Instalacje fotowoltaiczne pływające

W terenach nizinnych trawiastych występuje zjawisko pylenia traw i konieczność ich okresowego koszenia, aby nie zasłaniały dolnych rzędów paneli. Sztuczne betonowanie podłoża czy wykładanie go płytami znacznie podraża koszty inwestycji. W Chinach bardzo dużo farm powstało na terenach podgórskich, gdzie z kolei pofalowana powierzchnia terenu zmusiła projektantów do zastosowania rozbudowanej sieci falowników. Generalnie wszystkie tereny farm lądowych PV wyłączone są z gospodarki rolnej, leśnej i urbanistycznej stanowiąc zamknięte enklawy.

 

Zalety farm pływających:

– powierzchnia akwenów jest zawsze płaska dzięki czemu wszystkie panele mogą mieć identyczny kąt montażu

– zwiększona wydajność dzięki refleksyjnemu odbiciu światła od wody

– lepsze chłodzenie paneli dzięki parowaniu wody stwarzającemu mikroklimat dla całego akwenu, jednocześnie rzucany przez panele i ich konstrukcję cień zmniejsza parowanie wody (badania w Australii dowiodły, że ewaporacja zbiornika może sięgać nawet 40%)

– poprawa jakości wody w miejscu montażu farmy; dzięki rzucanemu cieniowi zmniejsza się rozwój glonów i alg co zapewnia lepszą jakość wody (szczególnego znaczenia nabiera to w przypadku zbiorników retencyjnych przeznaczonych do zasilania w wodę miejscowości)

– mały wpływ kurzu na wydajność paneli

– oszczędność gruntu cennego z punktu widzenia rolniczego czy urbanistycznego

– większa dostępność prądu dla krajów nadmorskich nie posiadających wolnych terenów (np. Japonia, Korea, Filipiny, itp.)

 

Wady:

– podatność na falowanie w czasie silnego wiatru, a dla farm morskich i oceanicznych niebezpieczeństwo huraganów, cyklonów i tsunami

– ograniczony do akwenu dopływ światła pogarszający gospodarkę rybacką

– większa korozyjność metalowych elementów szczególnie na farmach morskich z uwagi na słone środowisko, wymagająca droższych nierdzewnych konstrukcji

– wyłączenie części akwenu z gospodarki rybackiej, wędkarstwa i sportów wodnych

 

Rodzaje konstrukcji pływających

 

Pływające farmy PV posiadają obecnie co najmniej kilka odmiennych rozwiązań. Generalnie systemy FPV można podzielić na:

– pontonowe, gdzie panele zamocowane są nad wodą na konstrukcjach pływających

– półzatopione (submerged photovoltaic), gdzie panele są częściowo zatopione

– elastyczne heksagonalne systemy pływające

– koncentratorowe systemy pływające, gdzie panele dodatkowo posiadają zwierciadła odblaskowe zwiększające kierunkowe promieniowanie

 

Nie wszystkie powyższe konstrukcje mają zastosowanie komercyjne, wiele jest dopiero w fazie koncepcji. Stosunkowo najlepiej opracowane są systemy pontonowe i koncentratorowe i im poświęcę najwięcej uwagi.

 

Farmy pływające pontonowe

 

Zbudowane są w oparciu o pływaki z tworzyw sztucznych (zwykle HDPE), połączone ze sobą 

szybkozłączami w pływający pomost, na którym zamontowane są później klasyczne panele PV. Jedną z pierwszych konstrukcji tego typu wykonano w Japonii w Aichi w 2007 roku. Instalacja w Aichi miała charakter badawczy i posiadała moc 20 kW. Projekt Aichi, został opracowany przez zespół badawczy z National Institute of Advanced Science and Technology Science w Japonii, który wykonał swój własny pływający prototyp tablicy PV. Celem  badań było porównanie energii elektrycznej z tablicy, która była chłodzona wodą, z drugą, chłodzoną powietrzem. Panele w tym przypadku były zainstalowane jako tablica leżąca na lekkim nachyleniu (1,3 ° na południe) na górze płyty z polistyrenu piankowego unoszącego się nad powierzchnią wody. Istotna różnica wyników  obu systemów wynikała głównie z gromadzenia się ptasiego guana na chłodzonym powietrzem systemie fotowoltaicznym (gdzie system chłodzony wodą był utrzymywany w czystości ze względu na co 10-minutowe zraszanie). Różnica w wydajności spowodowana zanieczyszczeniem sięgała 8%, a po silnych opadach deszczu spadała do 3%.  Za pierwszą profesjonalną instalację o mocy 175 kW, wykonaną przez firmę SPG Solar uznaje się  konstrukcję wykonaną rok później w Kaliforni w fabrykach Far Niente Winery na miejscowym zbiorniku wodnym. Instalacja miała zapobiec uszczupleniu zasobów ziemnych, które były wykorzystywane do uprawy winorośli.

