VIII Lubelskie Targi Energetyczne ENERGETICS 2015 Lublin, dnia 18 listopada 2015 roku

Transkrypt

1 VIII Lubelskie Targi Energetyczne ENERGETICS 2015 Lublin, dnia 18 listopada 2015 roku

2 Optymalizacja parametrów wejściowych warstw zabezpieczających komórki fotoelektryczne tradycyjnych paneli fotowoltaicznych Stanisław Tryka Instytut Przyrodniczo-Techniczny Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa im. Szymona Szymonowica w Zamościu

3 Idea podjęcia badań nad fotowoltaiką w PWSZ im. Szymona Szymonowica w Zamościu powstała w zespole składającym się z osób: prof. dr hab. dr h. c. Waldemar Martyn dr hab. Andrzej Samborski dr inż. Bożena Niemczuk dr Stanisław Tryka Prezentowane wystąpienie ukazuje niektóre wyniki badań na problemem optymalizacji transmisji promieniowania optycznego poprzez warstwy wejściowe modułów PV.

4 Budowa tradycyjnych modułów PV 1 szkło PV (solarne) 2 laminat 3 matryca komórek PV 4 laminat 5 tylna warstwa zabezpieczająca moduł

5 Budowa tradycyjnych modułów PV Przykłady wykorzystania szkła solarnego w modułach fotowoltaicznych J.E. Webb, J.H. Hamilton: CORNING Photovoltaic Glass Technologies. Physical properties of glass and the requirements for photovoltaic modules. NREL Photovoltaic Module Reliability Workshop, February 16, 2011.

6 Szkło solarne Szkło PV pełni funkcje: osłonowe przeciw niekorzystnym warunkom atmosferycznym (kurz, wilgotność, deszcz, grad, śnieg), usztywnia i wzmacnia konstrukcję modułów PV, zwiększa izolację elektryczną komórek fotowoltaicznych w stosunku do otoczenia, wydłuża czas użyteczności komórek fotowoltaicznych (obniża starzenie się komórek). Szkło PV powinno posiadać właściwości: być stosunkowo lekkie i wytrzymałe, posiadać wysoką transmitancję optyczną w zakresie czułości spektralnej osłanianych komórek fotoelektrycznych, umożliwiać transmisję promieniowania optycznego do komórek fotoelektrycznych w szerokim zakresie kątów padania (mieć dużą transmitancję bezpośrednią i/lub półsferyczną), odbijać padające promieniowanie w sposób rozproszony, być łatwe do czyszczenia, być tanie. Szkło PV może być: płaskie, teksturowane, pokryte warstwami antyrefleksyjnymi

7 Szkło solarne cd. Szkło solarne płaskie i teksturowane firmy AGC solar

8 Szkło solarne cd. Odbicie regularne od szkła płaskiego i odbicie rozproszone od szkła teksturowanego M. Shields, PV Systems: Low Levels of Glare and Reflections vs. Surrounding Environment, SunPower, Mikrostruktura wybranych warstw antyrefleksyjnych według niektórych producentów szkieł solarnych J.E. Webb, J.H. Hamilton: CORNING Photovoltaic Glass Technologies. Physical properties of glass and the requirements for photovoltaic modules. NREL Photovoltaic Module Reliability Workshop, February 16, 2011.

9 Szkło solarne cd. szkło solarne jest najczęściej szkłem hartowanym o grubościach z zakresu od 2,0 mm do 10,0mm, posiada wysoką transmitancję w obszarze spektralnym od 350 nm nawet do 1400 nm, posiada około 8 razy większy opór elektryczny właściwy od sodowego szkła tradycyjnego, posiada mało zanieczyszczeń i tlenków żelaza (nie występuje odcień zielony).

10 Szkło solarne cd. Porównanie transmitancji optycznej szkła tradycyjnego i solarnego J.E. Webb, J.H. Hamilton: CORNING Photovoltaic Glass Technologies. Physical properties of glass and the requirements for photovoltaic modules. NREL Photovoltaic Module Reliability Workshop, February 16, 2011.

11 Laminaty Materiały takie jak: Ethyl Vinyl Acetate (EVA) kopolimer etylenu i octanu winylu, Polyvinyl Butyral (PVB) poliwinylobutyral, bi-axial oriented poliprepylene (BOPP) polipropylen dwuosiowy, thermoplastic polyurythane (TPU) poliuretan termoplastyczny, Sentry Glass (SG), guma sylikonowa, i inne.

