Typowe moduły fotowoltaiczne (PV) montowane są najczęściej na dachach budynków lub na gruncie. Jednak to nie jedyne miejsce, na którym można zainstalować system fotowoltaiczny. Od wielu lat rozwijany jest także dział fotowoltaiki określany jako BIPV (Building Integrated Photovoltaics) czyli fotowoltaika zintegrowana z budynkami. W aktualnej fazie rozwoju technologii termin ten dotyczy najczęściej pokryć dachowych (więcej w artykule” „Dachówki fotowoltaiczne – trendy rynkowe”) bądź elementów fasady budynków. Jednak nie są to jedyne obiekty, jakie można zaliczyć do grupy BIPV. Są nimi także inne elementy budowlane, jak choćby ekrany dźwiękochłonne znajdujące się wzdłuż ciągów komunikacyjnych - w tym torowisk PKP. Ciekawym przykładem takiej realizacji jest opracowany w ostatnich latach w Polsce innowacyjny moduł fotowoltaiczny do zastosowania na ekranach dźwiękochłonnych.
BRIK - wspólne przedsięwzięcie NCBR – PKP PLK S.A
Wszystko zaczęło się od konkursu BRIK. To wspólne przedsięwzięcie NCBR – PKP PLK S.A polegające na wsparciu badań naukowych i prac rozwojowych w obszarze infrastruktury kolejowej. W projekcie tym opracowano, zbadano i wykonano prototypy innowacyjnych modułów fotowoltaicznych dedykowanych do montażu na ekranach dźwiękochłonnych wzdłuż linii kolejowych. Opracowany moduł PV jest innowacją na skalę światową. Po raz pierwszy połączono w nim funkcjonalność i parametry elektryczne typowego modułu PV z elastycznym podłożem, nietypowym układem ogniw i specjalną perforacją. Dzięki temu zamontowany na ekranie moduł PV tylko w niewielkim stopniu modyfikuje jego własności dźwiękochłonne. Pierwsze testy opracowanych modułów odbyły się na stacji kolejowej PKP w Jaśkowicach legnickich. Badania prowadzono w konsorcjum, w skład którego wchodził Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN (IMIM PAN), Politechnika Wrocławska oraz Akademia Wojsk Lądowych.
Ekrany dźwiękochłonne i fotowoltaika – udane połączenie
Ekrany dźwiękochłonne znajdujące się wzdłuż linii kolejowych to przede wszystkim bariera dla dźwięków generowanych przez przejeżdżające pociągi. Montuje się je w obszarze zabudowań, gdzie hałas generowany przez pociągi może być uciążliwy dla mieszkających tam ludzi. Ponadto typowe ekrany stosowane przy ciągach komunikacyjnych to także elementy dźwiękochłonne. Najczęściej wykonane z dźwiękochłonnych elementów trocinobetonowych albo takie, które są kombinacją paneli podwalinowych (beton sprężony) i dźwiękochłonnych z porowatego keramzytobetonu. Wówczas mamy do czynienia z ekranami, które z jednej strony są barierą dla dźwięku a z drugiej częściowo ten dźwięk pochłaniają. Tego typu ekranów zainstalowano w Polsce całkiem sporo. Z danych PKP z ostatnich kilku lat wynika, że jest ich minimum 230 km i ciągle powstają nowe. Jak podaje portal „rynek-kolejowy” infrastruktura ta może zostać zwiększona w przyszłości do nawet 1300 km. Ekrany zamontowane przy torowisku są bardzo stabilną konstrukcją budowlaną, która opera się na stalowych słupach trwale połączonych z podłożem. Układem przypominają pionową ścianę budynku, w przypadku linii biegnących w kierunku wschód-zachód jedna strona jest zwrócona dokładnie na południe. Dlatego też konstrukcje te wydają się być ciekawym miejscem do montażu modułów PV. Dotychczas pomysły na zamontowanie modułów PV to rozwiązania, które opisują albo montaż modułów PV na płaszczyźnie ekranu albo na ruchomej konstrukcji ponad nim. W pierwszym przypadku ekran nic nie traci ze swoich własności izolacyjnych, nadal jest barierą dla dźwięków generowanych przez przejeżdżające pociągi, jednak jego własności dźwiękochłonne ulegają znacznemu pogorszeniu. W drugi przypadku mamy do czynienia z instalacjami które zwiększają wysokość stosowanych ekranów, a także obciążają konstrukcję podczas silnych wiatrów.