Fot. Instalacja pływająca w fabryce Far Niente Winery w Kaliforni.

 

Rys. TTi’s floatovoltaic konstrukcja

 

Konstrukcja nośna wykorzystana w montażu paneli zawiera przejścia między rzędami paneli i wzdłuż boków w celu ułatwienia czyszczenia i konserwacji paneli. Tablica oparta jest na

Thompson Technology Industries (TTi’s) Produkt „Floatovoltaic” zilustrowany na  rysunku). Rozwiązanie powyższe spowodowało zmniejszenie ewaporacji na zbiorniku o 40% co w tym suchym regionie okazało się wielką zaletą.

Pierwsza naprawdę duża instalacja powstała we Włoszech w 2009 roku w Bubano i miała już 500 kWp. Tak duża inwestycja wymagała wykonania analizy środowiskowej dla zbiornika w celu sprawdzenia wpływu inwestycji na ichtiofaunę. Instalacja pływająca w Bubano oparta jest na pływakach z HDPE zamocowanych symetrycznie z obu stron paneli, pomiędzy którymi znajdują sie szyny montażowe.  

Rys. Konstrukcja pływająca w Bubano we Włoszech.

Fot. Platforma pływająca o mocy 60 kWp (NRG Island)

 

Obecnie jednym z bardziej znanych i stosowanych rozwiązań jest system pływakowy Hydrelio© Technology  opracowany przez firmę Ciel & Terre. Pływaki tej firmy produkowane są od razu z nachyleniem i służą do bezpośredniego montażu paneli 60 ogniwowych.

Rys. Schemat modułu pływakowego systemu Hydrelio.

 

Cały pływak składa się z kilku mniejszych modułów połączonych szybkozłączami. Waga modułu podstawowego wykonanego z HDPE wynosi 9,5 kg, a serwisowego do wykonywania pomostów montażowych 3,5kg. Panele montowane na pływakach nachylone są pod kątem 12º.

 

Fot. Montaż szybkozłącz pomiędzy pływakami.

 

Połączone ze sobą pływaki tworzą całą platformę i posiadają bardzo dużą wyporność. W technologii tej wykonano już do roku 2017,  75 pływających elektrowni w 15 krajach. Warto w tym momencie zwrócić uwagę, ze montaż całej platformy może odbywać sie przy brzegu w wygodnym miejscu by następnie po zamontowaniu paneli całość została przeholowana do miejsca docelowego, gdzie jest kotwiczona. Przy małych instalacjach montaż można prowadzić wręcz na brzegu na rozpiętej folii a potem platformę zwodować. Inną ciekawostką jest możliwość stosowania systemu Hydrelio na lądzie w przypadku terenów podmokłych lub o niestabilnym gruncie, gdzie zastosowanie standardowych fundamentów na farmie jest niemożliwe.

Fot. System Hydrelio w miejscowości Kagawa w Japonii.

Fot. Instalacja Hydrelio w mieście Kato City w Japonii o mocy 2,8 MWp (zdjęcie z Google map)

 

Zobacz film z montażu platformy w Kalifornii. 