12 Laminaty Funkcje laminatów: doprowadzają promieniowanie słoneczne i odprowadzają ciepło, okrywają obustronnie komórki PV zapewniając im izolację elektryczną, wzmacniają i uelastyczniają matrycę komórek oraz chronią je przed wpływem czynników środowiskowych takich jak uderzenia, wilgoć, deszcz, śnieg, itp., ułatwiają montaż komórek PV w matrycę, wydłużają okres starzenia się komórek PV, chronią komórki przed utlenianiem, i inne.

13 Laminaty Właściwości laminaty powinny charakteryzować się: wysokim współczynnikiem transmisji światła, dużą opornością elektryczną, powinny być wytrzymałe na przebicia elektryczne, powinny mieć dużą wytrzymałość mechaniczną na pęknięcia i rozerwania, posiadać odpowiedni współczynnik załamania światła, dobrze przylegać do krzemu i szkła (warstw sąsiednich), mieć niską zdolność absorpcji wody, mieć dużą odporność na żółknięcie i brązowienie w wyniku działania promieniowania UV, nie ulegać delaminacji indukowanej przez promieniowanie UV i wilgoć.

14 Właściwości optyczne laminatów i szkieł PV Porównanie zależności współczynników załamania (a) światła i współczynników absorpcji (b) od długości fali dla kilku różnych sylikonów, szkła i kopolimeru EVA K. R. McIntosh et all., En optical comparison of silicone and EVA encapsulants for conventional silicon PV modules: A ray-tracing study. IEEE Photovoltaic Specialists Conference, January, 2009.

15 Właściwości optyczne laminatów i szkieł PV cd. Zależności współczynników absorpcji światła (góra) i transmitancji (dół) wybranych materiałów PV od długości fali promieniowania optycznego. N. E. Powell et all., Improved spectra response of silicone encapsulated photovoltaic modules. The IEEE Photovoltaic Specialist Conference, July, 2010.

16 Bilans energetyczny badanego ogniwa PV W badaniach określano współczynnik transmisji T n zwany transmitancją stosując wzór T n n, doc n, pad, Uproszczony wykres Sankeya bilansu energetycznego w rozpatrywanym problemie optymalizacji transmitancji T n 1 warstwa szkła, 2 warstwa laminatu, 3 matryca ogniw PV, 4 warstwa laminatu, 5 warstwa tylna (tedlar)

17 Zjawiska optyczne w laminowanych komórkach PV 1. Odbicie od powierzchni szkła 2. Absorpcja w szkle 3. Odbicie od powierzchni laminatu 4. Absorpcja w laminacie 5. Promieniowanie absorbowane przez komórkę PV 6. Promieniowanie rozproszone na powierzchni komórki PV 7. Promieniowanie absorbowane w warstwie tylnej modułu PV 8. Promieniowanie rozproszone na powierzchni warstwy tylnej modułu PV Rysunek uogólniony w stosunku do ilustracji zamieszczonej w pracy: K. R. McIntosh et all., An optical comparison of silicone and EVA encapsulants for conventional silicon PV modules: A ray-tracing study. IEEE Photovoltaic Specialists Conference, 2009.

18 Zjawiska optyczne w laminowanych komórkach PV Odbicia wielokrotne w komórkach nieteksturowanych (u góry) i teksturowanych (u dołu)

19 Przedmiot przeprowadzonych badań Schemat badanego kołowego ogniwa PV z oznaczeniami zmiennych

20 Przykład wykorzystania kołowych ogniw fotoelektrycznych Generatory fotoelektryczne z ogniwami w kształcie kołowym według National Renewable Energy Laboratory, USA

21 Przykład wykorzystania kołowych ogniw fotoelektrycznych Generatory fotoelektryczne z ogniwami w kształcie kołowym według National Renewable Energy Laboratory, USA

22 Przykład wykorzystania kołowego generatora fotoelektrycznego Generator fotoelektryczny w kształcie koła S. Connen, Building integrated photovoltaics. Open Energy Corporation

23 Wyznaczanie strumieni, n,doc, docierających do komórki PV T n n, doc n, pad Problem wyznaczania strumieni n,doc docierających do komórek PV rozwiązano stosując metodykę opisaną w pracy: S. Tryka, Appl. Optics, 2015,54,

24 Wyznaczanie strumieni, n,pad, padających na szkło laminowanej komórki PV T n n, doc n, pad Problem wyznaczania strumieni n,pad padających na szkło laminowanych komórek PV rozwiązano stosując metodykę opisaną wcześniej w pracy: S. Tryka, Appl. Optics, 2013,52,

25 Wybrane wyniki badań współczynnika T n Zmiana współczynnika transmisji T n przy zmianie grubości H 2 szkła i zmianie kątowego położenia źródła światła b. Obliczenia wykonano przy R = 0,075 m, H 3 = m, L = 17,19 m, n n,1 = 1,00, n n,2 = 1,50, n n,3 = 1,48 dla natężenia promieniowania ze źródła punktowego o wartości 1 W sr -1 i braku absorpcji w warstwach.

