jego powierzchni.

Ojciec światowej elektroniki Jan Czochralski

Pierwszy panel fotowoltaiczny – Gerald Pearson, Daryl Chapin i Calvin Fuller

Niewiele później, bo w 1954 r. trzej amerykańscy naukowcy – Gerald Pearson, Daryl Chapin i Calvin Fuller zrobili kolejny krok naprzód i zademonstrowali pierwsze krzemowe ogniwo słoneczne będące zdolne do wygenerowania mierzalnego prądu elektrycznego.

Ogniwa te miały jednak dość niską wydajność na poziomie około 6% i mogły służyć jedynie do zasilania prostych zabawek albo radia. Mimo to The New York Times określił to odkrycie jako “początek nowej ery, prowadzącej ostatecznie do realizacji wykorzystania niemal nieograniczonej energii słońca do zastosowań cywilizacyjnych”.

Wysokie koszty wytwarzania oraz niska efektywność ogniw spowodowały jednak, że tę przełomową technologie potraktowano bardziej jako ciekawą nowinkę technologiczną niż urządzenie, które mogłoby być powszechnie używane.

Zgodnie z ówczesnymi zainteresowaniami społeczeństwa naturalną konsekwencją było wykorzystanie instalacji fotowoltaicznych w kosmosie. W latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych XX wieku to Stany Zjednoczone zdecydowały się na rozwijanie technologii związanej z energią słoneczną, co następnie wpłynęło na znaczne obniżenie kosztów, ale także wzrost wydajności i trwałości produkowanych ogniw. Zapoczątkowało to dynamiczny rozwój tego obszaru, który możemy obserwować szczególnie w ostatnich dekadach.

Gerald Pearson, Daryl Chapin i Calvin Fuller

Perowskity – rewolucja w energetyce

Perowskit, inaczej tytanian wapnia jest minerałem świetnie absorbującym świtało. Grupa minerałów składających się z kationów metali i anionów tlenkowych, nazywana od swojego przedstawiciela właśnie perowskitami, znalazła doskonałe zastosowanie w instalacjach fotowoltaicznych. Perowskity hybrydowe są materiałami częściowo organicznymi i mogą przewodzić prąd. Występują w przyrodzie bardzo rzadko, ale za to można łatwo wytworzyć je w laboratorium.

Kryształy perowskitu

Zastosowanie perowskitów w budowie ogniw pozwala znacznie obniżyć koszty produkcji i zwiększyć ilość wytwarzanej energii. Dodatkowo takie ogniwa mogą być lżejsze, bardziej elastyczne i nawet częściowo transparentne.

W tym innowacyjnym rozwiązaniu znów pojawia się nasz rodzimy akcent. Polska fizyk Olga Malinkiewicz zmodernizowała sposób wytwarzania, dzięki któremu perowskit zyskał płynną konsystencje, co pozwoliło na zastosowanie go w druku. Wpłynęło to na pozyskanie perowskitowych modułów fotowoltaicznych wytworzonych z zastosowaniem druku atramentowego.

Aktualnie technologia perowskitów jest wprowadzana na rynek na szeroką skalę i ma być użyta wszędzie tam, gdzie tradycyjne ogniwa krzemowane nie mają szans się sprawdzić. W założeniu firm działających w Polsce jest nanoszenie foli fotowoltaicznej na dowolne powierzchnie, a w przyszłości bezpośrednie nadrukowywanie jej na przedmioty. Niedawno pierwszy taki panel zamontowano na warszawskim biurowcu, a tego roku (2021) w Polsce ruszyła pierwsza na świecie pilotażowa linia produkcyjna perowskitów kierowana przez firmę Saule Technologies.

Jeśli chcecie dowiedzieć się więcej na temat tej fascynującej technologii, serdecznie zachęcamy do obejrzenia wywiadu z dr Olga Malinkiewicz.

Olga Malinkiewicz i perowskity

Budowa typowego panelu fotowoltaicznego

Ogniwa wchodzące w skład paneli fotowoltaicznych, muszą mieć właściwości półprzewodników. Dlatego do ich budowy wykorzystuje się wcześniej wspomniany krzem, najczęściej z domieszką selenu lub germanu. Pierwiastki te łączy się tak, aby uzyskać jak największą liczbę elektronów walencyjnych na ostatniej powłoce w celu zmaksymalizowania zjawiska fotoemisji.

Budowa atomu krzemu

Budowa paneli fotowoltaicznych rozpoczyna się od ogniwa, w którym dwie warstwy półprzewodnika rozdzielone są od siebie barierą potencjałów, czyli tak zwanym łączem p – n. Pierwsza warstwa półprzewodnika umieszczona na górze, typu n jest cienka i przezroczysta, natomiast druga, typu p jest grubsza i zlokalizowana na dole. Dodatkowo powyżej warstwy n umieszczona jest elektroda ujemna, a na spodzie elektora dodatnia.