 

W Polsce pierwszą instalację pływającą PV na systemie pontonowym wykonuje (marzec.2021) firma Arta Energy. Instalacja o mocy 0,5MWp powstaje na wyrobisku żwirowym w woj. kujawsko-pomorskim. Ciekawostka jest, że montaż odbywa się na jeszcze zamarzniętym zbiorniku (to pierwsza taka instalacja na świecie). Montowane są moduły wykonane w technologii PERC o mocy 455Wp w ilości 1100szt. Moduły będą połączone z 6 falownikami Growatt o mocy 80kW każdy.

Farmy PV częściowo zatopione (submarged photovoltaic)

 

W tej konfiguracji panele są zanurzane w wodzie, co pozwala uzyskać efektywność ok. 20% większą w okresie letnim w porównaniu z normalnym panelem wystawionym na działanie powietrza. Systemy częściowo zatopione są bardziej skomplikowane od pływających z uwagi na falowanie powierzchni. W praktyce rozwiązanie techniczne całej instalacji zależy tutaj od rodzaju użytych paneli PV.

 W konstrukcjach elastycznych (flexible) tablica PV pływa po wodzie razem z nią falując. Utrzymanie jej na powierzchni zapewniają pływaki umieszczone z boku tablicy połączone z nią linami kotwiącymi. 

Fot. Systemy częściowo zatopione ( u góry koncepcja systemu, u dołu realna instalacja wykonana z elastycznych paneli PV o mocy 8kW wykonano przez firmę MIRARCO)

 

Instalację z elastycznych paneli zaprezentowała po raz pierwszy firma MIRARCO w miejscowości Comino na Malcie. Instalacja o powierzchni łącznej 75m² miała moc 8 kWp i produkowała w ciągu dnia 5,29 kWh z każdego m². Firma zapewnia, że system może pracować w rejonach o ekstremalnych falach dochodzących do 4m wysokości.

Inna elastyczna koncepcja PV nazwana SUNdy, realizowana jest przez Det Norske Veritas. Ogólny wygląd jest zgodny z rysunkiem poniżej i składa się z serii połączonych ze sobą cienkowarstwowych paneli fotowoltaicznych, przypominających z wyglądu sieć pajęczą.  Wszystkie panele są laminowane i przyklejane do giętkiej powierzchni pianki, co pozwala im na utrzymanie się na powierzchni wody.  Cała instalacja SUNdy zbudowana jest z 4200 paneli o łącznej mocy 2 MWp. Konstrukcja nośna paneli wyposażona jest  w mikroinwertery zamieniające od razu prąd stały na sinusoidalny tworząc prosty moduł typu plug-and-play, wykorzystujący złącza typu marine. Pomiędzy panelami istnieje sieć przewodów łącząca je mechanicznie i elektrycznie.    Transformator zmieniający napięcie z 480 na około 30 kV znajduje się w centrum sześciobocznej konstrukcji, z której energia elektryczna jest dostarczana do brzegu. Tak wykonana „wyspa” utrzymywana jest na miejscu dzięki kotwicy zamocowanej na każdym wierzchołku.

 

Technologia SUNdy zakładała prefabrykację tablicy PV dzięki czemu wszystkie złącza elektryczne  wykonywane są na brzegu. Całość o mocy 2MWp i powierzchni boiska piłkarskiego jest następnie wodowana i łączona z innymi farmami heksagonalnymi na zasadzie wysp w instalacje o łącznej mocy nawet 50MWp. Instalacje tego typu miałyby pracować docelowo w odległości 1 mili od brzegu poza szlakami żeglugowymi, na wodach o głębokości od 20-100m.

 

Zupełnie inaczej wygląda instalacja z panelami sztywnymi. Panele takie nie mogą falować dlatego w czasie pracy muszą przebywać w stanie częściowo lub całkowicie zanurzonym. Czy jednak takie rozwiązanie jest opłacalne?