26 Wybrane wyniki badań współczynnika T n Zmiana współczynnika transmisji T n przy zmianie grubości H 3 laminatu i zmianie kątowego położenia źródła światła b. Obliczenia wykonano przy R = 0,075 m, H 2 = m, L = 17,19 m, n n,1 = 1,00, n n,2 = 1,50, n n,3 = 1,48 dla natężenia promieniowania ze źródła punktowego o wartości 1 W sr -1 i braku absorpcji w warstwach.

27 Wybrane wyniki badań współczynnika T n Zmiana współczynnika transmisji T n przy zmianie współczynnika załamania światła n n,2 przy n n,3 = 1,48 (a) oraz podczas zmiany n n,3 przy n n,2 = 1,50 (b) i zmianie kątowego położenia źródła światła b. Obliczenia wykonano dla R = 0,075 m, H 2 = m, H 3 = m, L = 17,19 m, n n,1 = 1,00, oraz dla natężenia promieniowania ze źródła punktowego o wartości 1 W sr -1 i braku absorpcji w warstwach.

28 Współczynnik transmisji dla promieniowania w pełnym zakresie kątów b Współczynnik transmisji T n,ov dla promieniowania zawartego w pełnym zakresie kątów b wyznaczamy ze wzoru T /2 /2 n, ov /2 /2 n, doc n, pad db db

29 Wybrane wyniki badań współczynnika T n,ov Zmiana współczynnika transmisji T n,ov przy zmianie współczynnika załamania światła n n,2 dla n n,3 = 1,48 (a) oraz podczas zmiany n n,3 przy n n,2 = 1,50 (b). Obliczenia wykonano dla R = 0,075 m, H 2 = m, H 3 = m, n n,1 = 1,00, oraz dla natężenia promieniowania ze źródła punktowego o wartości 1 W sr -1 i braku absorpcji w warstwach.

30 Wybrane wyniki badań promieniowania rozproszonego Zmiana współczynnika transmisji T n,r dla promieniowania rozproszonego zwartego w warstwie atmosfery homogenicznej o wysokości L = 8 km na powierzchnią Ziemi przy zmianie współczynnika załamania światła n n,2 dla n n,3 = 1,48 (a) oraz podczas zmiany n n,3 przy n n,2 = 1,50 (b). Obliczenia wykonano dla R = 0,075 m, H 2 = m, H 3 = m, n n,1 = 1,00, oraz dla natężenia promieniowania ze źródła punktowego o wartości 1 W sr -1 i całkowitym braku absorpcji w warstwach.

31 Weryfikacja wyników przeprowadzonych badań Wyniki przeprowadzonych badań można zweryfikować, jednakże ze znacznie mniejszą dokładnością, np. stosując metody ray-tracing oparte o statystyczne symulacje wykorzystujące procedury Monte-Carlo. Przykładowe symulacje metodą ray-tracing obrazujące rozkład promieniowania na powierzchni ogniwa PV odpowiadające wartościom współczynnika T n równym odpowiednio 0.968, i 0,432

32 Wnioski Wykorzystując omówioną metodykę badań można dobrać optymalne wartości parametrów takich jak grubość szkła i grubość laminatu oraz współczynniki załamania światła dla szkła i laminatu w celu otrzymania największych wartości strumieni promieniowania optycznego docierającego do komórek PV. Przedstawiona metoda może być stosowana zarówno dla promieniowania bezpośredniego, jak i dla promieniowania rozproszonego. Metoda ta może być także zastosowana dla różnych długości fal promieniowania optycznego padającego na dwuwarstwowe laminaty ogniw PV. Omówiona metoda umożliwia również ocenę wpływu współczynników absorpcji laminatów i atmosfery na wartości współczynników transmisji T n i T n,ov. Jesteśmy gotowi na podjęcie współpracy w zakresie badania właściwości optycznych ogniw i modułów PV z podmiotami zajmującymi ich wytwarzaniem w celu praktycznej weryfikacji wyników badań oraz optymalizacji parametrów produkowanych wyrobów.

33 Dziękuję za uwagę