Pannelli solari per nautica - FORUM TECNICO

[VelaNera]

Ciao a tutti!
Apro questo topic tecnico per condividere con voi quello che sono le mie conoscenze del settore che spero vi possano essere utili. Non andro' a parlare di marche , ma solo di informazioni tecniche generali.

Prenderò del tempo delle mie vacanze per scrivere questo post su alcuni argomenti che i clienti mi chiedono spesso sperando di poter aiutare qualcuno qui. Penso che sarà utile discuterli in un post pubblico in modo che tutti possano trarne beneficio. Alcuni di voi mi conoscono già perché hanno già acquistato alcuni pannelli solari flessibili dalla mia azienda, tuttavia con questo post vorrei solo condividere le mie conoscenze con voi. Mi pare come un dovere visto che seguo sempre questo forum per imparare nuovi aspetti tecnici della vela - un argomento in cui non ne so molto (non penso di essere un grande marinaio lol).


È difficile riassumere in poche parole questioni altamente tecniche, ma cercherò di darvi alcune nozioni di base su questo tema.

Capitolo 1
DIFFERENZE PRODUTTIVE DI PANNELLI SOLARI

PANNELLI SOLARI TRADIZIONALI (RIGIDI)
I pannelli solari tradizionali sono prodotti seguendo lo schema seguente:

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PANNELLI SOLARI SEMI-FLESSIBILI
I pannelli solari semi-flessibili sono prodotti seguendo lo schema seguente, possono avere due o più strati incapsulanti (EVA o POE) e superfici diverse (PET, PTP, ETFE).

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DIFFERENZE :
I pannelli solari semi-flessibili hanno un peso diverso (di solito l'80% in meno rispetto a quelli tradizionali) e possono assumere una forma più o meno curva, in base al tipo di cella e al processo di produzione.

NB: I pannelli rigidi o tradizioni sono MENO cari perché sono prodotti in linee di produzione automatiche, inoltre, poiché questi pannelli non devono flettere, i materiali utilizzati sono completamente diversi e molto meno costosi (troverete informazioni in merito al capitolo incapsulanti).
Tuttavia, il 90% dei pannelli rigidi non è coperto da garanzia se installato nell'ambiente marino. Solo pochi produttori li costruiscono seguendo gli standard del test "nebbia salina". Ciò significa non solo che ovviamente il produttore del pannello potrebbe rifiutare una sostituzione se installato in ambiente marino ma che questi prodotti (se non diversamente comunicato) vengono testati in ambiente marino.

Il test di corrosione consente di verificare la resistenza di componenti e materiali utilizzati in aree ad alta densità di nebbia salina. Infatti, il sale può ridurre la resistenza sia di metallo che di parti non metalliche. Il livello 1 del test di corrosione, secondo la normativa IEC60068-2-52, viene utilizzato per testare prodotti utilizzati in ambienti marini o vicino al mare ed esposti a queste condizioni per la maggior parte della loro vita lavorativa (ad esempio articoli navali). Il livello 1 viene solitamente utilizzato come test di corrosione generale nelle procedure di garanzia per la qualità dei componenti.
Questo test dura in genere 28 giorni ed è composto da 4 cicli. I moduli vengono inseriti in una stanza specifica per 7 giorni. Una soluzione di nebbia salina è nebulizzata nella stanza a 33 ° C e all'85% di umidità. Questa procedura viene ripetuta per periodi in ogni ciclo di prova. Il test di laboratorio accelerato simula gli effetti di un ambiente caratterizzato da un'alta concentrazione di sali, durante l'intera vita del pannello.



Capitolo 2
POLICRISTALLINO - MONOCRISTALLINo - SUNPOWER ecc
prima di tutto, vorrei sottolineare che LE CELLE SUNPOWER SONO CELLULE MONOCRISTALLINE. Hanno la stessa struttura di celle monocristalline, l'unica differenza è che hanno contatti sul retro della cella, permettendo così di avere una superficie di produzione uniforme. Poiché BUSBAR non sono presenti sulla cella, produce più potenza nominale alla stessa quantità di superficie. Per questa ragione parlerò di Sunpower come di qualsiasi altra cellula monocristallina.