 Koncepcja zatopionych paneli PV została potwierdzona w pracy naukowej „Marco Rosa-Clot and Paolo Rosa-Clot – Submerged Photovoltaic Solar Panel: SP2” w której badano wpływ zatopienia tablicy PV na jej wydajność. Autorzy pracy zwrócili uwagę, że na wydajność paneli PV mają największy wpływ dwa czynniki:

– dryft temperaturowy

– współczynnik załamania światła

Odbicie światła na komercyjnym panelu fotowoltaicznym jest związane z materiałem stosowanym do osłonięcia aktywnego materiału PV. W większości paneli jest to szkło o współczynniku załamania n ≈ 1,55. Warstwa pośrednia wody o n = 1,33 zmienia odbijaną frakcję nadchodzącego promieniowania prostopadłego z 4,5% do 2,6%. Efekt ten oczywiście zwiększa się, jeśli światło nie jest prostopadłe i staje się istotniejszy w przypadku dużych kątów padania.  Za pomocą formuły Fresnela oszacowano, że  średnie zyski w lipcu i styczniu na 45° szerokości geograficznej wynoszą odpowiednio 2,2% i 4,5%. W przypadku braku bezpośredniego promieniowania słonecznego, jeśli mamy jedynie rozproszone światło, przeciętnie wynosi on około 4,1%. Jeszcze większe różnice występują w przypadku efektu cieplnego. Naukowcy przytaczają tutaj przykładowe wyniki z panelu 72 ogniwowego ASE-100-DGL-SM  badanego przy natężeniu promieniowania 840 W/m2. Wyniki wpływu temperatury przedstawione są w tabeli.

 

 

Jak widać, spadek mocy przy zmianie temperatury o 35ºC wyniósł około 30%.W tabeli 2 przedstawiono wpływ temperaturowy na zmianę podstawowych parametrów pracy paneli wykonanych z krzemu monokrystalicznego, polikrystalicznego i amorficznego. W każdym przypadku występuje ujemny wpływ temperaturowy na moc paneli.

  Jeśli panel PV zanurzony jest w basenie, jego temperatura może wynosić od 20 do 30° C, dla jezior i morza typowy zakres temperatur wynosi od 10 do 20° C. Tymczasem panele chłodzone powietrzem osiągają w lecie temperatury rzędu 60-80°C. Przyjmując nawet dolną wartość łatwo zauważyć, że różnica temperatur między zanurzonym panelem i standardowym, wystawionym na działanie powietrza wynosi około 40°C, a więc średni zysk mocy wyniesie (na podstawie danych z tabeli 2) około 22% w przypadku  paneli monokrystalicznych, 16-20% w przypadku paneli krzemowych polikrystalicznych i 6-12% dla bezpostaciowych, amorficznych paneli krzemowych.

  Znaczna poprawa efektywności omówiona powyżej jest kontrastowana przez zmianę widma słonecznego przy innej głębokości wody. Czysta woda to silny absorber światła, ale na szczęście ta absorpcja występuje głównie w widmie podczerwieni. Na rysunku pokazano, co dzieje się z widmem słonecznym na innej głębokości. Nałożone widmo skuteczności krzemu udowadnia, że utrata promieniowania słonecznego odbywa się w regionie, w którym konwersja PV jest mniej efektywna.

 

Rys. Odchylenie promieniowania słonecznego przy danej głębokości wody z nadpisanym widmem skuteczności krzemu w   jednostkach bezwzględnych.

 

Jak to się jednak ma do faktycznej mocy paneli? Przeprowadzono czteromiesięczny test na pojedynczym krystalicznym panelu krzemowym przy użyciu basenu, w którym można było umieścić panel na kilku głębokościach.  Wyniki badań przedstawia rys. poniżej, badano trzy identyczne panele przy czym:

1. panel-1 jest umieszczony w powietrzu narażonym na promieniowanie słoneczne

2. panel-2 jest zanurzony pod 5 cm wody

3. panel-3 jest zanurzony pod wodą na głębokości 40 cm

Pomiary  przeprowadzono w Pizie we Włoszech na szerokości 43º 43′ w dniu 28 kwietnia 2008 r.  Analiza eksperymentu pokazuje istotne różnice w mocy paneli, przy czym:

– Panel-1 i panel-2 mają prawie ten sam wydruk na samym początku, ale panel 1 narażony na promieniowanie słoneczne nagrzewa się do 40 stopni. Ponieważ temperatura wody w eksperymencie wynosiła tylko 15° C, szacowany wzrost wyniósł około 10%, który odpowiada wartości 10% znalezionej eksperymentalnie.

