A napelemek kiértékeléséhez szükséges megfigyelések és elemzések
Az elmúlt években a globális felmelegedés elkerülése és általában a környezet megóvása érdekében a fosszilis üzemanyag-használat lakossági körökben történő mérséklése mellett a fotovoltaikus megoldások bizonyultak népszerű módszereknek. A napelemek fő előnye, hogy a napsütötte helyeken gyakorlatilag végtelen mennyiségű energiát képesek termelni anélkül, hogy bármiféle környezeti kárt okoznának. Mi több, a napelemekkel történő energiatermelés hatékonysága nem csak a napelemek méretétől függ. E két jelentős előnynek köszönhetően a fotovoltaikus megoldások iránti igény folyamatosan növekszik.
Ebben a részben bemutatjuk a napelemeket érintő alapvető tudnivalókat, beleértve a napelemek működési elvét és felépítését, valamint a technológiához kapcsolódó hatékony nagy felbontású megfigyelésre, pontos mérésre és elemzésre, valamint mennyiségi értékelésre is hozunk néhány példát.
- A napelemek működési elve, felépítése, és energiaátalakítási hatékonysága
- A napelemek megfigyelése, mérése, elemzése és értékelése során felmerülő problémák
- Az alábbi részben megtekintheti a 4K-s digitális mikroszkópunk legújabb felhasználási példáit, amely készülékkel a napelemek vizsgálata, mérése, elemzése és mennyiségi értékelése minden eddiginél hatékonyabban mehet végbe.
- Egy olyan 4K-s mikroszkóp, ami optimalizálja a napelemek megfigyelését, mérését, elemzését és értékelését
A napelemek működési elve, felépítése, és energiaátalakítási hatékonysága
Jelenleg főként szilícium alapú napelemek és összetett félvezető alapú napelemek vannak forgalomban. Habár jelenleg a szilícium alapú napelemek a legelterjedtebbek, az összetett félvezető alapú napelemek is egyre népszerűbbé válnak, főként a kedvezőbb gyártási költségek miatt. A következő sorokban bemutatjuk a napelemek alapvető működési elvét és felépítését, valamint kitérünk a gyártáshoz használt alapanyagokra és a szilícium alapú napelemek energiaátalakítási hatékonyságára is.
A napelemek működési elve
A legelterjedtebb szilícium napelemekben p-típusú (pozitív) és az n-típusú (negatív) félvezetők – ezek eltérő elektromos tulajdonságokkal rendelkeznek – csatlakoznak egymáshoz.
Amikor egy napelemet napfény ér, elektronok (negatív) és „lyukak” (ez elektronhiányt jelent, töltésük pozitív) keletkeznek. A lyukak a p-típusú félvezető felé áramlanak, az elektronok pedig az n-típusú felé. Amikor terhelés történik, például egy izzót csatlakoztatnak az elülső és a hátsó oldal elektródáihoz, az elektromos áram áthalad a csomóponton, ahogy az a következő ábrán is látható.
- A: tükröződésgátló fólia
- B: n-típusú szilícium
- C: p-típusú szilícium
- D: elektródák
- E: áram
A napelemek felépítése
A napelemek egységeit a következő sorokban mutatjuk be, illetve egy ábrát is mellékeltünk, amelyen megtekinthető a napelemek felépítése és a különböző egységek megnevezése.
- A: cella
- B: modul
- C: tömb
- Cella
- A cella a legkisebb egység.
- Cellalánc vagy cellatömb
- Egy cella önmagában csak alacsony feszültséget ad le. A cellalánc viszont több, sorosan összekapcsolt cellát is magába foglal, amik együtt dolgozva termelik meg a szükséges feszültséget.
A cellatömb több cellaláncból áll, amelyek sorosan vagy párhuzamosan vannak összekapcsolva. Ez az egység még több feszültséget termel.
- Modul
- A modult szoktuk általában napelemnek nevezni. Ezeket kültéri használatra tervezték, és egy modul több cellatömböt is tartalmaz. A modult a belső cellák védelme érdekében gyantával vagy megerősített üveggel vonják be, valamint egy külső kerettel is ellátják, hogy még masszívabb legyen.
- Tömb
- Több modult összekapcsolva tömböt kapunk.
A napelemek energiaátalakítási hatékonysága és a gyártáshoz használt alapanyagok
Ha a napelemek hatékonyságát akarjuk megbecsülni, akkor az energiaátalakítási hatékonyság egy fontos mutató. Az energiaátalakítási hatékonyság egy olyan paraméter, amely a beeső fényenergia elektromos energiává alakított hányadát mutatja. A modul energiaátalakítási hatékonysága és a cella energiaátalakítási hatékonysága a fotovoltaikus energiaátalakítás hatékonyságának két jellemző mutatója. A két energiaátalakítási hatékonyság közötti különbség a következő sorokban kerül bemutatásra.