Schemat budowy krzemowego ogniwa fotowoltaicznego
Schemat budowy krzemowego ogniwa fotowoltaicznego

Ogniwa fotowoltaiczne składają się na moduł fotowoltaiczny, w którym ułożone są szeregowo lub równolegle. Zabieg ten ma na celu zwiększenie mocy wyjściowej, ponieważ ogniowo samo w sobie cechuje się dość małą powierzchnią, a co za tym idzie niewielką mocą. Całość chronią dwa typy folii – EVA i PET oraz hartowana szyba. Wszystkie warstwy obudowane są ramą i przyłączone do puszki przyłączeniowej.

Następnie ogniwa te łączy się, aby ostatecznie otrzymać gotowy panel fotowoltaiczny. W tym celu również wykorzystuje się połączenie szeregowe lub równoległe, aby zmaksymalizować ilość mocy wyjściowej.

Schemat budowy modułu fotowoltaicznego wykonanego z ogniw krzemowych
Schemat budowy modułu fotowoltaicznego wykonanego z ogniw krzemowych

Instalacja fotowoltaiczna – budowa

Instalacja fotowoltaiczna to nie tylko panele. Jak już wiesz, produkcja prądu ze słońca to proces wieloetapowy. Ogniwa w panelach fotowoltaicznych przekształcają promienie słoneczne na prąd stały, jednak ten nie jest odpowiedni do zasilania urządzeń w naszym domu. Energia zostaje przekazana do inwertera zwanego falownikiem, który jest mózgiem instalacji fotowoltaicznej. Przekształca on właśnie prąd stały w prąd przemienny dodatkowo dopasowując parametry prądu do parametrów sieci domowej.

Gdy mamy już panele fotowoltaiczne i inwerter to do efektywnego korzystania ze światła słonecznego i prawidłowego działania instalacji fotowoltaicznej brakuje nam licznika dwukierunkowego, który umożliwia zliczanie energii oddawanej do sieci.

Warto także zabezpieczyć swoją instalację wykorzystując rozdzielnice, ponieważ zabezpiecza ona elementy mające styczność ze stałym napięciem. Dzięki czemu jest w stanie rozładować nadmierne naprężenia prądu czy zapobiec zagrożeniom wywołanym np. burzą.

Nie można zapomnieć także o okablowaniu, jest ono konieczne, aby instalacja fotowoltaiczna była kompletna. Przewody powinny cechować się odpornością na działanie niekorzystanych czynników zewnętrznych oraz doskonale transportować energie między poszczególnymi urządzeniami.

Zasada działania paneli fotowoltaicznych

Wiadomo już, że fotowoltaika zmienia energie słoneczną w energie elektryczną. Pora wyjaśnić zasadę działania paneli fotowoltaicznych na podstawie budowy wcześniej wspomnianego ogniwa fotowoltaicznego.

Fotony zderzają się z elektronami, przekazując im całą swoją energię. W momencie kiedy wartość energii jest wystarczająco duża, dochodzi do zjawiska fotoemisji, czyli wybicia elektronów. W wyniku utraty elektronów otrzymujemy ładunek dodatni, natomiast miejsce, w którym elektronu już nie ma nazywane jest dziurą elektronową.

W miejscu styku półprzewodników znajduje się warstwa zaporowa, która powoduje gromadzenie się elektronów w obszarze krzemu typu n oraz dziur po stronie półprzewodnika typu p. Oświetlenie złącza półprzewodnikowego p – n skutkuje wypełnieniem otworów przez wolne elektrony, co powoduje różnicę potencjałów, czyli powstanie napięcia elektrycznego. Połączenie półprzewodników n i p w obwód, powoduje ostatecznie przepływ prądu stałego, który jest proporcjonalny do mocy promieniowania padającego na to ogniwo.

Zjawisko efektu fotoelektrycznego

Przegląd rozwiązań i zastosowań paneli fotowoltaicznych

Technologie fotowoltaiczne już dziś na masową skalę są wprowadzane zarówno w przemyśle, jak i w gospodarstwach domowych. Pierwsze użyteczne panele fotowoltaiczne stosowane były jednak w kosmosie i cechowały się dużymi rozmiarami oraz nie do końca zadowalającą wydajnością. Później używano ich w celu zasilania małych sprzętów codziennego użytku, jak kalkulatory czy radia. Wraz z rozwojem przemysłu fotowoltaicznego panele zaczęły pojawiać się w trudno dostępnych miejscach, w których brakowało energii, takich jak stacje meteo czy pustynie.

Przełom nastąpił w latach 90-tych, kiedy powstały pierwsze znane nam automatyczne i podłączane do sieci instalacje fotowoltaiczne przeznaczone do użytku domowego. Większa konkurencja oraz zmiany produkcyjne w ostatniej dekadzie sprawiły, że energia słoneczna stała się bardziej wszechstronna, a panele fotowoltaiczne zyskały zastosowanie w najróżniejszych środowiskach.

