Modelowanie modułu słonecznego 3D w oparciu o elastyczne panele fotowoltaiczne

Marek Mazur 1, Michał Józwik 2, Krzysztof Malowany 3 i Łuksza Szeląg 4

1/Fokus Consulting Sp. z o.o., Pokorna 2/221, 00-199 Warszawa, 2/Wydział Mechatroniki Politechniki Warszawskiej, Św. A. Boboli 8, 02-525 Warszawa, Polska,
3/KSM VISION Sp. z o.o., Sokołowska 9/117, 01-142 Warszawa, Polska

Wysłano 21 kwietnia 2022 r.; zaakceptowano 28 czerwca 2022; opublikowano 30 czerwca 2022

Streszczenie – W artykule przedstawiono nową koncepcję modułu fotowoltaicznego. Wzrost wydajności uzyskuje się poprzez zastosowanie trójwymiarowej formy elastycznych paneli fotowoltaicznych z dodatkowym lustrem odbijającym. Elastyczny panel jest rozłożony na całej wewnętrznej powierzchni cylindra, podczas gdy lustro rozprowadza strumień po jego powierzchni. Porównanie wybranych rozwiązań kształtu lustra realizowane jest za pomocą symulacji numerycznych. Wyniki irradiancji dla pochłoniętego strumienia omówiono pod kątem możliwych ulepszeń.

Fotowoltaika (PV) stała się atrakcyjnym źródłem energii elektrycznej umożliwiającym konwersję energii słonecznej [1]. Nowe technologie okazują się bardziej wydajne, niezawodne i przystępne cenowo [2]. Oprócz sztywnych monokrystalicznych ogniw krzemowych opracowywane są alternatywne technologie perowskitowe, organiczne lub mieszane na elastycznym podłożu [3]. Cienkowarstwowe elastyczne ogniwa słoneczne są lekkie, wytrzymałe mechanicznie i mogą być produkowane po niskich kosztach. Pozyskiwanie energii z danej powierzchni komórki jest ściśle związane z technologią budowy komórki. Na przykład certyfikowana wydajność ogniw słonecznych na elastycznym podłożu wykonanym z najbardziej obiecującego materiału – perowskitu – osiągnęła 25,2% [3].

Obecnie istnieje ograniczona liczba projektów, które mogą zapewnić stopniowy wzrost wydajności płaskich ogniw fotowoltaicznych, a tym samym zwiększyć zysk z energii z instalacji. W ciągu najbliższej dekady eksperci szacują kilkuprocentową poprawę sprawności, co nie rozwiąże problemu przestrzeni potrzebnej na tego typu instalacje. Zmniejszenie potrzebnej powierzchni lub maksymalizację wytwarzanej mocy można osiągnąć za pomocą różnych typów koncentratorów energii. Wykazano wysoką sprawność układów koncentracji dla małych rozmiarów wysokosprawnych ogniw słonecznych, które mogą być wykonane z drogich materiałów [4]. Koncentratory odbijające często zawierające złożone powierzchnie cylindryczno- paraboliczne- elipsoidalne stanowią wyzwanie technologiczne. Inną typową opcją koncentracji systemów PV jest soczewka Fresnela [5]. Jednak zarówno soczewki Fresnela, jak i odbłyśniki do koncentrowania systemów fotowoltaicznych muszą być instalowane na platformie do śledzenia słońca o wysokiej dokładności.

* E-mail: michal.jozwik@pw.edu.pl

Głównym celem tej pracy jest opracowanie nowej koncepcji modułów fotowoltaicznych, która oferuje przełamanie ograniczeń standardowych modułów opartych na płaskich panelach. Wzrost wydajności uzyskuje się poprzez zastosowanie trójwymiarowych form elastycznych paneli fotowoltaicznych z dodatkowym elementem optycznym. Tutaj zastosowano dodatkowe elementy optyczne do dystrybucji energii w określony sposób na powierzchni panelu.

Cały moduł składa się z układu 25 identycznych cylindrów (rys. 1a) o wymiarach 200 mm (wysokość) × 200 mm (średnica cylindra). Oś z wskazuje kierunek oświetlenia. Ogniwo fotowoltaiczne wykonane na elastycznym podłożu jest rozmieszczone na całej wewnętrznej powierzchni cylindra (rys. 1b i c). Górna okrągła powierzchnia cylindra określa ilość strumienia świetlnego dostępnego dla pojedynczego elementu tablicy. Na przeciwległym końcu cylindra znajduje się lustro, które rozprowadza strumień na powierzchni PV. W pracy skupiono się na porównaniu wybranych rozwiązań kształtu lustra. Symulacje przeprowadzono za pomocą Trace Pro (Lambda Research Corporation, USA) [6] – oprogramowania do śledzenia promieni do projektowania i analizy systemów oświetleniowych i optycznych.