La principale differenza tra mono e policristallino è che il primo solitamente raggiunge una percentuale più alta di efficienza (w / m2). Tuttavia, questo divario è stato ridotto negli ultimi anni ed è ora di circa l'1,5%-5% (tra il migliore mono e il migliore policristallino).
D'altra parte, i pannelli policristallini sono meno costosi (il processo di produzione è più semplice) e solitamente più flessibili.

Qual è il migliore?
L'unica risposta è: dipende dalla situazione ...
I pannelli monocristallini producono di più se perfettamente orientati quando il sole è perpendicolare alle celle (orientamento dei cristalli), al contrario, quelli policristallini avranno picchi di produzione inferiori quando il sole è perpendicolare alle celle e picchi più alti (ovviamente in rapporto al monocristallino) quando non sono perfettamente esposti al sole. Omettiamo la descrizione delle ragioni (orientamento dei cristalli).


Mostrerò un semplice video, realizzato per mostrarvi ciò che ho spiegato. I pannelli sono disposti come se fossero su Bimini (distesi). Risultati: pannello Sunpower: 4.5A; pannello in policristallino: 5A (medesime potenze). Se invece fossero stati orientati verso il sole diretto, il risultato sarebbe stato il contrario.


https://youtu.be/EYxvz4bLsQk

Capitolo 3
Differenze tra pannelli solari semi-flessibili

Proverò a spiegare le differenze tra i pannelli e come questo influenza il prezzo.

Numero di strati: i pannelli semiflessibili sono costituiti da almeno 5 strati. I pannelli cinesi (parlo di cinesi perche' solitamente sono i basso costo del mercato) usano solitamente 5 strati, al fine di mantenere bassi i prezzi (la struttura è simile a quella dei pannelli rigidi). I pannelli di alta qualità sono generalmente composti da 7 o 9 strati, in base al tipo di strati superiori e inferiori.

Qualità delle celle: come tutti i prodotti industriali, anche le celle hanno una valutazione delle loro qualità. Sono divisi in:
1. GRADO A: cella perfetta
2. GRADO A-: (valido solo per mono) la cella è perfetta dal punto di vista tecnico ma come colore non uniforme
3. GRADO B: cella non perfetta (possibilita' di veloce decadimento)
4. GRADO C: cellula con difetti (prestazionali)
- Tipo di BUSBAR e connessioni, argento o alluminio e quantita' dei busbar (ne parlero' in seguito nel capitolo sulla contattazione)
- Materiali di produzione, incapsulanti EVA oppure POE, PET o ETFE (Maggiori informazioni nei prossimi capitoli).


Come possiamo riconoscerli? Purtroppo e' impossibile se non si dispone di una macchina flash test. Ad ogni modo, alcuni pannelli cinesi con celle Sunpower sono venduti ad un prezzo uguale al prezzo di acquisto delle celle di Grado A Sunpower. Questo può farti capire che le celle usate non sono di classe A.





Rivestimento in PET: è utilizzato come rivestimento esterno per pannelli flessibili perché ha una buona resistenza meccanica, malleabilità e flessibilità.


Dato il grado e la durata della protezione offerta dall'uso di questi materiali, è difficile suggerire un uso indiscriminato in aree con condizioni meteorologiche avverse costanti o persistenti. È noto che il PET ha una bassa resistenza termica a breve termine e pertanto l'uso in ambienti molto caldi non è raccomandato.

Inoltre, il PET non è in grado di resistere agli attacchi chimici causati dai vari composti acidi e alcalini disciolti nell'acqua che, a lungo andare, causeranno ingiallimento e quindi delaminazione o rottura dello strato di plastica.

I punti di forza di questo tipo di prodotto si concentrano quindi sulla flessibilità del pannello, sul suo peso ridotto e sulle sue ridotte dimensioni (sia per il pannello che per la scatola di giunzione) e soprattutto per il risparmio economico dovuto all'uso di plastica ampiamente utilizzata e facilmente reperibile dai produttori.