Panele fotowoltaiczne podczas montażu

Odnawialne źródła energii to temat interdyscyplinarny, ponieważ swoim zasięgiem obejmuje wiele dziedzin nauki i techniki. Wspólne działania naukowców ze świata fizyki, chemii, biotechnologii przez termodynamikę, elektronikę, energetykę, aż po ekonomię czy socjologię sprawiły, że aktualnie możemy zaobserwować boom pomysłów na różne zastosowania fotowoltaiki.

Nietypowe konstrukcje paneli fotowoltaicznych z baz patentowych

W związku z rosnącym zainteresowaniem wokół paneli fotowoltaicznych coraz więcej osób pragnie realizować swoje innowacyjne pomysły. W celu przybliżenia coraz to nowszych rozwiązań zdecydowano przyjrzeć się tu kilku projektom dostępnym w zasobach bazy patentowej.

Jest to ogólnodostępna wyszukiwarka, pozwalająca na wyszukiwanie patentów z całego świata oraz ich analizę. Aktualnie wokół nas pojawia się większa ilość wynalazków, które należało by ‘ochronić’ właśnie patentem. Jeśli chcesz dowiedzieć się czegoś w tej dziedzinie zajrzyj tu – Co to jest wynalazek? Co to jest patent? Jakie są koszty ochrony? lub jeśli chcesz zdziałać w temacie coś więcej, tu – Mam pomysł na wynalazek. Co dalej?

Skoro już o tym mowa to przy okazji zachęcam Cię do skorzystania z  DARMOWEGO Poradnika ABC Wynalazcy, na który składa się 5-cio dniowy kurs wideo oraz książka (ebook). Jeśli sam masz pomysł na ciekawe zastosowanie paneli fotowoltaicznych, bądź wyjątkową konstrukcje (lub inny wynalazek) i zastanawiasz się nad tym, jak wygląda proces ochrony, to dzięki temu poradnikowi dowiesz się więcej na temat patentów na wynalazki.

Newsletter ABC Wynalazcy!

Uniwersalny stelaż wykonany z tworzyw sztucznych stanowiący konstrukcję wsporczą do beznarzędziowego i bezśrubowego montażu paneli fotowoltaicznych na dachach płaskich i o niewielkim spadku P.436204

Opis zgłoszenia patentowego P.436204 proponuje uniwersalny stelaż wykonany z tworzyw sztucznych, w tym tych pochodzących z recyklingu, który służyłby do montażu paneli fotowoltaicznych na dachach o niewielkim skosie, bądź płaskich. Dodatkowo sposób składania stelaża, jak i montaż paneli na wspomnianym stelażu odbywałby się beznarzędziowo i bezśrubowo. Uniwersalność rozwiązania sprawia, że jest ono odpowiednie dla każdego rozmiaru paneli fotowoltaicznych, bez ich wcześniejszego dopasowania. Stelaż umożliwia montaż w dowolnym kierunku, a ustawienie kąta nachylenia polega na dodaniu lub odjęciu wzajemnie zakleszczających się bloczków kątowych. Cały proces łączenia konstrukcji odbywa się z zastosowaniem dociskania lub wzajemnego klinowania się i nie wymaga stosowania śrub, spoiw lub innych elementów łączących. 

Fragment dokumentacji patentowej wg zgłoszenia nr P.436204

Mechanizm mocowania panelu fotowoltaicznego na poziomej krawędzi lub powierzchni, zwłaszcza ekranu akustycznego Pat.237239

Przedmiotem wynalazku Pat.237239 jest mechanizm mocowania paneli na poziomej krawędzi lub powierzchni, a w szczególności na ekranach akustycznych, które instalowane są przy drogach. Ekrany te, są dość powszechne i mogą świetnie posłużyć jako dodatkowa powierzchnia do montowania paneli fotowoltaicznych. Konstrukcja ta pozwala na efektywniejszą produkcje prądu ze światła słonecznego, niż w przypadku paneli zamontowanych na stałe oraz ich ochronę przed ekstremalnymi warunkami atmosferycznymi. Zastosowane w projekcie czujniki nasłonecznienia umożliwiają skonfigurowanie położenia paneli fotowoltaicznych tak, by ustawiały się w kierunku padania promieni słonecznych. Co więcej, zastosowanie czujników parametrów meteorologicznych pozwala na ustawianie paneli fotowoltaicznych w taki sposób, aby uchronić je przed działaniem szkodliwych zjawisk pogodowych.

Fragment dokumentacji patentowej wg patentu nr Pat.237239

Otwieranie i zamykanie ruchomego, odpornego na piasek samoczyszczącego panelu fotowoltaicznego CN112994607A

Wynalazek CN112994607A prezentuje ruchomą – otwieraną i zamykaną instalacje fotowoltaiczną. Dzięki zastosowanemu mechanizmowi jest ona odporna na piasek i inne ekstremalne zjawiska atmosferyczne. Stelaż, w którym umieszczone są panele posiada wnękę z otworem skierowanym do góry, a mechanizmy górny i dolny trzymające panele fotowoltaiczne połączone są obrotowo. W momencie, gdy pojawią się dobre warunki pogodowe panele otwierają się. Przy zbyt mocnym wietrze są w stanie schować się i zabezpieczyć panele blokując zamknięty mechanizm. Dodatkowo kiedy panele są zamknięte mogą zostać przepłukane i oczyszczone z kurzu czy innych nieczystości za pomocą specjalnie zamontowanej myjki, tak aby zapewnić odpowiednią wydajność oświetlenia, i jak najdłuższą żywotność.

