INNE SPOSOBY ZWIĘKSZANIA EFEKTYWNOŚCI PRACY MODUŁÓW PV

fotowoltaicznej jest odpowiedni, świadomy dobór technologii produkcji modułów do analizowanych warunków klimatycznych.

Analiza idealnego i rzeczywistego jednodiodowego modelu ogniwa słonecznego, którego parametry elektryczne wpływają na efektywność pracy całego modułu fotowoltaicznego, z uwzględnieniem wpływu wybranych czynników jak temperatura i natężenie promieniowania słonecznego na kształt charakterystyk prądowo – napięciowych podejmowana była w wielu pracach, przykładowo w [23,203], w których autorzy wyznaczali między innymi wartości temperaturowego współczynnika napięcia obwodu otwartego i prądu zwarcia.

W 2011 roku Jastrzębska i Tadaszak w [88] dokonali oceny wpływu długości fali światła, dla czterech jej zakresów, na otrzymywane charakterystyki mocy w funkcji obciążenia, wskazując na maksimum mocy dla zakresu 620 - 630 nm. Uzyskane wyniki stanowią potwierdzenie spostrzeżeń zawartych w [115], gdzie autor stwierdza, że dla ogniw krzemowych krystalicznych największa czułość spektralna przypada dla długości fali około 850 nm oraz 600 nm dla krzemu amorficznego.

G. Jastrzębska rozpatrywała również inne możliwości zwiększenia efektywności konwersji fotowoltaicznej, a wyniki badań przedstawiła w swoich wcześniejszych pracach, m.in.

[66,67].

W przypadku dokładnych rozważań analitycznych, korzystniejszy jest schemat dwudiodowy. Autor w [32] przedstawił algorytm wyznaczania charakterystyk prądowo - napięciowych na podstawie dwudiodowego schematu zastępczego ogniwa i przeprowadził symulację komputerową dla wybranych modułów krzemowych. W rozważaniach uwzględniono parametry elektryczne i cieplne ogniw oraz wpływ warunków zewnętrznych, w szczególności nasłonecznienia i temperatury na pracę analizowanych modułów krzemowych poli – i monokrystalicznych.

Pozostałe wybrane czynniki determinujące efektywność działania różnego typu instalacji fotowoltaicznych, również zintegrowanych z budownictwem, z uwzględnieniem doboru odpowiednich kątów pochylenia i azymutu w zależności od technologii produkcji, stopnia transparentności i właściwości fizyko - chemicznych, przedstawiono w sposób syntetyczny w pracy [230], w której również po raz pierwszy dokonano całościowej charakterystyki wielu typów układów fotowoltaicznych, w tym instalacji płaskodachowych jak również konstrukcji elastycznych łukowych, dla których w postaci matrycy parametrycznej określono właściwe wartości kątów pochylenia i azymutu.

Równolegle do badań nad doborem ustawienia odbiorników fotowoltaicznych prowadzone są prace zmierzające do zwiększenia sprawności instalacji w wyniku zastosowania modułów o nowoczesnej technologii (II i III generacja). W Polsce największe osiągnięcia w tym zakresie ma Laboratorium Fotowoltaiczne w Kozach k/Bielska Białej, gdzie prace badawcze i produkcyjne prowadzone są od 1985 roku [59]. Pierwsze prace tej placówki dotyczyły właśnie monitoringu i projektowania systemów PV. Aktualnie Laboratorium wchodzi w skład Instytutu Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN w Krakowie, w którym opracowano

45

szereg nowoczesnych technologii gwarantujących zwiększenie sprawności ogniw słonecznych.

Badania z tego obszaru nie należą jednak do przedstawionych w pracy.

Alternatywnego sposobu zwiększenia efektywności pracy układów fotowoltaicznych upatrywać można w zastosowaniu układów koncentratorów (zwierciadła, soczewki), współpracujących z odbiornikami fotowoltaicznymi. Układy koncentrujące powinny pracować w układzie nadążnym, szczególnie układy o wysokiej koncentracji światła HCPV (ang. High Concentration Photovoltaic). Takie rozwiązanie daje możliwość zwiększenia generowanej mocy elektrycznej, a tym samym ograniczenia powierzchni generatora PV (nawet 1000 - krotnie) [117].