- A modul energiaátalakítási hatékonysága
-
A modul energiaátalakítási hatékonyságát általában a napelemmodul (tehát a napelem) energiatermelő képességének kifejezésére használják. A modul energiaátalakítási hatékonysága az 1 m² napelem modulonként körülbelül 1 kW fényenergiából átalakított elektromos energia százalékos aránya.
- A cella energiatermelési hatékonysága
-
A cella a napelemmodul legkisebb egysége. A cella energiatermelési hatékonysága a modulban lévő összes cellára külön-külön vonatkozik. A cella energiatermelési hatékonyságát a következő képlettel számíthatjuk ki:
Hála a folyamatos kutatásnak és fejlesztésnek, a modul- és a cellák energiaátalakítási hatékonysága évről évre egyre jobb lesz. A technológia jelenlegi állása szerint azonban nem lehetséges sem a beeső fényenergia 100%-át felvenni, sem pedig a felvett fényenergia 100%-át elektromos energiává konvertálni. Ennek több oka is van, például a fényvisszaverődés és a cellák ellenállása.
- A napelemek jellemzői és a felhasznált alapanyagok
- A napelem alapanyaga a felhasználástól, a felhasználási területen elvárt funkcióktól és a költségektől függően változhat. Az energiaátalakítási hatékonyság ugyanígy változhat. Épp ezért a gyártók folyamatos kutatnak olyan anyagok és gyártási folyamatok után, amelyek a költséghatékonyság mellett kiváló energiaátalakítási hatékonyságot is biztosítanak.
A következő sorokban megismerkedhetünk a szilícium alapú és az összetett félvezető alapú napelemekkel, valamint bemutatjuk a napelemek alapanyagait, illetve azok tulajdonságait is.
- Szilícium alapú napelem
-
- Monokristály
- A monokristályos szilíciumot használó napelemek drágák, de magas átalakítási hatékonysággal rendelkeznek, valamint nagyon megbízhatók.
- Polikristály
- A polikristályos szilícium cellák a legelterjedtebbek, mivel a polikristályos szilícium olcsóbb a monokristályosnál.
- Amorf szilícium
- Mivel az amorf szilícium nem kristályos, ezért az ilyen napelemek még a polikristályos kivitelnél is olcsóbbak, viszont energiaátalakítási hatékonyságuk alacsony.
- Többcsatlakozású cellák
- Több napelemtípusnál laminálással hoznak létre tandem szerkezetet. Az érintett típusok közé tartoznak az amorf szilícium- és a vékonyfóliás polikristályos szilícium alapú napelemek is. Az ilyen napelemekre kiváló energiaátalakítási hatékonyság jellemző.
- Összetett félvezető alapú napelem
-
- Réz-indium-szelenid (CIS)
- A CIS napelemek rézből, indiumból és szelenidből készülnek. Az ilyen típusú napelemek gyártási költségei viszonylag alacsonyak, és az energiaátalakítási hatékonyságuk is viszonylag jó.
- Réz-indium-gallium-szelenid (CIGS)
- A CIGS napelemek a CIS megoldást egy negyedik elemmel, a galliummal bővítik. Az ilyen napelemek energiaátalakítási hatékonysága valamivel jobb a CIS megoldásnál.
- Kadmium-tellurid (CdTe)
- A CdTe napelemek kadmiumból és telluriumból készülnek. Ez a típus főleg Európában elterjedt.
- Gallium-arzenid (GaAs)
- A GaAs napelemek gallimból és arzenidből készülnek. Az ilyen napelemek energiaátalakítási hatékonysága kiváló ugyan, viszont jellemzően drágák. Többek között műholdak használják ezt a típust.
A napelemek megfigyelése, mérése, elemzése és értékelése során felmerülő problémák
A fotovoltaikus termékek iparágának térnyerését a környezetvédelmi aggályoknak és a megújuló energiaforrások kihasználása iránti egyre nagyobb igénynek köszönhetjük. Az iparágban aktív gyártók egyrészt állandó versenyben állnak egymással az új piacok megszerzéséért, másrészt pedig folyamatos K+F-műveleteket végeznek a nagyobb energiaátalakítási hatékonyság és az alacsonyabb gyártási költségek elérése érdekében. Ezenkívül magas szintű minőségbiztosításra és -ellenőrzésre van szükség mind a stabil fotovoltaikus- és energiatároló termékek biztosításához, mind pedig a piacon lévő termékek megbízhatóságának garantálásához is.
