"Kui tootja annab oma päikesepaneelile 25-aastase garantii, peab ta ka ise selle kestvuses kindel olema. Eks iga tootja üritabki teha nii head toodet kui vähegi võimalik. Minu mõte oli tootja jaoks seda tööd lihtsustada," ütleb Tallinna Tehnikaülikooli värske doktor Pavel Tšukrejev. 

Oma doktoritöös keskendus ta fotoelektrilise mooduli (PV-mooduli) ehk rahvakeeli päikesepaneeli tootmisprotsessile. Paneeli keskmine kiht koosneb tavaliselt etüleenvinüülatsetaadist ehk EVA-st. Seda tuleb Tšukrejevi sõnul tootmise käigus õigesti küpsetada ja lamineerida: isegi kaks kraadi liiga kuum küpsetusahi võib kogu partii rikkuda. 

Töö käigus mõõtis ta lisaanduritega tegelikku temperatuuri EVA küpsetamise ajal ja võrdles seda retseptis ettenähtuga. "Minu kui tootmisjuhi jaoks oli väga huvitav leid, et tegelik temperatuur erines üsna palju ette antud temperatuurist," toob ta välja. Ühtlasi töötas ta väitekirjas välja ennustava mudeli, mis aitab tootjal lõpptulemuse kvaliteeti juba küpsetamise ajal hinnata.

Küps võileivatäidis

Pavel Tšukrejevi sõnul on PV-moodul justkui kihiline võileib, kus on pealmine ja tagumine kiht, ning nende vahel moodulitega keskosa. Pealmine kiht peab olema läbipaistev ja tavaliselt valmistatakse see klaasist. "Klaasi mõte on valgust sisse ja võimalusel mitte välja lasta, et ei oleks mingit peegeldumist. Samuti peab see paneeli kaitsma ilma, aga ka näiteks kivitabamuste ja peale istuvate kajakate eest," selgitab värske doktor. 

Tagumise kihi eesmärk on samuti kaitsta moodulit ilma eest ja seda elektriliselt isoleerida. "Nende vahel on kõige huvitavam kiht, kus on päikeseelemendid," osutab Tšukrejev. Tema uuritud päikesepaneelidel oli keskmises osas kaks kihti EVA-d ehk etüleenvinüülatsetaati. Tegu on levinud termoplastiga, millest valmistatakse näiteks spordijalatsite taldu. 

"Kõige suurem maagia käibki EVA ümber: kuidas seda õigesti küpsetada ja lamineerida," tõdeb Tšukrejev. Materjali küpsetatakse kõrgel temperatuuril, vahemikus 120–145 °C. Seda hoitakse küpsetamise ajal rõhu all ja pumbatakse sellest õhku välja. Ülikuumas keskkonnas muutub EVA keemiline ülesehitus ja see polümeriseerub. 

"EVA on algul pigem kummine aine. Küpsetamisel see sulab ja muutub siis teistmoodi kummiseks," kirjeldab värske doktor. Küpsetatud EVA on läbipaistev ja sobib päikeseelemente kinni hoidma. Piltlikult öeldes liimib õigesti valmistatud EVA Tšukrejevi sõnul kõik paneeli kihid kokku.

"Tootmises ongi peamine oskusteave selles, kuidas EVA-d küpsetada niimoodi, et see jääb läbipaistvaks, peab kaua vastu ja sellel on kõik vajalikud omadused olemas," selgitab värske doktor. Kuna paneelide garantiiaeg on 20–30 aastat, peab tootja tagama, et tema paneel, seahulgas EVA-kiht, peab vastu vähemalt selle aja.

Ära usalda, vaid kontrolli

Ehkki päikesepaneelid ja nende osad võivad rikutud saada ka peale paigaldamist, oli Pavel Tšukrejevi jaoks huvitav hoopis see, kuidas võib see juhtuda juba tootmise käigus. "Keskendusin oma töös just EVA küpsetamisele ja lamineerimisele, kuna meie praktikas tuleb just seal ette kõige rohkem vigu," põhjendab ta.