Rys. 1. Wizualizacja modułu 3D panelu słonecznego (a), przekrój jednocylindrowy z zewnętrzną (b) i wewnętrzną powierzchnią lustrzaną (c).

Na potrzeby symulacji numerycznych i porównania proponowanych rozwiązań należy zdefiniować kilka prostych parametrów teoretycznych materiału PV:

– współczynnik absorpcji przyjmuje się jako stały, odpowiadający 80% absorbancji i 20% reflektancji;

– sprawność konwersji energii wynosi 10%;

– parametry są stałe i nie zmieniają się wraz z kierunek oświetlenia lub pochłonięta energia.

Dla uproszczenia symulacji górna powierzchnia jest w pełni przejrzysta. Nie wpływa na strumień światła wpadającego. Lustro na dolnej powierzchni ma 100% odbicie, a ta wartość jest niezależna od długości fali. Natężenie promieniowania źródła światła wynosi 1000 W/m2 (zgodnie ze standardowymi warunkami testowymi (STC) dla modułów fotowoltaicznych). Przy tych wszystkich parametrach, powierzchnia fotowoltaiczna 0,031416 m2, równa kołowej, górny obszar cylindra wytwarza 2,5026 W irradiancja pochłanianego strumienia jest równomiernie rozłożona i wynosi 800 W/m2.

Rys. 2. Widok toru promienia wewnątrz cylindra.

Całkowita powierzchnia materiału PV umieszczonego na wewnętrznej stronie powierzchnia cylindra wynosi 0,125664 m2. Ten obszar jest cztery razy większy niż górna okrągła powierzchnia i z normalny kierunek oświetlenia (jednolite napromieniowanie) 1000 W/m2), wytwarza więcej niż 10 W. Jednak strumień jest ograniczony przez górną powierzchnię cylindra, a rozkład irradiancji na wewnętrznej powierzchni cylindra zależy od kształtu lustra znajdującego się na dnie cylindra. W takich warunkach tylko połączenie właściwości materiału PV i unikalnego kształtu cylindra może wpłynąć na efektywną pracę całego modułu PV. W tym artykule przedstawiono dwa różne kształty luster, które zbadano. Pierwsze to proste lustro stożkowe, jak pokazano schematycznie na rys. 1b. Lustro o wysokości stożka 25 mm i kącie 151,92 (wierzchołek skierowany w stronę wnętrza cylindra) pozwala na odzwierciedlenie całości wprowadzonego strumienia i rozprowadzenie go na materiale fotowoltaicznym. Rysunek 3 przedstawia widok promieni świetlnych (zaznaczone na czerwono) i promienie odbite od stożka lustra (oznaczone na niebiesko). Niestety dystrybucja irradiancja dla pochłoniętego strumienia nie może być jednorodna, jak widać na Rys. 3. Najwyższa wartość irradiancji, równa 700 W/m2, to znajduje się na dole cylindra i maleje liniowo do 0 (w zależności od wysokości cylindra). Nawet jeśli powierzchnia jest czterokrotnie większa, ta konfiguracja wytwarza 2,282 W.

Rys. Rys. 3. Rozkład irradiancji dla strumienia pochłoniętego na wewnętrznej powierzchnia cylindra po odbiciu od lustra stożkowego.

Pierwsza ważna kwestia proponowanego rozwiązania (nierównomierny rozkład strumienia) można rozwiązać, tworząc lustro o unikalnej konstrukcji. Drugie wyzwanie to maksymalizacja wartości irradiancji na powierzchni wewnętrznej cylindra. Można to zrealizować za pomocą wielu odbić nie zaabsorbowanej energii wewnątrz cylindra. Rozwiązanie oba problemy mogą być realizowane przez dolne lustro podzielone na sekcje o różnych kątach stożka nachylenia lub przez lustro o ciągłej powierzchni, ale bardziej złożony kształt. Przykład geometrii lustra co zapewnia akceptowalną jednorodność natężenia promieniowania pokazano na rys. 4. Prezentowany model zawiera 3 sekcje: jeden wklęsły i dwa inne o wypukłym kształcie. Lustro odbija nadchodzącą wiązkę równoległą od wewnętrznej powierzchni (wierzchołek znajduje się na zewnątrz cylindra, jak pokazano na rys. 1c). Światło odbite przez lustro jest częściowo pochłaniane przez materiał PV, ale nie zapewnia oczekiwanej poprawy. Promieniowanie, które nie jest pochłaniane, to to odbite od powierzchni PV i ponownie zaabsorbowane w innych częściach materiału PV.

