Moduły fotowoltaiczne montowane na dachach budynków to te same moduły, jakie przeznaczone są do instalacji montowanych na gruncie. O ile w przypadku instalacji montowanych na gruncie wymiary, kształt a nawet estetyka są parametrami drugorzędnymi o tyle w przypadku dachów domów mieszkalnych estetyka aktualnie proponowanych klasycznych rozwiązań jest mocno dyskusyjna. To, jak zbudowany jest moduł – a co za tym idzie jak wygląda – determinują wymiary ogniw PV oraz technologia jego produkcji. Ogniwa mają taki wymiar, jak płytki krzemowe, z których powstają, a więc są to obecnie kwadraty o boku od 156 mm do 182 mm (więcej o wymiarach ogniw w artykule: „Rozmiary ogniw fotowoltaicznych – trendy rynkowe”). Jeśli wziąć pod uwagę, że moduł zbudowany jest z 60 ogniw kwadratowych lub 120 prostokątnych (half-cut) to kształt i rozmiar modułu to prostokąt o powierzchni od 1,6 m2 do nieco ponad 2 m2. Moduł taki ma ramę aluminiową koloru srebrnego oraz biały tył (plastik zabezpieczający – back sheet). 

Moduły PV zbudowane są z szeregowo połączonych ogniw fotowoltaicznych. Dotyczy to zarówno modułów zbudowanych na bazie pełnowymiarowych ogniw o kształcie kwadratu, jak i modułów zbudowanych na bazie ogniw, które podzielono na połówki (tak zwane ogniwa half cut). Z tego powodu pomiędzy ogniwami musi znajdować się przerwa (odstęp), która pozwala na przejście połączeń elektrycznych (tak zwanych ribbons) z przedniej strony pierwszego ogniwa na stronę drugą drugiego ogniwa. Niestety jak dotychczas, obszar ten jest nieaktywny, a energia padającą na jego powierzchnię jest tracona. 

W stosowanych aktualnie technologiach sposobem na minimalizację strat związanych z nieaktywną powierzchnią modułu było zmniejszanie odległości pomiędzy ogniwami albo odległości od krawędzi ogniwa do krawędzi szkła zabezpieczającego. To niestety może prowadzić do zbyt dużych naprężeń na krawędzi ogniw, a to z kolei może stanowić źródło mikropęknięć ogniw. Istnieją także moduły typu shingled, w których brak jest przerw pomiędzy ogniwami (pozostają tylko obszary pomiędzy szeregami oraz obszar przy ramie). Jednak jest to technologia niszowa i dopiero rozwijana. 

Od niedawna w IMIM PAN oraz firmie Helioenergia prowadzone są badania nad innowacyjnym sposobem wykorzystania części energii słonecznej, jaka pada na nieaktywny obszar modułu PV.

Doktorat wdrożeniowy – kolejne badania w obszarze fotowoltaiki 

Prace realizowane są w ramach programu doktorat wdrożeniowy. Do programu tego przystąpił również Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN w Krakowie. To już drugi doktorat realizowany w IMIM PAN w obszarze fotowoltaiki. Pierwszy został już obroniony  (więcej w artykule: „Moduły z luminescencyjnym koncentratorem energii dla instalacji agrowoltaicznych”). Obecnie, uczestnik studiów doktoranckich - Pan Olgierd Jeremiasz,  prowadzi badania nad wykorzystaniem nieaktywnej powierzchni modułów PV. Podobnie jak poprzednio prace prowadzone są w Laboratorium Fotowoltaicznym w Kozach koło Bielska Białej oraz w laboratoriach firmy Helioenergia. 