Rozwiązanie inne niż wszystkie
W rozwiązaniu zaproponowanym przez naukowców z IMIM PAN opracowane moduły montowane są w płaszczyźnie ekranu a dokładnie na jego wewnętrznej stronie. Mimo takiego umiejscowienia, tylko w niewielkim stopniu pogarszają własności dźwiękochłonne ekranów akustycznych. Dzieje się tak dlatego, iż w opracowanym module zastosowano tkaninę jako podłoże nośne, a szeregowo połączone ogniwa fotowoltaiczne rozdzielono na 6 niezależnych submodułów. W finalnym etapie prac B+R opracowano i zbadano unikalny rodzaj perforacji, która zmienia parametry akustyczne całego modułu na bardziej korzystne względem takiego, który jej nie posiada. Warto dodać, że szkła przykrywające ogniwa pokryto warstwą hydrofilową, dzięki której mają one własności samoczyszczące (więcej w artykule: „Wpływ zanieczyszczeń na parametry modułów PV”). Rozwiązania są na tyle innowacyjne, że są przedmiotem 3 zgłoszeń patentowych. Ponadto opracowane moduły na tyle zaawansowane, że pełnowymiarowe prototypy zostały przetestowane w warunkach rzeczywistych na stacji kolejowej w Jaśkowicach Legnickich (rys.1.).
Rys.1. Prototypy 6 innowacyjnych modułów PV zamontowanych na ekranach dźwiękochłonnych na stacji kolejowej w Jaśkowicach Legnickich
Parametry opracowanych modułów
Wytworzone moduły na podłożu elastycznym zostały zbadane w celu wyznaczenia ich pełnych parametrów elektrycznych i charakterystyk prądowo-napięciowych z użyciem profesjonalnego symulatora promieniowania słonecznego ENDEAS Quick SUN 820 A (metoda akredytowana przez PCA, więcej w artykule: „Pierwsze w Polsce Akredytowane Laboratorium Fotowoltaiczne”). Natomiast badania parametrów elektrycznych całych kompletnych modułów PV w warunkach rzeczywistych wykonano z użyciem systemu przenośnego.
Moduły powstały w oparciu o ogniwa PV o wymiarach 156 mmm x 156 mm i 5 elektrodach połączeniowych (5BB). Zmierzona moc maksymalna opracowanego modułu to 303,4 Wp. Moc ta może być jeszcze wyższa w przypadku zastosowania ogniw o większych wymiarach. Elastyczność modułów wynika z elastyczności tkaniny znajdującej się pomiędzy submodułami. System montażu jest uniwersalny i pasuje do różnego typu ekranów dźwiękochłonnych. Rosnące ceny energii powodują, że tego typu rozwiązania mogą się okazać alternatywą dla typowych instalacji PV oraz z powodzeniem wykorzystywane przez podmioty zarządzające infrastrukturą komunikacyjną.
W artykule wykorzystano materiały z realizacji projektu: Samoczyszczące, wydajne panele fotowoltaiczne na podłożu elastycznym zintegrowane z ekranem akustycznym i inteligentnym systemem monitorowania. Projekt dofinansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju oraz PKP Polskie Linie Kolejowe S.A. Wspólne przedsięwzięcie BRIK w ramach poddziałania 4.1.1 „Strategiczne programy badawcze dla gospodarki”