Rys. 4. Model lustra o zmodyfikowanym kształcie.

Tabela 1 przedstawia ilość pochłoniętego (A) i odbitego (R) energia dla 3 kolejnych odbić od materiału P o różnych współczynnikach absorpcji. Suma pochłoniętego promieniowania Asum jest najwyższe dla materiału o współczynniku absorpcji 0,8.

Oczekuje się, że po trzech wewnętrznych odbiciach 99,2% całej energii zostanie pochłonięte przez materiał PV. Spadek Asum jest niewielki również dla współczynnika absorpcji 0,6 i wynosi tylko 6,4 %. Jednak w obu przypadkach rozkład zaabsorbowanego strumienia będzie zupełnie inny. Każdy z nich potrzebuje specjalnie zoptymalizowanego lustra do równomiernego rozsyłu światła.

Tabela 1. Suma zaabsorbowanego promieniowania w funkcji współczynnika absorpcji.

Stosując odbicia wewnątrz cylindra, zaobserwowaliśmy wzrost pochłanianego promieniowania i jego lepszy rozkład na powierzchni wewnętrznej (rys. 4a).

(a)

(b)

Rys. 4. Rozkład irradiancji dla pochłoniętego strumienia w przypadku zastosowanej zmodyfikowanej powierzchni lustra: (a) dla promieni odbitych przez lustro, (b) dla sumy promieni odbitych przez lustro i dodatkowych promieni z rozpraszania w środowisku.

Jeżeli dodatkowo przyjmiemy istnienie rozpraszania światła w otoczeniu, które wpada od góry cylindra, otrzymany rozkład staje się jednorodny ze średnim poziomem 450 W/m2 reprezentowanym przez kolor zielony. Wynik symulacji przedstawiono na rys. 4b. Nieznacznie zwiększa również uzyskaną moc: odpowiednio z 2,6685 W dla dystrybucji (rys. 4a) do 2,7015 W (rys. 4b).

Przedstawione wyniki symulacji wykazują ograniczony możliwości dla opracowanego rozwiązania. Z jednej strony świadczą o możliwości zwiększenia mocy zwierciadłem dolnym i zastosowaniu wielokrotnych odbić wewnątrz cylindra, co zapewnia równomierny rozkład pochłoniętej energii. Z drugiej strony analizowane rozwiązanie jest znacznie droższe w praktycznej realizacji niż płaski panel. Wymaga stworzenia dodatkowych elementów mechanicznych i optycznych.

Przyszłe udoskonalenia proponowanego rozwiązania są ściśle związane z parametrami elastycznego materiału PV, zwłaszcza z jego sprawnością konwersji mocy. W symulacjach założyliśmy tylko 10% wydajności. Wartość ta została ustalona po konsultacjach z wiodącymi firmami pracującymi nad rozwojem elastycznych paneli słonecznych. Założone, najwyższe wartości sprawności jednak jak się okazało dotyczą tylko powierzchni pojedynczych cm2. Wzrost sprawności projektowanego modułu może być również związana ze zmniejszeniem powierzchni folii PV wewnątrz zasobnika. W rozważanym przypadku można przeprojektować kształt lustra w celu zwiększenia średniego natężenia napromieniowania (taka sama ilość energii słonecznej jest rozprowadzana na mniejszej powierzchni). Obszar można zmniejszać, aż ogniwo fotowoltaiczne nie zostanie nasycone lub koncentracja światła będzie tak duża, że spowoduje niepożądane nagrzewanie się materiału.

Badania te uzyskały dofinansowanie z dotacji Unii Europejskiej w ramach Regionalnego Programu Operacyjnego Województwa Mazowieckiego nr RPMA.01.02.00-14-d757/20.

Bibliografia

[1] M.Y. Levy, Maturity of Photovoltaic Solar-Energy Conversion (InTech 2011).

[2] L.M. Fraas, L.D. Partain, Solar Cells and Their Applications (Wiley 2010).

[3] X. Li, P. Li, Z. Wu, D. Luo, H-Y. Yu, Z-H. Lu, Mater. Rep.: Energy 1(1), 100001 (2021).

[4] N. Gakkhar, M.K. Soni, and S. Jakhar, Appl. Therm. Eng. 171, 115069 (2020).

[5] V. Kumar, R.L. Shrivastava, S.P. Untawale, Renew. Sust. Energ. Rev. 44, 376 (2015).

[6] https://lambdares.com/tracepro/