Powierzchnia nieaktywna w typowym module PV

Odstęp, jaki występuje pomiędzy poszczególnymi ogniwami fotowoltaicznymi w typowym module PV wynosi najczęściej od 2,5 do 1,5 mm. Ogniw w module jest 60, co daje sumaryczną powierzchnię odstępów na poziomie 170 cm2. Do tego dochodzą przerwy pomiędzy poszczególnymi szeregami ogniw, których powierzchnia to 300 cm2 a powierzchnia pomiędzy ogniwami a ramą to 780 cm2. W sumie w typowym module fotowoltaicznym powierzchnia nieaktywna (bez ogniw) to 1250 cm2. Biorąc pod uwagę, że cały moduł PV ma powierzchnię 25 600 cm2 niewykorzystana powierzchnia to tylko 4,9 %. Ze względu na ciągłe dążenie do podnoszenia sprawności konwersji modułów można zaryzykować stwierdzenie, że to aż 4,9%. Warto podkreślić, że to wartość minimalna, a trend budowy modułów z ogniw połówkowych (half- cut) zwiększa udział części nieaktywnych modułu nawet do 9,5%.  

Zwiększenie wydajności modułu PV poprzez efektywne wykorzystanie przestrzeni międzyogniwowej

Prowadzone innowacyjne oraz intensywne badania mają na celu opracowanie modelu teoretycznego a następnie takiej technologii, która pozwoli na zbudowanie prototypu  selektywnego lustra, które skieruje część promieniowania słonecznego na powierzchnię aktywną ogniw PV.  

W ujęciu bardziej szczegółowym prace mają na celu zwiększenie wydajności modułu poprzez skierowanie części promieniowania padającego na obszary nieaktywne w kierunku powierzchni ogniw fotowoltaicznych. W tym celu w obszarach nieaktywnych zostanie wytworzony rodzaj lustra, którego powierzchnia to struktura piłokształtna wytworzona na przedniej szybie zabezpieczającej. Padające promieniowanie (kolor czerwony) zostanie skierowane do powierzchni ogniw. Wykorzystane zostanie zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia na granicy ośrodków szkło-powietrze. Schemat proponowanego rozwiązania pokazano na rysunku 1. 

Rys. 1. Modyfikacja nieaktywnej przestrzeni międzyogniwowej poprzez wytworzenie struktury piłokształtnej na przedniej szybie zabezpieczającej w module PV

Układ taki jest szczególnie dedykowany do zastosowania w modułach zbudowanych w oparciu o ogniwa bi-facial (posiadających obie strony aktywne). Ogniwa bi-facial mogą dokonywać konwersji energii słonecznej zarówno gdy ta pada na ich powierzchnię przednią jak i tylną. W układzie takim konieczne jest zastosowanie szkła także na tylnej stornie modułu. 

Etapy wytwarzania dedykowanego lustra

Pierwszym najważniejszym problemem - rozwiązanym w ramach opisanego powyżej doktoratu wdrożeniowego- było zbudowanie modelu matematycznego, który pozwalałby na określenie, czy taka struktura może działać a jeśli tak, to jakie powinna mieć parametry geometryczne (rys.2.). W toku prowadzonych badań udało się taki model opracować. 

Rys. 2. Pierwsze przykładowe założenia do modelu matematycznego

W oparciu o przyjęty model wyliczono optymalny kąt, pod jakim powinny się znajdować powierzchnie struktury piłokształtnej. Uzyskane wyniki były bazą dla pierwszych prac technologicznych. Mając na względzie przyszłe wdrożenie do produkcji do wykonania struktury piłokształtnej zastosowano laser CO2. Tę samą technikę wykorzystano do wytworzenia powierzchni odbijającej światło. Użyto metody osadzania metalu laserem impulsowym z wykorzystaniem ablacji laserowej (PLD – Pulsed Laser Deposition). Wykorzystano przy tym fakt, że materiał obrabiany jest przezroczysty (szkło) dla promieniowania laserowego. Z racji koniecznej selektywności oraz ekonomii procesu wykorzystano specyficzną odmianę PLD - metody transferu indukowanego laserem tj. – druku laserowego. 

Pierwsze wyniki 

Pierwsze wyniki są obiecujące (więcej w artykule: „Nowe możliwości wykorzystania nieaktywnej powierzchni modułów PV – cz. 2.”). Udało się rozwiązać szereg problemów, a co najważniejsze w sposób powtarzalny wykonać strukturę o założonych (na podstawie modelu) parametrach geometrycznych. Obecnie prowadzone są prace eksperymentalne nad poprawą jakości powłoki metalicznej na szkle. Największym zaś wyzwaniem badawczym jest zachowanie odpowiedniej wytrzymałości szyby zabezpieczającej, na powierzchni której wykonano strukturę piłokształtną. 