Inne publikacje – dachówka fotowoltaiczna

Interesujący pomysł na przekształcenie paneli fotowoltaicznych, zwykle znajdujących się na zadaszeniu, po prostu w dach wysunął Elon Musk. Alternatywna wersja pokrycia dachowego to dachówka solarna. Składa się ona z trzech warstw – hartowanego szkła, kolorowej powłoki oraz właściwego ogniwa fotowoltaicznego i przetwarza energię słoneczną w taki sam sposób jak tradycyjne panele. Wielką zaletą zastosowania dachówek fotowoltaicznych jest ich estetyczny wygląd pozwalający wkomponować je w niemal każde zadaszenie. Dodatkowo, nie jest wymagana konkretna konstrukcja dachu, jednak warto pamiętać o odpowiednim kącie nachylenia. Dachówki fotowoltaiczne wykazują dużą sprawność działania i wraz z rozwojem tej technologii przebijają panele fotowoltaiczne w kwestii żywotności. Początkowo nadwyżki energetyczne dachówki fotowoltaicznej trzeba było przechowywać w specjalnych akumulatorach, jednak obecnie mogą działać także w systemach podpiętych do sieci. Mimo to cieszą się one wciąż dużo mniejszą popularnością, niż tradycyjne panele fotowoltaiczne.

Dachówka fotowoltaiczna zrealizowana przez firmę Zamarat

Nietypowe zastosowania paneli fotowoltaicznych

Świat fotowoltaiki rozwinął się już na tyle, że ta wkradła się w nasze codzienne życie. W związku z postępującymi zmianami klimatycznymi wzrosła świadomość proekologiczna społeczeństwa. Na rynku pojawiają się przedmioty codziennego użytku, jak i gadżety napędzane energią słoneczną. Po dobrze znanych nam już kalkulatorach, radiach, zegarkach i latarkach przyszła pora na coś innowacyjnego. Przedstawimy kilka z nich, które wyróżniają się funkcjonalnością, jak i użytecznością. Ławki solarne

Dobrym przykładem takiego „zielonego” rozwiązania są na przykład ławki solarne, które mogłyby spokojnie już niedługo zastąpić całkowicie te tradycyjne w naszej przestrzeni publicznej. Taka ławka to ekologiczny mebel z wbudowanymi panelami fotowoltaicznymi oraz najczęściej ładowarką i dostępem do Internetu. Jest ona w stanie zasilać hot spoty Wi – Fi, udostępniać miejsca USB do ładowania telefonów oraz zasilać oświetlenie LED lub miejscowy monitoring. Ławka solarna z oparciem czy stojakiem rowerowym jest jeszcze bardziej funkcjonalna. Dodatkowo rozwiązanie to zaopatrzone jest w akumulatory, więc w pochmurne dni lub noce może dalej działać. Wiele z nich posiada także możliwość podgrzewania siedziska, korzystając ze zgromadzonej wcześniej energii elektrycznej. Ławka solarna świetnie wpasowuję się w miejskiego ducha ‘smart city’, dzięki nowoczesnemu designowi i konstrukcji wykonanej ze stali, szkła czy drewna, co gwarantuje wysoką odporność. Równie ciekawym rozwiązaniem w tym temacie mogą być wiaty solarne na przystankach autobusowych, mogące dodatkowo oferować ogrzewanie w sezonie zimowym lub kioski solarne posiadające wyświetlacze informujące o pogodzie i ostatnio „modne” dozowniki do dezynfekcji rąk.

Ławka solarna firmy BrasiT

Plecaki solarne

Kolejnym ciekawym zastosowaniem paneli fotowoltaicznych jest umieszczenie ich na plecakach, które zapewnią nam ciągły dostęp do energii w czasie podroży, jak i zwykłego użytkowania na otwartej przestrzeni. Moduły fotowoltaiczne w połączeniu z wbudowaną baterią są w stanie podładować małe sprzęty elektroniczne, takie jak telefony czy aparaty, a w plecakach niektórych firm nawet laptopy. Rozwiązanie to oczywiście posiada także zintegrowany akumulator mający możliwość szybkiego naładowania z dowolnego gniazdka sieciowego. Idąc z ekologiczną myślą takie plecaki wykonane są z materiałów z recyklingu przez co zmniejszają ilość składowanych odpadów. Jednak z powodu ceny jest to opcja bliższa gadżeciarzom.

