2022 inseneeria

OSA 1. Baltikumi esimest päikeseautot liigutasid Marokos edasi Maxeoni toodetud monokristall ränielemendid

Solaride’i esindusmeeskond võttis 2021. aasta novembris osa päikeseautode võistlusest “Solar Challenge Morocco 2021”, et panna esmakordselt proovile selleks hetkeks värskelt valminud Baltikumi esimene päikeseauto. Võistlusel saadi väärtuslikke kogemusi ja teadmisi, et valmistuda 2023. aasta maailmameistrivõistlusteks Austraalias, kus on eesmärk poodiumile jõuda.

Maroko võistluse kohta saab täpsemalt lugeda siit, ent selles loos räägime, kui oluline osa päikeseauto juures on katusel sillerdavad paneelid. Päikesepaneelide valmistamise tausta avame koos nende valmistamisprotsessi juhtinud Kaia Liisa Hakkiga ja esimese hooaja elektroonika tiimijuhi Andres Nöpsiga. Muu hulgas saame teada, kui pikk on protsess ühest päikese-elemendist päikesepaneelini ja kui oluline on hea ettevalmistus.

Solar tiim

Solar tiimi põhipunt. Eest: Tiit Liivik mentor, Andres Nöps esimese hooaja elektroonika tiimi juht, Katriin Kristmann insener, Mait Kukk mentor ja Kaia Liisa Hakk Solar tiimi juht. Foto: Tiit Liivik

Päikesepaneelid valmisid Solar tiimi ja kaas-solariderite koostöös. Tootmist juhtis Solaride’i naisinsener Kaia Liisa Hakk, kellel õnnestus enda tiimi ülesandega – toota valmis päikesepaneelid – kõige kiiremini valmis saada. Solar tiimile ulatasid abikäe ka teised insenerid ja isegi turundajad. Viis päikesepaneeli valmisid vähem kui kümne inimese käe all.


Ettevalmistus on edu võti

Lihtsalt öeldes on päikesepaneel päikesepatareidest koosnev suur plaat, mille abil toodetakse päikeseenergiat ja päikeseelement on selle osaks olev fotoelektriline seadis, mis muudab päikesevalguse vahetult elektriks. Solaride otsustas kasutada enda auto päikesepaneelide tootmiseks Maxeoni ränielemente. Päikeseauto katusel on suisa 294 elementi, mis on jaotunud viide päikesepaneeli.


Päikesepaneelide paigutamine auto katusele. Fotol Solaride’i insener Katriin Kristmann

Solaride jõudis Maxeoni ränielementideni tänu sarnasest Hollandi tudengiprojektist väljakasvanud ja tänaseks üheks päikeseautode tootmise tipptegijaks arenenud Lightyearile. Solaride’i esimese hooaja elektroonika tiimijuhi Andres Nöpsi sõnul soovitasid Lightyear’i esindajad just oma kogemusele toetudes Maxeoni ränielemente. Seda soovitust tõestasid ka numbrid – tavaliste elementide efektiivsus on ca 21–22%, Maxeoni oma aga 24,3% ja rohkemgi. Nöps tõi välja hollandlaste endi kogemuse, kus nemad olid isegi mõõtetulemusena saanud üle 25% ja nii Maxeon valituks osutuski.

Maxeon Solar Technologiese näol on tegemist oma valdkonna ülemaailmsete liidritega, kes arendavad, toodavad ja müüvad päikesepaneele enam kui 100 riigis. Koostöö nii eduka ettevõttega toob Solaride’ile muidugi puhast rõõmu. Päikesepaneelide tiimi juhi Kaia Liisa sõnul on Maxeoni elemendid kõige efektiivsemad tavakasutuses olevad ränielemendid – ühe elemendi maksumus oli 10,25 eurot.

Päikesepaneelide tiimi juht Kaia Liisa Hakk ise disainitud rakise peal ränielemente jootmas.

Päikesepaneelide valmistamisega alustati 2021. aasta detsembris, lõpule jõuti sama aasta augusti alguses. Uurime lähemalt, kuidas see protsess käis.

Päikeseelementide valmistamine

Päikesepaneelide arv

Esmalt lepiti päikesepaneelide tiimis omavahel kokku mitu paneeli tehakse. Valik tehti lähtudes MPPT-st (Maximum Power Point Tracker), mis on lihtsamalt öeldes konverter, mis muudab päikesepaneelide poolt tekitatud voolu selliseks, millega saab päikeseauto akusid laadida.

Ühiselt jõuti otsuseni, et kõige optimaalsem on ehitada viis paneeli. Seejärel tuli paigutada elemendid enam-vähem ühtlaselt kõikidesse paneelidesse, et väljaminev vool oleks võrdne.

CAD-i mudel

Seejärel võttis Kaia Liisa auto CAD-i mudeli ja eraldas sealt katuse osa, mille peale joonistas ta sisse 3D mudeli päikese-elemendist. Pärast seda jäi üle need elemendid katuse mudelile ära paigutada, ent seegi pole nii lihtne, kui esmapilgul tundub.

Elementide vahele on oluline jätta ruumi. Alguses alustati 4-mm vahedega, kuid lõpuks jäädi 3 mm juurde. Ruumi jätmine on tähtis, sest siis on elementidel võimalus veidike painduda. Vastasel juhul võib juhtuda, et elementide ääred puutuvad kokku ja see võib omakorda tingida elemendi purunemise. Otstarbekad ei ole ka liiga suured vahed, kuna katuse näol on tegemist limiteeritud alaga.