Lamineerimisprotsess on värske doktori sõnul väga tundlik: nii temperatuuri, rõhu kui ka materjali kvaliteediga seoses võib väga palju pisiasju valesti minna. Nagu öeldud, küpsetatakse EVA-d umbes 145 °C juures. "Iva on selles, et isegi kahe-kolme kraadine muudatus võib mõjutada EVA lõppkvaliteeti. See võib olla kas alaküpsetatud, üleküpsetatud või jäävad sinna sisse mingisugused mullid," loetleb Tšukrejev.

EVA lõppkvaliteeti saab tema sõnul hinnata peamiselt materjali geelisisalduse järgi: "See peab olema teatud piirides: geelisisaldus võiks jääda 70–80 protsendi vahele. Samas tootjal ei ole üldse kuidagi võimalik seda mõõta." Tootja asetab materjalitüki ahju, küpsetab retsepti järgi ja saadab siis valmis tüki laborisse katsetamiseks. 

Laboris pannakse see lahustisse, lastakse ära lahustuda ja mõõdetakse siis geelisisaldust. "See protseduur võtab umbes 24 tundi. Sina oled samas 24 tunni jooksul midagi kogu aeg juurde tootnud. Kui sa lõpuks saad laborist vastuse, et su katsetükk on halb, on sul juba terve veok seda partiid täis laetud," näitlikustab värske doktor.

Ehkki küpsetamise ajal toimuvat pole võimalik praegu reaalajas jälgida, proovis Tšukrejev oma doktoritöös välja töötada võimalust lõpptulemust siiski ette ennustada. Ennustus lähtub tema sõnul küpsetamise ajal mõõdetud parameetritest. "Oma töös mõõtsime temperatuuri ise. Me ei lootnud selle peale, mida juhend näitab, vaid panime ahju lisaanduri," meenutab ta. 

Nii selguski, et ahju tegelik temperatuur oli ahju enese mõõdikunäidust oluliselt väiksem. Tšukrejevi sõnul on see tootjate vaatest oluline leid. "Vaatasime ka retseptid üle. Retseptis märgitud temperatuur ei vastanud sellele, kuidas masin tegelikult töötab. Tegelik töö ei vastanud nõuetele," kirjeldab ta.

Veidi peab veel arendama

Pavel Tšukrejev tegi oma töö jaoks katseid tegelikus päikesepaneelide tootmistehases. Sestap möönab ta, et tegi katseid ja nendest saadud proove pisut liiga vähe. "Katseandmete kogumine võtab väga palju aega. Ühe proovi jaoks kulub umbes 15–20 minutit ja meie võtsime 16 proovi. Kuna see kõik toimus päris tootmisliinil, siis oli halb seal tootmist seisma panna, sest Pavel tahab nüüd katseid teha," muigab ta. Ühtlasi oleks ta tahtnud oma mudelis temperatuuri kõrval ka rõhku mõõta – selleks ei jäänud värske doktori sõnul lihtsalt aega.

Samas tähendab ehtsal tootmisliinil põhinev arendustöö, et Tšukrejevi välja pakutud ennustussüsteemi saaks viimistlemise järel laiemalt turule tuua. Praegu ta seda küll edasi ei arenda, kuid näeb uues meetodis tootjale võimalikku abivahendi. "Tõsi küll, sellest oleks pigem abi väiksematele tootjatele, kuna neil on lihtsalt ressursse ja võimekust vähem," arutleb ta. 

Tallinna Tehnikaülikooli mehaanika ja tööstustehnika instituudi doktorant Pavel Tšukrejev kaitses doktoritöö "Photovoltaic Modules, Design and Manufacturing" ("Fotoelektrilised moodulid, disain ja tootmine") 12. oktoobril. Tööd juhendasid kaasprofessor tenuuris Kristo Karjust ja täisprofessor tenuuris Jüri Majak Tallinna Tehnikaülikoolist ning PhD Ander Pukk ettevõttest REactive Experts. Tööle oponeerisid professor Minna Lanz Tampere Ülikoolist ja emeriitdotsent Helle Hein Tartu Ülikoolist.