Plecak solarny firmy Voltaic

Odzież solarna

Idea stworzenia „inteligentnej odzieży” pochłonęła wysiłki różnych naukowców, jednak w praktyce mało które z tych rozwiązań trafiło ostatecznie do produkcji przemysłowej. Jednym z ciekawszych i mających szanse zaistnieć pomysłów jest rozwiązanie tokijskiej grupy, która proponuje nowy rodzaj ultra cienkiego, elastycznego ogniwa fotowoltaicznego, które byłoby w stanie produkować energie elektryczną ze słońca nawet po rozciągnięciu czy ściśnięciu materiału w którym byłoby umieszczone. Według artykułu umieszonego w magazynie Nature Energy, powleczenie ich warstwą elastomerów sprawia, że śmiało można je prać. Ubrania z takiej tkaniny miałyby podobno w założeniu zasilać monitory medyczne kontrolujące pracę serca. Jednak nad projektem tym wciąż trwają prace, także musimy jeszcze poczekać na efekty.

Przykładowe zastosowanie cienkich ogniw solarnych w tkaninie

Druk 3D w produkcji paneli fotowoltaicznych

Druk 3D często wykorzystywany jest w celu tworzenia różnych zamienników do rozmaitych urządzeń. Jedną z jego zalet jest generowanie oszczędności – czasu, jak i kosztów. Potencjał technik przyrostowych wykorzystano również w produkcji instalacji fotowoltaicznych.

Jednym z przykładów zastosowania technologii 3D jest wykonanie osprzętu, który ma za zadanie optymalizować procesy produkcyjne. Firma Solarlytics z siedzibą w Kalifornii zamiast zamawiać części od zewnętrznych dostawców, skorzystała z samodzielnego druku 3D, dzięki czemu zredukowała koszty wytwarzania o 98% oraz skróciła czas dostawy niezbędnych elementów z 20 do 2 dni.

Pracownicy kalifornijskiego startupu do tej pory musieli przenosić całe moduły fotowoltaiczne ze stanowiska produkcyjnego na stanowisko testowe. Praktyka ta nie dość, że była czasochłonna i zajmowała wiele osób to generowała również możliwość uszkodzenia paneli fotowoltaicznych. W celu zniwelowania problemów postanowiono zamontować do testowych modułów elementy jezdne wykonane właśnie za pomocą technologii druku 3D. Aktualnie procedura ta jest dużo bezpieczniejsza, a może być wykonana nawet przez jednego pracownika.

Mocowanie kółek do transportu paneli fotowoltaicznych. Pierwotna i udoskonalona wersja

Jeśli Ty sam masz ciekawy pomysł i potrzebujesz wydruku 3D (nie tylko z branży fotowoltaicznej) skorzystaj z naszych usług.

Projektowanie modelu z zastosowaniem paneli fotowoltaicznych

Po przeglądzie wielu zastosowań paneli fotowoltaicznych można przystąpić do stworzenia własnej koncepcji. Zdecydowano się na stworzenie ławki fotowoltaicznej na podstawie wcześniej ustalonego pomysłu.

Na początkowym etapie należało określić kolejność wykonywanych czynności, tak aby proces był jak najbardziej zoptymalizowany. Rozpoczęto od wykonania szkiców poglądowych, a następnie wybrano najlepszą wersje projektu. Sporządzono listę potrzebnych części i podzespołów, tak aby nasza miniatura ławki solarnej naprawdę działała.

Planowany prototyp w rzeczywistości miałby służyć jako ekran multimedialny do wyświetlania pogody czy czasu, jednak w miniaturowej opcji rozwiązanie to zastąpiono plakatem. Skrzynie na której umieszczony jest panel postanowiono wykorzystać jako kwietnik. W ramach dodatkowych funkcji naszej konstrukcji zdecydowano się jedynie na ładowanie z portów USB, ale jak już wspomniano wcześniej urządzenia te są w stanie zasilać energią hotspoty, podgrzewać siedziska czy badać poziom zanieczyszczenia powietrza. Wielofunkcyjność naszej ławki ograniczał jednak rozmiar użytego panelu, ponieważ nie był on w stanie wyprodukować wystarczającej ilości energii. Wykorzystany panel solarny był pierwotnie wielofunkcyjną kompaktową ładowarką słoneczną z zestawem uniwersalnych końcówek do ładowania sprzętów o parametrach 6V i 2,5W oraz maksymalnym natężeniu 585mA.

Szkice poglądowe

Po ustaleniu wszystkich założeń można przejść do modelowania. Na tym etapie, w środowisku CAD tworzymy modele 3D wszystkich elementów, a następnie składamy je ze sobą tworząc złożenie. Środowisko to pozwala również na wykonanie różnego rodzaju analiz i symulacji kinematycznych oraz dynamicznych, jednak w przypadku tego projektu nie zdecydowano się na ich wykonanie.

Do modelowania wykorzystano program Autodesk Fusion 360. Jeśli chciałbyś nauczyć się obsługi tego programu zapraszamy na nasz kanał WynalazcaTV, gdzie znajdziesz ciekawe poradniki.