---

W artykule wykorzystano materiały z badań Olgierda Jeremiasza prowadzonych w ramach programu Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego pt. „Doktorat wdrożeniowy” – II edycja.

Agrowoltaika choć rozwijana od dłuższego czasu nadal jest dużą nowością w obszarze komercyjnych zastosowań fotowoltaiki. W najprostszym ujęciu to jednoczesne wykorzystanie obszarów przeznaczonych do uprawy roślin oraz do montażu naziemnych instalacji fotowoltaicznych z założeniem korzystnego lub co najmniej neutralnego wpływu PV na uprawy. 

W ujęciu bardziej szczegółowym to także działania mające na celu zwiększenie wydajności upraw. Efekt taki uzyskać można dzięki kontrolowanemu zacienieniu jakie mogą dawać roślinom odpowiednio zamontowane moduły fotowoltaiczne. Zacienienie to pozwala na lepsze wykorzystanie wody przez rośliny. Pomimo wielu ciekawych rozwiązań w tym zakresie (więcej w artykule: „Agrowoltaika – typowe i nowe rozwiązania”) w instalacjach agrowoltaicznych stosuje się typowe komercyjne moduły fotowoltaiczne.

Istotną innowacją byłoby wytworzenie modułów dedykowanych do zastosowania w instalacjach agrowoltaiacznych. W pierwszej kolejności powinny być to moduły o regulowanej przezierności, tak aby jeszcze lepiej sterować korzystnym dla roślin zacienieniem. Kolejnym krokiem , powinno  być zastosowanie koncentratorów luminescencyjnych. Układy takie po pierwsze skierują cześć promieniowania padającego na moduł PV do ogniw, a po drugie dzięki zmianie widma promieniowania mogą przyczynić się do lepszego wzrostu roślin. Zastosowanie koncentratorów luminescencyjnych implikuje jednak określone problemy natury technologicznej. Po pierwsze, koncentratory wbudowane w układ typowego modułu PV mają tendencję do utraty części swoich właściwości w czasie. Po drugie, wprowadzenie koncentratora wymaga zmian w technologii produkcji modułu PV. Zbyt duże zmiany mogą potencjalnie generować zwiększone koszty (lub: stawiają pod znakiem zapytania ekonomiczny charakter przedsięwzięcia. 

Ciekawym przykładem na rozwiązanie obu problemów są przeprowadzone w ostatnich latach w Polsce badania nad luminescencyjnymi koncentratorami energii przeznaczonymi do procesów hermetyzacji modułów. 

Doktorat wdrożeniowy – program Ministra Nauki Edukacji i Nauki

Badania skupiające się na zastosowaniu stabilnych w czasie luminescencyjnych koncentratorów energii przeprowadzono w ramach programu doktorat wdrożeniowy. Przedmiotem programu jest tworzenie warunków do rozwoju współpracy podmiotów systemu szkolnictwa wyższego i nauki z otoczeniem społeczno-gospodarczym. Program prowadzony  jest za pośrednictwem szkół doktorskich i polega na kształceniu doktorantów we współpracy z zatrudniającymi ich przedsiębiorcami albo innymi podmiotami.  Najważniejszym efektem programu jest wdrożenie  wyników prowadzonej przez doktorantów działalności naukowej u przedsiębiorców.

Do programu tego przystąpił również Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN w Krakowie. W ramach jednego z doktoratów – dr inż. Piotr Sobik, pracownik firmy Helioenergia - prowadził badania w Laboratorium Fotowoltaicznym w Kozach koło Bielska Białej. 