Tuttavia, se consideriamo un campo di applicazione come quello nautico, ci rendiamo conto che queste proprietà, sebbene sicuramente benefiche, non sono sufficienti a garantire un'alta durabilità del prodotto.
In mare, l'esposizione agli agenti deterioranti è praticamente costante e, in alcuni casi, lo stress fisico causato da condizioni di mare molto difficili può anche causare danni alle celle fotovoltaiche se non hanno una protezione adeguata. Per questo motivo, i pannelli con le migliori prestazioni sono costruiti utilizzando ETFE.


Etfe è un fluoropolimero o un polimero (una macromolecola costituita da una catena delle stesse molecole) che contiene atomi di fluoro.
La molecola di base è l'etene, il più semplice degli alcheni, idrocarburi insaturi con un doppio legame covalente tra due atomi di carbonio. La sua formula chimica è C2H4. La caratteristica principale dei polimeri fluorurati, e in particolare dell'ETF, sta nel fatto che la maggior parte dei legami chimici presenti sono di C-F (Carbon-Fluoro), uno dei legami covalenti ad alta energia.
Ne consegue che le molecole sono molto stabili, in grado di sopportare elevati livelli di stress termico e aggressione chimica, più di altri polimeri. Questo è uno dei motivi importanti per cui lo usiamo per i nostri prodotti nautici.
Inoltre, Etfe è totalmente permeabile ai raggi UV, quindi la trasparenza dell'Etfe è del 95% per un raggio da 400 a 600 Nm, ovvero lo spettro della luce visibile, con una percentuale di luce diffusa del 12% e luce diretta uguale a 88%

capitolo 4
Incapsulanti e contattazione fra le celle

Una delle criticita' principali dei pannelli fotovoltaci sono la tipologia di contattazione tra le celle e e il tipo di incapsulante utilizzato.

L'incapsulante, e' il materiale (solitamente un termoplastico) che viene pressofuso in fase di laminazione diventando il vero collante tra I vari strati formanti il corpo del pannelli (Front sheet, celle, backsheet).
Come qualsiasi prodotto, ce ne sono diversi a seconda delle esigenze. In campo fotovoltaico il piu utilizzato e' l'EVA (etilene vinil acetato) è una materia plastica copolimerica di etilene e acetato di vinile.
Nella produzione di pannelli solari fotovoltaici vengono usati fogli di EVA per sigillare il tutto. Le celle, assemblate in stringhe e connesse in serie, vengono racchiuse fra due fogli di EVA a formare una sorta di sandwich; poi il pannello solare fotovoltaico, ancora diviso in molti strati: Vetro + EVA + celle + EVA + Foglio posteriore (Back sheet), viene sottoposto ad un processo termico sottovuoto, chiamato laminazione, che portando l'EVA a temperature superiori a 150 °C per tempi di circa 10 minuti, permette la polimerizzazione dell'EVA e incapsula ed isola il tutto dall'aria, garantendo così un tempo di vita molto lungo.

Questo materiale e' molto poco costoso, e va bene per I pannelli con cornice, perche' il suo piu grande problema e' che e' la sua barriera all'umidita' e' molto bassa. Ne consegue che senza una barriera protettiva data dalla cornice l'umidita' penetra creando due annosi problemi - sopratutto nei pannelli solari semi-flessibili poco costosi – la delaminazione e l'ossidazione delle celle fotovoltaiche.

Questo non avviene nei pannelli tradizionali con cornice perche' lo strato di silicone posto tra il pannello e la cornice crea la barriera all'umidita' necessaria, e vero pero', che se la cornice subisce urti la base siliconica puo' compromettersi facendo si che l'umidita' possa entrare.

Altro discorso si deve fare per gli incapsulanti quali I derivati dalle poliolefine (PO e sue derivati) di cui il piu comune e' il poliossietilene (POE), un polimero preparato per polimerizzazione dell'ossido di etilene .