Modelowanie 3D części

Nasz prototyp nie jest ruchomy, jednak mimo to zdecydowano się na stworzenie poszczególnych elementów jako oddzielne komponenty w celu zoptymalizowania druku 3D. Projekt składał się z kilku części takich jak ławki, skrzynia, która miała służyć jako osłona całego okablowania oraz zadaszenie, na którym miały być zamocowane panele fotowoltaiczne. Elementy na koniec połączono ze sobą wiązaniami. Skrzynie potraktowano jako element główny i uziemiono ją, dopasowując do niej później pozostałe części poprzez zachowanie odpowiedniej geometrii.

Podczas modelowania należy także pamiętać o tym jak materiał zachowuje się podczas drukowania. Część otworów należało pogłębić i zwiększyć ich rozmiar, ponieważ po wydruku 3D mają one zwykle mniejszą średnicę niż zaplanowano. Spowodowane może być to skurczem termicznym filamentu, który występuje w zależności od temperatury, w której wydruk jest wykonywany, a także materiału, który stosujemy przy wydruku. W elemencie głównym – skrzyni, wykonano także wgłębienia pod ławki oraz dach w celu lepszego spozycjonowania modelu podczas późniejszego składania wydruku.

Do wykonania prototypu użyto panelu fotowoltaicznego pozyskanego z ładowarki solarnej, jednak w celu wykonania renderingu w późniejszych etapach zdecydowano się na odtworzenie go w programie do modelowania 3D. Pozwoliło to na dopasowanie reszty potrzebnych elementów, czyli obudowy panelu. Odtworzono także gniazda USB, tak aby model wyglądał estetycznie podczas wizualizacji.

Komponent ławki solarnej: Ławka
Komponent ławki solarnej: Skrzynia
Komponent ławki solarnej: Zadaszenie (część 1)
Komponent ławki solarnej: Zadaszenie (część 2)

Złożenie elementów modelu

Po procesie modelownia złożono ze sobą wszystkie części. Program pozwala na połączenie ich różnymi wiązaniami, takimi jak obrót o określony kąt, odsunięcie o zadaną odległość czy połączenie przesuwne. Dopasowano także wykonane wcześniej elementy instalacji fotowoltaicznej.

Złożony model ławki solarnej

Wykonanie takiego złożenia może być bardzo pomocne przy tworzeniu wizualizacji wynalazku oraz umożliwia wykonanie tzw. rozstrzeleń, które pozwalają lepiej uchwycić konkretne połącznia elementów i zrozumieć konstrukcje, co może być szczególnie pomocne przy tworzeniu instrukcji montażowych. Rozstrzelenie również wykonano przy pomocy programu Fusion360 w module animacji, który pozwala na półautomatyczne rozstawienie poszczególnych komponentów.

Rozstrzelenie wykonane dla modelu ławki solarnej

Renderowanie modelu 3D

Proces renderingu umożliwia nam przedstawienie naszego modelu w bardziej realistycznej formie. Dzięki niemu zanim przystąpimy do wydruku 3D, możemy zobaczyć jak nasz prototyp będzie wyglądał w rzeczywistości i w razie czego nanieść poprawki.

Program pozwala wybrać odpowiednie kolory dla konkretnych elementów naszego projektu, a także nałożyć struktury, które będą odzwierciedlać rzeczywiste materiały. Dodatkowo w celu uzyskania fotorealistycznej formy możemy dodać tło oraz dobrać oświetlenie. Korzystając z dostępnych opcji łatwo zmienić kontrast, cienie czy intensywność światła. Ważnym aspektem jest także odpowiednie ustawienie kamery.

Taka wizualizacja oprócz świetnej pomocy dla projektującego, jest także doskonałym materiałem promocyjnym. Z powodzeniem można wykorzystać ją w celach marketingowych w celu zaprezentowania produktu klientowi. Panująca kultura konsumpcyjna oraz szeroki dostęp do towarów sprawiają, że nikt już nie kupuje tak zwanego kota w worku, dzięki czemu wizualizacje produktowe 3D stają się coraz bardziej popularne.

Jeśli potrzebujesz pomocy przy renederowaniu, polecamy zajrzeć na nasz kanał.

Wizualizacja prototypu ławki solarnej

Przygotowanie modelu do wydruku i druk 3D

Przygotowanie modelu do druku z zastosowaniem technik przyrostowych wiąże się z wyeksportowaniem go do formatu STL. Format ten jest trójkątnym (triangulacyjnym) przedstawieniem geometrii powierzchni  w przestrzeni trójwymiarowej. To znaczy, że każda powierzchnia podzielona jest na szereg małych trójkątów, a następnie każdy wierzchołek trójkąta opisany jest przez 3 punkty reprezentujące ich położenie względem osi współrzędnych.