Luminescencyjny koncentrator energii 

Śmiało można powiedzieć, że jest to rozwiązanie innowacyjne w skali światowej. Choć na rynku istnieją podobne rozwiązania brakuje jednak rozwiązania w postaci gotowego modułu dla agrowoltaiki z sekwencyjnie rozmieszczonymi ogniwami fotowoltaicznymi oraz
z warstwą luminescencyjnego koncentratora energii. Istnieją co prawda moduły z rozseparowanymi ogniwami fotowoltaicznymi ale występują one w standardowej wielkości i nie mają one koncentratora. Istotą proponowanego rozwiązania jest zastosowanie dwuwarstwowego koncentratora luminescencyjnego we współpracy z planarnymi ogniwami fotowoltaicznymi. Tak ułożone  ogniwa zasilane są zarówno promieniowaniem bezpośrednim jak i dodatkowo za pomocą koncentratora (rys.1.). Pozwala to na uzyskiwanie sprawności ogólnych konwersji fotowoltaicznej 4-10% przy udziale ogniw w powierzchni modułu od 10 do 60%. Dwuwarstwowy koncentrator powoduje ograniczenie strat samoabsorbcji oraz korzystny rozkład modów światła. 

 

Rys.1. Schemat proponowanego rozwiązania pokazujący zasadę działania koncentratora luminescencyjnego  

Podstawowe zalety rozwiązania to niski koszt wytworzenia oraz możliwość skalowania do warunków natężenia promieniowania słonecznego.

Koncentrator luminescencyjny i moduł PV – udane połączenie

Głównym celem zrealizowanego doktoratu wdrożeniowego było opracowanie technologii wytwarzania modułów fotowoltaicznych z zastosowaniem luminescencyjnego koncentratora energii (LKE ang. LSC). 

W badaniach skoncentrowano się na takiej modyfikacji matrycy luminescencyjnego koncentratora energii, iż poprzez dobór odpowiednich rozpuszczalników zapewniono fotostabilność barwnika bez użycia dodatkowych czynników stabilizujących. W badaniach tych bazowano na tzw. czerwonym perylenie, który ma dobrze poznane właściwości luminescencyjne. Tym samym rozwiązano pierwszy problem a mianowicie kwestię stabilności koncentratora. 

W ramach prowadzonych prac badawczych wykonano i przetestowano moduł fotowoltaiczny ze wspomaganiem luminescencyjnym. Co więcej moduł ten wykonano stosując typowy proces hermetyzacji modułów. Dzięki temu można śmiało stwierdzić, że rozwiązano drugi problem tj. kompatybilność procesu wytwarzania nietypowego modułu z dotychczasowymi procesami produkcji. 

Wyniki doktoratu są już częściowo wdrażane do działalności firmy Helioenergia sp. z o.o. w zakładzie produkcyjnym przedsiębiorstwa w Czerwionce-Leszczynach Firma zadeklarowała implementację rozwiązania, w szczególności opartego na wykorzystaniu foli do laminacji modyfikowanej czerwonym perylenem, do produkcji modułów PV z wspomaganiem luminescencyjnym. 

Należy zwrócić uwagę, iż opracowana technologia bazuje na rozwiązaniach stosowanych obecnie przy produkcji typowych modułów PV.

Dalsze prace badawcze 

Przeprowadzone prace otworzyły kolejny etap badań nad innym materiałem do budowy koncentratora luminescencyjnego jakim jest tak zwany Błękit Egipski. Podjęto już pierwszą  próbę wykonania modułu fotowoltaicznego, który byłby wspomagany luminoforem ceramicznym na jego bazie. Choć w literaturze przedmiotu dostępne są już doniesienia o potencjale aplikacyjnym tego luminoforu, nie odnaleziono jednak informacji o wytworzeniu  modułu fotowoltaicznego z jego użyciem. Obecnie prowadzone są prace nad tym rozwiązaniem. 

---

W artykule wykorzystano materiały ze pracy doktorskiej Piotra Sobika pt. „New Luminescent Solar Concentrators for packaging processes in photovoltaic modules” („Nowe luminescencyjne koncentratory energii przeznaczone do procesów hermetyzacji modułów fotowoltaicznych”). Praca została w zrealizowana w ramach programu Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego pt. „Doktorat wdrożeniowy” (Dz.U. 2016 poz.873) – I edycja.