Questa tipologia di incapsulante ha caratteristiche meccaniche superiori all'EVA ma soprattutto fornisce una barriera all'umidita' di gran lunga piu alta permettendo di realizzare pannelli vetro-vetro oppure semi-flessibili eliminando completamente la problematica della delaminazione da infiltrazioni d'umidita'.

Questo prodotto viene utilizzato anche da alcuni prodottori (LG per esempio) per le linea di prodotto di alta fascia, anche per pannelli tradizionali con cornice.

Ma dove sta la differenza sostanziale oltre alle qualita' tecniche? Il prezzo.
L'incapsulante POE costa ben 10 volte di piu di un incapsulante EVA di buona qualita', si non il doppio, bensi' 10 volte di piu' mediamente. Questo prodotto incide fino al 40% sul costo del pannello sui pannelli semi-flessibili, piu di quanto incida la differenza tra una cella di qualita' e una cella di bassa qualita'.


Un altra caratteristicha importante da tenere conto nell'acquisto di un pannello sia che questo sia flessibile oppure rigido e' la contattazione fra le celle.

Facciamo un distinguo, nel caso dei pannelli tradizionali la presenza di saldature interne al pannello non e' solitamente una particolare criticita' se quest'ultime sono eseguite in modo appropriato. Questo perche il pannello ha una propria rigidita' dovuta al vetro temperato, e se non subisce colpi sulla parte posteriore (che e' identica a quella di un pannello semi-flessibile) non c'e' possibilita' che si possano rompere le saldature (propriamente dette contattazioni) tra le celle.

E' pur vero pero'che piu sono I punti di saldatura piu busbar ci sono. I busbar (BB) non sono altro che le “autostrade” nelle quali vieni convogliata l'energia meno sono le perdite perche' la temperatura media della cella si abbassa.

Sostanzialmente facendo un paragone abbastanza banale, piu autostrade ci sono a parita' di traffico, e piu il traffico scorre regolare senza ingorghi.

Dunque ogni buon produttore cerca di utilizzare celle con il maggior numero di busbar (solitamente ora da 4BB a 6BB) anche se con la contattazione tradizionale a saldatura, ogni bussbar in piu comporta si un miglior pannello ma anche maggiori costi perche' bisogna modificare I robot che eseguono le saldature.

Ci sono invece tecnologie diverse per la contattazione tra le celle che si sposano perfettamente con il pannello solare semi-flessibile che sono le contattazione dette multi-wire . Queste tecnologie che a seconda della tipologia (e del brevetto) si chiamano Smart-Wire, Day4 o Gwire sono tutte tecnologie di contattazione senza saldatura. Viene creato un reticolato di minuscoli fili in lega di argento che si saldano sulla cella al momento della laminazione. Questo fa si che non ci siano punti di saldatura con immissione di materiale, ma che le contattazioni fra le celle siano create da un reticolato che diventa parte stessa della cella eliminando cosi la possibilita' di rottura in prossimita' della saldatura tra le celle – la parte piu sensibile alle rotture meccaniche.

Queste tecnologie quindi creano dai 16 ai 24 busbar per ogni cella, creando cosi le migliori condizioni per la dissipazione del calore.

Inoltre e' la gestione del microcracking una delle funzioni principali di questa tecnologia, sopratutto nei pannelli semi-flessibili ma anche nei pannelli tradizionali, si creano miniscole rotture all'interno della cella dati da stress meccanici anche solo creati dagli sbalzi di calore. Queste micro rottura creano perdite maggiori con contattazioni a saldatura tradizionale perche' la rete di bussbar e' meno distribuita.

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Capitolo 5
Installazione: parallelo o in serie?
Domanda classica, risposta semplice. Parallelo quando il pannello potrebbe essere potenzialmente coperto da ombre. Se i pannelli sono compatibili, la soluzione migliore è installarli utilizzando diodi Schottky. Ho trovato questo video (che mi consente di evitare una lunga spiegazione) che spiega brevemente perché preferire l'installazione in parallelo.


https://youtu.be/1qD3mN8VotQ

Sono a disposizione per eventuali domande
Buon vento!