Następnie w odpowiednim programie należy ustawić gotowe elementy w przestrzeni roboczej drukarki 3D. Z racji tego, że drukarka nadbudowuje elementy warstwowo problem dla niej stanowią części posiadające różne wypukłości w powietrzu i otwory. Na szczęście każdy program przygotowujący do wydruku potrafi automatycznie generować podpory, czyli tzw. supporty. Zapobiegają one opadaniu wydruku w czasie zastygania filementu, i są edytowalne, dzięki czemu możemy je dowolnie modyfikować – dodając, usuwając i przesuwając. Programy te oraz doświadczenie osoby zajmującej się drukiem 3D pozwalają na zręczne ustawienie elementów w taki sposób, aby podpór oraz pracy nad ich usuwaniem było jak najmniej.

Ustawienie modelu w programie na stole drukarki

Postprocessing wydruku

Częstym problemem wydruków 3D jest niedopasowanie do siebie elementów spowodowane skurczem materiału, niedokładnością drukarki, bądź złą kalibracją stołu. Dodatkowe problemy mogą powodować także niedrożne dysze drukarki lub słabej jakości filament.

W tym miejscu pojawia się pojęcie postprocessingu , czyli obróbki mechanicznej wydruku. Zwykle składa się ona na kilka etapów, a z technik obróbki najczęściej wykorzystuje się szlifowanie oraz usuwanie supportów ręcznie lub za pomocą narzędzi. Dostępne są także metody chemiczne, polegające na kąpieli elementów w odpowiednim płynie, oraz termiczne w których stosuję się ciepło. Więcej o metodach obróbki wydruku 3D możesz przeczytać w jednym z naszych artykułów: Metody obróbki druku 3D, czyli postprocessing wydruków 3D.

Nasz model dachu, dzięki odpowiedniemu ustawieniu nie wymagał wielu podpór, co znacznie ułatwiło jego późniejszą obróbkę. Największe wyzwanie stanowiła naprawa małych otworów pod kołki wsporne. Do usunięcia nadmiarowego materiału posłużyły kombinerki oraz mały pilniczek. Większość pozostałych supportów udało usunąć się ręcznie lub lekko podważając szpachelką. Również skrzynia, która stanowiła główny element konstrukcji wymagała usunięcia podpór z wielu szczelin. Do wydruku ławek wykorzystano specjalny materiał imitujący drewno. Na koniec część elementów opalono stosując nagrzewnice, co pozwoliło na pozbycie się drobnych mankamentów i resztek materiałów. Uzyskane efekty możemy zobaczyć na zdjęciach.

Oczyszczone otwory w pokrywie dachu
Oczyszczone wpusty pod ławki oraz porty USB w skrzyni

Belki, które zawierał model były w założeniu dość cienkie, a ich wydruk mógł spowodować zgięcie lub złamanie. Zdecydowano się zastąpić je zwykłymi drewnianymi listewkami przyciętymi na odpowiednią długość. Wykonane z drewna kołki świetnie dopasowały się do ławek wykonanych z drewnopodobnego filamentu.

Zastosowanie kołków drewnianych

Montaż elementów 3D dla modelu z wykorzystaniem paneli fotowoltaicznych

Końcowym etapem naszej pracy był montaż, to jest połączenie ze sobą komponentów tak, aby stworzyły gotowy model. W budowanym prototypie zdecydowano się na sklejenie ze sobą poszczególnych elementów, ich spasowanie ułatwiły wcześniej zamodelowane wpusty, które pozwoliły na szybszą stabilizację.

Zakupiony zestaw fotowoltaiczny nie spełniał naszych wszystkich oczekiwań, ale od czego jest lutownica 😉 Gotowe wejścia USB wklejono w specjalnie przygotowane otwory, a okablowanie umieszczono w skrzyni. Rozpoczęto od złożenia części dachu między którymi umieszczono panel fotowoltaiczny, a przewody poprowadzono specjalnie przygotowanymi tunelami.

Lutowanie wtyczek USB
Proces montażu

Aby pokazać, jak nasza ławka, mogła by prezentować się w przestrzeni publicznej w przygotowanej skrzyni umieszczono rośliny, a boczną przestrzeń wykorzystano w celach reklamowych. Do ławki dołączono również stojak na rowery, co znacznie uatrakcyjniło konstrukcję.

Efekt końcowy – ławka solarna z instalacją fotowoltaiczą

Nasz model jest gotowy i co widać na załączonych zdjęciach spełnia on nie tylko funkcje wizualną, ale i użytkową tak jak planowano.

Gotowy prototyp jest świetnym przykładem na to jak „zwykłe” elementy spotykane na co dzień w naszym otoczeniu można przekształcić na te bardziej „eco-friendly”.

Prototyp ławki z panelem fotowoltaicznym

Podsumowanie – Fotowoltaika – jak działa? Przegląd zastosowań.

W artykule przedstawiono cały proces tworzenia prototypu, zaczynając od teoretycznego działania instalacji fotowoltaicznych po wyprodukowanie prototypu. Dzięki temu mogłeś dowiedzieć się jak wyglądają poszczególne etapy tworzenia wynalazku oraz wiesz, że jest to proces który wymaga wiele czasu i umiejętności.