Vasakul: Algne joonis päikeseauto katusel olevate elementide paigutusest. Paremal: praegune paigutus


Rakise tegemine

Rakise näol on tegemist seadeldisega, millega oli võimalik hoida päikese-elemente jootmise jaoks soovitavas asendis. Rakise eesmärk oli saada võimalikult täpne ja ühtlane viis, kuidas elemente omavahel kokku joota. Rakist asuti looma detsembris ja valmistusprotsess kestis mitu kuud.

Esmalt tuli hakata rakist välja arendama. Kaia Liisa sõnul oli neil väga palju mõtteid ja algupärane versioon erines väga palju praegusest. Selle protsessi käigus sai Kaia Liisa esmakordselt ise rakist disainida, pidades nõu nii inseneeria mentori Tiit Liiviku kui ka kaasinseneridega ning mõeldes hoolikalt läbi, kuidas toota nii, et sellest pärast ka reaalselt kasu oleks. Alus tehti alumiiniumist, kuna see juhib sooja hästi.

Katsetades mõtles tiim veel mõne sammu edasi ja ühendas rakisele takistid, mis eraldavad soojust, kui neist vool läbi lasta. Takistid hoidsid temperatuuri ühtlasena kohtades, kus toimus jootmine. See on oluline, sest jootmisel tekib elemendi ühenduste juures termošokk – tina on ca 250C ja element on ise toatemperatuuril. Termošokk suurendab ka võimalust, et element praguneb, mistõttu oli oluline ühtlustada temperatuuri jootmiskohtades.

Kaia Liisa sõnul sündis rakise tegemine katse-eksitus meetodil. Pärast esimest alust saadi aru, et vahede suurus või mingi muu parameeter peaks olema teistmoodi. Aluse tegemisel tulid appi sõbrad INTAR-ist, kes tegid aluse laserlõikuriga valmis. Enne päriselt tootmise juurde asumist tuli ka rakist katsetada.


Päikeseelementide katsetamine

Elemente katsetati Viljandis Solarstone’i tehases, kus toodetakse päikesepaneele. Katsetamise juures oli vaja leida kõige parem viis, kuidas elemente jootma hakata.

Kaia Liisa sõnul ei ole Eestis Maxeoni elementide jootmiseks vajalikke masinaid ja kuna tegemist on käsitööga, siis on vigade tegemise tõenäosus samuti suur. Tiim proovis erinevaid viise, kuidas teha nii, et tina ja elemendi vahel tekiks jootmise käigus kontakt ja ühendus teiste elementidega.

Solaride esimese hooaja elektroonika tiimi juht Andres Nöps päikese-elementidega ja mentor Mait Kukk päikesepaneelide taustal. Foto: Tiit Liivik

Prooviti räbusti (flux) lisamist ühendajatele erinevatel viisidel – nt pandi vanni, siis prooviti pintsliga, lõpuks jäädi aga pliiatsi juurde. Räbusti parandab sidet jootedetaili ja elemendi vahel. Tinaga katsetati samuti erinevaid meetodeid, kuid see ei olnud sugugi kergem. Prooviti ka ilma tinata, kuna ühendajas peaks tina juba sisalduma, kuid miskipärast see ei toiminud. Seejärel prooviti tina panna ühendaja mõlemale küljele.

Ainuüksi testimise nimel käidi Viljandis vähemalt korra kuus, kui mitte rohkem. Lisaks oli kogu protsessi kätte sissetöötamine ja kinnistamine aeganõudev ning raske. Enne kui julgeti minna õigete elementide kallale, kasutati harjutamiseks kümme korda odavamaid ja vähem efektiivseid Maxeoni elemente.

Päikeseleementide read, mis on ühendatud ühendajatega. Hetkel on elemendid tagurpidi, kuna ühendused on Maxeoni elementidel tagapool. Foto: Tiit Liivik

Lamineerimismaterjalide testimine

Lamineerimismaterjale testiti ca kolme kuu vältel. Testimiseks kasutati Viljandi päikesepaneelide tootja Solarstone’i enda elemente, millega prooviti lamineerimismaterjalide sobivust. Kõige suuremat peavalu valmistas pealmine õhuke kile, millesse kippusid tulema praod. Täpne pragude tekkepõhjus jäigi tiimi jaoks teadmata, ent arvatavasti põhjustasid neid lamineerimismaterjalide erinevus või soojuspaisumine.

Lamineerimise juures kasutati kile, mille ühe rulli eest saaks tudeng mitu kuud odavamas ühikas ära elatud. Ülejäänud materjalid, mida on päikesepaneelide tegemiseks vaja, olid tehases juba olemas. Pärast pooleaastast eeltööd ja põhjalikku katsetamist alustati juuni keskpaigas päris päikesepaneelide tootmisega.

Kaia Liisa Hakk: “Minu jaoks oli hämmastav, et me need paneelid joodetud saime. Tegemist on väga täpse protsessiga ja arvestades, et sellega tegelesid 7-8 erinevat inimest, siis on üllatav, et need päriselt lõpuks töötasid ja andsid välja need võimsused ning vastasid eeldustele, mis meil vaja olid.”

Praeguseks kõik. Stay tuned, sest juba peatselt räägime lähemalt sellest, kuidas valmis 294 päikese-elemendist viis päikesepaneeli!

Loe veel

SolarCar Estonia MTÜ

contact@solaride.ee
+372 55573434
Narva mnt 18,
Tartu 51009 Eesti
LHV pank
EE897700771004776685
${item.title}

#teamsolaride

#muleiolesuva

Solaride kasutab küpsiseid parema kasutajakogemuse ja isikupärastatud teenuse pakkumiseks.