W wyniku ogniskowania i wzmacniania światła słonecznego na ogniwa przekazywana jest większa gęstość energii. Systemy koncentrujące charakteryzuje największa efektywność na obszarach, gdzie jest przeważający udział składowej bezpośredniej w promieniowaniu. Jedne z pierwszych zastosowań koncentratorów w fotowoltaice opisano przy okazji projektów Moon z 1978 roku i Borden z 1981 roku. W Moon zastosowano tandem ogniw GaAs i Si z koncentracją o współczynniku 145, dzięki czemu sprawność konwersji PV osiągnęła 28,5 %, w drugim przypadku, przy takim samym współczynniku koncentracji, odpowiednio 20,5 %, dla tandemu 10 ogniw [115].

Koncentracja światła, z jednej strony pozwala na zwiększenie generowanej mocy elektrycznej, z drugiej jednak - wzrost temperatury wpływa negatywnie na charakterystyki ogniwa i spadek sprawności o 0,35 - 0,45 %/C, co nie jest bez znaczenia przy dotychczas wciąż jeszcze niskich jej wartościach, a w przypadku silnego nagrzania ogniwa powyżej dopuszczalnej wartości, może nawet doprowadzić do jego zniszczenia. Wymagane jest zatem chłodzenie [117].

Zasadniczo, do współpracy z koncentratorami (HCPV), przystosowane są ogniwa z arsenku galu, nawet przy współczynniku koncentracji C = 900 spadek ich sprawności nie przekracza 1,5 %, co stwierdzili Lopez D. i współpracownicy, badając układ nadążny pracujący dwuosiowo w warunkach klimatu Hiszpanii [147].

W 2010 roku A. Zahedi podjął analizę pracy ogniw krzemowych poddanych niskostopniowej koncentracji LCPV (ang. Low Concentration Photovoltaic), określając zakresy zmienności parametrów elektrycznych na skutek zmian temperatury oraz zaproponował możliwości rozpraszania ciepła z wykorzystaniem systemów pasywnych i wodnych, wyposażonych w selektywny absorber, celem obniżenia temperatury pracy.

Zamieszczone w pracy charakterystyki prądowo - napięciowe i mocy dla zmian gęstości mocy promieniowania słonecznego w zakresie 1000 - 5000 W/m² potwierdziły wyniki badań [242].

Problem wzrostu temperatury udało się wyeliminować w rozwiązaniu stożkowym J.H. Karpa. Ogniwo Spin Cell wychwytuje promieniowanie słoneczne, przekształca je na energię elektryczną, a następnie obraca się, zanim wzrośnie temperatura panelu, dzięki czemu efektywność nowego rozwiązania jest ponad 20 - krotnie wyższa niż w rozwiązaniach konwencjonalnych [124].

Należy mieć na uwadze, że w przypadku ogniw krzemowych, zastosowanie LCPV o współczynniku w zakresie C = 210 nie wymaga chłodzenia ogniw [81].

46

Możliwości dodatkowego zwiększenia generowanej mocy elektrycznej przy wykorzystaniu układów koncentratorów promieniowania analizowano w licznych pracach, również w [56,80,81,151,216].

P. Yadav prowadził badania układów PV z koncentratorami z wykorzystaniem spektroskopii impedancyjnej, przy czym zwrócił uwagę na wpływ parametrów dynamicznych koncentracji i temperatury na osiągany punkt mocy maksymalnej dla warunków ATC oraz jednostkową zmianę wartości prądu zwarcia, rezystancji szeregowej i napięcia obwodu otwartego na poziomie odpowiednio 0,25 A/K, 1 mΩ/K, - 0,06 V/K. Wyniki badań opublikowano w [239].

Implementację wyników badań dla celów industrialnych przedstawił D. Lopez w [147], gdzie zastosowanie dwuosiowego układu nadążnego wyposażonego w koncentrację promieniowania słonecznego HCPV, na terenie hiszpańskiej oczyszczalni wód ściekowych miejscowości Santa Pola (Alicante), przyczyniło się do wzrostu produkcji energii elektrycznej do 1,485 GWh, a synergia tych układów spowodowała wzrost produkcji energii elektrycznej w stosunku do układu ustawionego całorocznie z kątem pochylenia 30° o 26 %. Stwierdzono ograniczoną wartość produkowanej energii elektrycznej na skutek gromadzenia się pary wodnej na powierzchni zwierciadeł w wyniku niewłaściwego zaprojektowania układu i zwrócono uwagę na dobór odpowiedniej lokalizacji dla analizowanego rozwiązania.