A felszín növelése érdekében a napelemekre szabálytalan felszínszerkezet jellemző. Mindegyik rész különböző anyagok keverékéből áll össze, amelyek színe és fényessége is változik. Ez megnehezíti a hibás termékek és a prototípusok mikroszkopikus nagyságrendű részeinek (gondoljunk csak az elektródákra) pontos megfigyelését, mérését és elemzését, így ezek a műveletek nagyon időigényesek.
Az optikai mikroszkópokkal végzett megfigyelések, mérések, elemzések és egyéb hasonló feladatok ráadásul nem csak jelentős időráfordítást és erőfeszítést igényelnek, hanem komoly szaktudást is. Ha pedig skálás vizuális méréseket végzünk, akkor fenn áll a veszélye annak, hogy különböző kezelők más és más értékeket fognak mérni.
A pásztázó elektronmikroszkópos (SEM) keresztmetszet-mérés sem jelent tökéletes megoldást, hiszen ebben az esetben a minta előkészítése az időigényes folyamat. Az ilyen mikroszkópokkal ráadásul nehéz beazonosítani bizonyos anyagokat, illetve a hibás részeken lévő idegen részecskéket is nehéz megvizsgálni, hiszen a SEM-ek nem támogatják a színes megfigyelést.
Az alábbi részben megtekintheti a 4K-s digitális mikroszkópunk legújabb felhasználási példáit, amely készülékkel a napelemek vizsgálata, mérése, elemzése és mennyiségi értékelése minden eddiginél hatékonyabban mehet végbe.
A digitális mikroszkópok területén történt technológiai fejlődésnek hála búcsút mondhatunk az optikai mikroszkópokkal kapcsolatos problémáknak – a modern digitális mikroszkópok pedig sokkal hatékonyabbá teszik a megfigyelést, a mérést és az elemzést is. Legújabb digitális mikroszkópunk automatikus rásegítés funkcióval is rendelkezik, aminek segítségével könnyedén használhatja a nagy felbontású képek megfigyelésekhez, valamint rendkívül pontos 2D-s és 3D-s méréseket, illetve a napelemeken lévő részecskék számlálását is lehetővé teszi.
A KEYENCE VHX sorozatú 4K-s digitális mikroszkópok nem csak rengeteg funkcióval rendelkeznek, de a kezelésük is egyszerű – a nagy felbontású HR objektíveknek köszönhetően kristálytiszta képek segítségével végezhet méretellenőrzést, valamint rendelkeznek 4K-s CMOS-képérzékelővel és különböző megvilágítási- és képfeldolgozó megoldásokkal is. Nem elég, hogy a funkciók ezen széles tárházának köszönhetően a napelemek megfigyelése, mérése, elemzése és a jelentéskészítés is gyorsabb és hatékonyabb, mint valaha, de ráadásul mindezt egyetlen készülékkel végezheti el!
Olvasson tovább, és ismerje meg alkalmazási példáinkon keresztül, hogy hogyan használhatók a VHX sorozatú termékek a napelemek megfigyelésére, mérésére és elemzésére!
Az elektródák 3D-s alakmérése
Az energiaátalakítási hatékonyság maximalizálásához a lehető legkisebb elektródákra van szükség. Ha pedig az elektródák valamilyen drága alapanyagból készülnek (például aranyból), akkor a méret csökkentésével pénzt is spórolhatunk.
Optikai mikroszkópokkal nehéz pontosan felmérni az apró elektródák alakját, ami jelentősen megnöveli a 3D-s alakmérésekhez szükséges időt.
A VHX sorozatú 4K-s digitális mikroszkóppal azonban még a 3D-s formák mikrométer szintű mérése is lehetséges, hála a nagyítás alatt készített nagy felbontású képeknek. A színtérkép – ami a magasságadatokat hivatott vizuálisan megjeleníteni – és a több ponton végzett profilmérés kombinációja megkönnyíti a mikroszkopikus nagyságrendű alkatrészformák összehasonlítását.
A hibás részek keresztmetszetének vizsgálata
Ha optikai mikroszkóppal, nagy nagyítás mellett figyeljük meg a beágyazott gyanta polírozott keresztmetszetét, még a finom felületi egyenetlenségek is lehetetlenné teszik a felület teljes egészére történő fókuszálást, ami hátráltatja a megfigyelést.. Amennyiben pásztázó elektronmikroszkóppal (SEM) próbálunk keresztmetszeteket vizsgálni, az olyan előkészületek, mint például a mintakamra teljes vagy majdnem teljes kiürítése hosszú időt vesz igénybe. Az anyagváltozásokat és a keresztmetszetbe keveredett idegen részecskéket is nehéz észrevenni, mert a SEM-ek nem támogatják a színes megfigyelést.