Jeśli po przeczytaniu tego wpisu wciąż nie odpowiedzieliśmy na wszystkie twoje pytania dotyczące prototypowania lub chciałbyś zlecić nam stworzenie prototypu, czy materiałów takich, jak wizualizacje 3d – koniecznie do nas napisz na: kontakt@wynalazca.tv

Podsumowując trzeba przyznać, że fotowoltaika to jedna z najintensywniej rozwijających się branży. Spowodowane jest to dużym potencjałem, który oferuje wiele korzyści ekonomicznych, jak i ekologicznych. Szczególnie biorąc pod uwagę regularne podwyżki cen prądu. Industry 4.0, czyli czwarta rewolucja przemysłowa ma za cel zatrzymanie dalszej degradacji otaczającego nas środowiska. Już na ten moment fotowoltaika posiada zdecydowanie największą przewagę nad innymi źródłami energii odnawialnej, jest tańsza oraz powinna sprawdzić się praktycznie w każdym regionie świata.

Zamów wydruk 3D

Wynalazca TV

Literatura:
[1] Lewandowski, Proekologiczne odnawialne źródła energii, Wydawnictwo WNT, Warszawa 2013, s. 304-305.
[2] https://krainaoze.pl/historia-i-fenomen-fotowoltaiki/ (stan na dzień 06.07.2021)
[3] https://enerad.pl/aktualnosci/perowskity-czy-czeka-nas-rewolucja-energetyczna/ (stan na dzień 06.07.2021)
[4] https://cadxpert.pl/case-study/zastosowanie-drukarek-3d-makerbot-w-produkcji-systemow-fotowoltaicznych/ (stan na dzień 13.07.2021)
[5] https://poradnikprojektanta.pl/ogniwa-i-moduly-fotowoltaiczne-zasada-dzialania-i-budowa/ (stan na dzień 12.07.2021)
[6] https://www.edisonenergia.pl/blog/budowa-instalacji-fotowoltaicznej (stan na dzień 12.07.2021)
[7] https://syntezaoze.pl/blog/dachowka-fotowoltaiczna-czy-to-bedzie-przyszlosc-fotowoltaiki/ (stan na dzień 12.07.2021)
[8] https://electrotile.com/dachowka-fotowoltaiczna-opis-ceny-czy-warto/poradniki/ (stan na dzień 13.07.2021)
[9] https://www.green-projects.pl/fotowoltaika-innowacje-perowskity/ (stan na dzień 13.07.2021)
[10] Jinno, K. Fukuda, X. Xu, S. Park, Y. Suzuki, M. Koizumi, T. Yokota, I. Osaka, K. Takimiya, T. Someya, Stretchable and waterproof elastomer-coated organic photovoltaics for washable electronic textile applications, Nature Energy volume 2, pages780–785 (2017)
[11] https://www.innogy.pl/pl/duze-przedsiebiorstwa/artykuly/2019/lawki-solarne-ekologiczne-lawki-miejskie (stan na dzień 13.07.2021)
[12] https://seedia.city/pl/ (stan na dzień 14.07.2021)
[13] https://globenergia.pl/fotowoltaika-zasili-inteligetna-odziez/ (stan na dzień 15.07.2021)

Źródło Grafik:
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Edmond_Becquerel (stan na dzień 12.07.2021)
[2] https://pl.wikipedia.org/wiki/Jan_Czochralski (stan na dzień 12.07.2021)
[3] https://sauletech.com/blog/ (stan na dzień 10.07.2021)
[4] Fragment dokumentacji patentowej wg zgłoszenia nr P.436204
[5] Fragment dokumentacji patentowej wg patentu nr Pat.237239
[6] Fragment dokumentacji patentowej wg patentu nr CN112994607A
[7] https://www.zamarat.pl/oferta/dachowki-edilians/fotowoltaiczne (stan na dzień 19.07.2021)
[8] https://www.brasit.pl/lawka-solarna-ssec16/ (stan na dzień 19.07.2021)
[9] https://voltaicsystems.com/offgrid/ (stan na dzień 19.07.2021)
[10] https://cadxpert.pl/case-study/zastosowanie-drukarek-3d-makerbot-w-produkcji-systemow-fotowoltaicznych/ (stan na dzień 13.07.2021)
[11] https://pl.wikipedia.org/wiki/Zjawisko_fotowoltaiczne (stan na dzień 29.10.2021)
[12] https://historythings.com/solar-cells-brief-history/ (stan na dzień 29.10.2021)
[13] https://mlodytechnik.pl/technika/30297-perowskity (stan na dzień 18.11.2021)
[14] https://chemiamaturalna.com/2020/11/08/jak-rozpisac-konfiguracje-powlokowa/ (stan na dzień 18.11.2021)
[15] https://img2.docer.pl/image/l/s5xn0nx.png (stan na dzień 18.11.2021)
[16] https://qz.com/842589/a-solar-powered-fabric-that-could-charge-your-phone/ (stan na dzień 18.11.2021)