Autor w publikacji [80] scharakteryzował układy fotowoltaiczne współpracujące z koncentratorami o niskiej (LCPV) oraz wysokiej koncentracji (HCPV), ze szczególnym uwzględnieniem wpływu temperatury oraz stopnia koncentracji. W pracy zwrócono również uwagę na efektywność najnowszych rozwiązań ogniw współpracujących z koncentratorami (Spin Cell, Interdigitated Back Contact).

Wykorzystanie koncentratorów promieniowania słonecznego w warunkach klimatycznych Polski, stanowi zagadnienie niszowe ze względu na znaczny, dochodzący do 70 % dla miesięcy zimowych, udział składowej dyfuzyjnej w całkowitym promieniowaniu słonecznym [85]. W takich warunkach zastosowanie tradycyjnych koncentratorów jest nieuzasadnione.

Spodziewane rezultaty wynikające z koncentracji można w tym wypadku uzyskać po zastosowaniu koncentratora płaskiego (pokrytego luminoforem). Jego główną zaletą jest możliwość wychwytywania promieni słonecznych padających pod dowolnym kątem. Tym samym, koncentratory luminescencyjne (ang. Luminescent Solar Concentrator) nie wymagają współpracy z układem nadążnym, dodatkowo, możliwość rozmieszczenie centrów luminescencyjnych na folii polimerowej, pozwala na obniżenie kosztów. Aktualnie ich sprawność jest jeszcze niska, rzędu 11 % [80,81,117].

Badania koncentratorów luminescencyjnych prowadzą także naukowcy z Katalonii, którzy w rozwiązaniu Ephocell zwiększyli sprawność konwersji w wyniku lepszego zsynchronizowania długości padających fal promieniowania z własnościami absorpcyjnymi odbiornika [80,81].

W Polsce badania dotyczące koncentratorów luminescencyjnych prowadzone są w Instytucie Technologii Materiałów Elektronicznych ITME w Warszawie. Wyniki tych prac opublikowano m.in. w [118].

Ciekawym rozwiązaniem jest również tzw. stos koncentratorowy. Sprawność jest wówczas większa dzięki włączeniu do konwersji promieniowania podczerwonego i ultrafioletowego [80,115].

47

Badania nad zwiększeniem wydajności modułów fotowoltaicznych w warunkach polskich, ale z wykorzystaniem zwierciadeł parabolicznych jako koncentratorów promieniowania słonecznego, prowadzone są w Akademii Górniczo Hutniczej w Krakowie [65] stanowiącej pionierski ośrodek w Polsce nad wykorzystaniem skupionego promieniowania również w układach kolektorów hybrydowych.

W pracy [28] zaprezentowano kolejne spektakularne wyniki badań nad zwiększeniem wydajności krzemowych ogniw fotowoltaicznych skierowanych na skoncentrowane promieniowanie z wykorzystaniem układu nadążnego dwuosiowego oraz koncentratora składającego się z talerza parabolicznego i pierścienia wyklejonego folią refleksyjną otaczającego lustro. Przeprowadzone badania dla trzech konfiguracji: stacjonarnej (kąt pochylenia β = 30°, γ = 180°), nadążnej dwuosiowej oraz z wykorzystaniem przygotowanego koncentratora, dla modułu o mocy 0,8 W, wykazały co najmniej 2 – krotny wzrost mocy elektrycznej oraz 3 – krotny wzrost prądu zwarcia, z równoczesnym przesunięciem punktu mocy maksymalnej w kierunku niższych napięć, w porównaniu do układu stacjonarnego, przy 45 – procentowym jej wzroście na skutek pozycjonowania dwuosiowego. Jako wadę układu wskazano znaczny wzrost temperatury pracy na skutek zbliżania w kierunku punktu skupienia, włącznie z uszkodzeniem struktury modułu.

Jeżeli badania te zaowocują korzystnymi wynikami, będzie to kolejny krok do przodu dla dalszego rozwoju fotowoltaiki także w Polsce.

48

4. MODELOWANIE PROMIENIOWANIA SŁONECZNEGO NA PŁASZCZYŹNIE