A VHX sorozatú 4K-s digitális mikroszkóp 4K-s CMOS-képérzékelővel van felszerelve, és az újonnan kifejlesztett optikai rendszerének köszönhetően nagy mélységélességet is biztosít. Hála ezeknek a funkcióknak, a megfigyeléseket olyan 4K-s színes képek segítségével végezhetjük, amelyeken a látómező minden pontja tökéletesen fókuszban van, függetlenül a minta felületi egyenetlenségeitől.
A nagyítás mértékét könnyen, a konzol vagy az egér segítségével állíthatjuk be, az automatikus zoomrendszer pedig objektívcsere nélkül biztosítja a 20×-ostól a 6000×-esig tartó nagyítást. A keresztmetszeti minták gyors, nagy felbontású megfigyelése most könnyebb, mint valaha!
A napelemmodulok (panelek) megfigyelése
A napelemmodulokat (paneleket) nehéz optikai mikroszkóppal megfigyelni, ugyanis keverednek a különböző színű és fényességű anyagok, valamint a finom karcolások és egyéb felszínhibák kontrasztja is alacsony.
A VHX sorozatú 4K-s digitális mikroszkópok magas dinamikatartomány (HDR) funkciót is kínálnak, amely a különböző zársebesség mellett készült képsorozatból összeállít egyetlen, nagy színmélységű képet, ami lehetővé teszi az anyag felületi textúrájára fókuszáló kontrasztos megfigyelést. Akármilyen mélységváltozások vannak jelen a vizsgált mintán, a mélységkompozíció funkciónak köszönhetően még a változtatható szögű megfigyelőrendszerrel – amely lehetővé teszi a tetszőleges szögből végzett döntött megfigyelést – végzett vizsgálatok során is tökéletes fókusszal készíthet képeket.
Részecskeszámlálás a lapkák felületén
Az olyan automatikus működést támogató funkciókkal, mint a többszörös megvilágítás, a kezelőnek csak az automatikusan szabályozott, több irányból érkező megvilágítás alatt készített képek közül kell egyet választani, és a VHX sorozat 4K-s digitális mikroszkópja leegyszerűsíti a megfigyeléshez szükséges fényviszony-meghatározást, ami gyorsabb megfigyelést eredményez. Természetesen a korábbi beállításokat más mintához is fel lehet használni.
Továbbá a kiválasztott részeken könnyedén végezhetünk automatikus területmérést és részecskeszámlálást. Emellett – sok más hasznos funkció mellett – kizárhatjuk a területen található nem kívánt céltárgyakat, és szétválaszthatjuk az átfedésben lévőket.
Az ilyen funkciókkal minden kezelő pontos elemzési eredményeket nyerhet, függetlenül attól, hogy mennyi tapasztalattal rendelkeznek az ilyen mérések területén.
Egy olyan 4K-s mikroszkóp, ami optimalizálja a napelemek megfigyelését, mérését, elemzését és értékelését
A VHX sorozatú 4K-s digitális mikroszkóp garantálja az egyszerű műveletekkel elvégezhető megfigyelést, hála a 4K-s felbontás által biztosított kristálytiszta képeknek. A mikroszkópot használva a megfigyelési képek alapján történnek mind a 2D-s mérések és a 3D-s alakmérések, mind pedig az automatikus területmérés/részecskeszámlálás is, ennek köszönhetően pedig pillanatok alatt hasznosítható számadatokat kaphat, ráadásul így a mennyiségi értékelésnél sem kell az emberi hibáktól tartani.
A VHX sorozatú mikroszkóp egy olyan sokoldalú eszköz, amely önmagában megoldást nyújt az optikai mikroszkópokokkal és SEM-ekkel végzett vizsgálatok általános problémáira, jelentősen hatékonyabbá téve ezzel a munkamenetet. Ezenfelül – a számítógépekhez hasonlóan – a VHX sorozatú termékekre is közvetlenül telepíthet táblázatkezelő szoftvereket, így a rögzített képeket és értékeket tetszőleges sablonba mentheti, valamint automatikusan létrehozhatja a szükséges jelentéseket. A funkcióknak köszönhetően a munkavégzés pontosabb és gyorsabb lesz, ami nélkülözhetetlen egyrészt a piacvezető termékek kutatásához és fejlesztéséhez, másrészt pedig a gyors minőségbiztosításhoz és minőség-ellenőrzéshez.
Ha többet szeretne megtudni a VHX sorozatról, vagy ha bármilyen kérdése van, kattintson az alábbi gombra.