– Panel-3 zanurzony na głębokości 40 cm zmniejsza wydajność o około 15%

Zauważmy, że gdy oba panele (1 i 2) mają taką samą temperaturę, wydajność panelu zanurzonego jest nieco niższa o około 2%. Wynika to z dwóch efektów antagonistycznych: absorpcji promieniowania słonecznego dla zanurzonego panelu (co zmniejsza efektywność panelu o około 5%) oraz zwiększenie napromieniowania (około 2%).

Z powyższych badań wynika, że stosowanie metody zanurzeniowej nie wpływa znacząco na utratę wydajności paneli, a w pewnych przypadkach może nawet ją podnieść. W  dłuższych okresach czasowych wpływ braku zapylenia może przynieść jeszcze lepsze efekty energetyczne. Optymalna głębokość zanurzenia to kilka do kilkunastu cm. Większe głębokości są mniej opłacalne i powinny wynikać tylko z silnego falowania.

 

Praktyczne rozwiązanie instalacji ze sztywnymi panelami zatopionymi zaproponowała firma SCINTEC. Tablica PV w instalacji SCINTEC w normalnych warunkach pracy przy spokojnym akwenie pracuje na powierzchni wody, lub minimalnie zatopiona cienkim filmem wodnym. Przy wystąpieniu falowania cała  instalacja zostaje zanurzona pod wodę na głębokość od 0,5-2,0m, poprzez napełnianie wodą zbiorników balastowych umieszczonych obok paneli (Rys.)

. 

Rys. SCIENTIC submergible floating PV

 

System pływający koncentratorowy FTCC (Floating tracking Cooling Concentrator)

 

System FTCC składa się z serii pływających platform z panelami fotowoltaicznymi podpartych strukturą wykonaną z rur  polietylenowych. Moc pojedynczej platformy mieści się w zakresie od 20 do 200 kW, w zależności od typu używanego panelu. Chłodzenie paneli zapewnia zasłona wody, która jest generowana przez zestaw irygatorów.

– Zasłona wodna utrzymuje panel PV w niskich temperaturach ze średnim rocznym wzrostem energii o ponad 10%.

– Dodatkowo cała platforma dzięki silnikom i trakerowi pozwala na bardzo efektywne śledzenie ruchu Słońca, dzięki czemu można łatwo zorientować reflektory, zwiększając promieniowanie zbierane na panelach. System wykorzystuje niewykorzystane obszary sztucznych zbiorników i ma bardzo ograniczony wpływ na środowisko.

Fot. Platformy w systemie FTCC (rozwiązanie pierwsze)

 

Kształt platform może być okrągły lub prostokątny. Koszt budowy platformy razem z systemem śledzenia wynosi około 800 Euro/kWp. System koncentratorowy zapewniają zwierciadła odblaskowe. Stosowane są tutaj opcjonalnie dwa rozwiązania wykorzystywane także w farmach lądowych.

Pierwsze rozwiązanie

Panele są pochylone pod kątem optymalnym (na przykład 40°), a platforma jest zorientowana w taki sposób, aby zoptymalizować promieniowanie słoneczne na panelach. Cienie są nieuniknione, gdy słońce jest nisko nad horyzontem, ale 

wydajność może być częściowo kompensowana reflektorami, które zwiększają promieniowanie, gdy słońce jest wysoko na horyzoncie. Głównym problemem w tym przypadku wydaje się być brak jednorodności promieniowania słonecznego na ogniwach fotowoltaicznych. Nierównomierność promieniowania może znacząco obniżyć sprawność panelu i dlatego potrzebna jest pewna minimalna odległość między rzędami reflektorów a panelami. Przykładowa instalacja z tym rozwiązaniem pokazana jest na powyższym zdjęciu

Drugie rozwiązanie

Panel fotowoltaiczny leży poziomo lub ustawiony jest pod bardzo niewielkim kątem. Z obu jego stron znajdują się zwierciadła kierunkowe ustawione pod kątem  60º. Największy zysk energetyczny występuje tutaj gdy słońce znajduje się wysoko nad horyzontem. Panel jest wtedy oświetlony z trzech stron poprzez promieniowanie bezpośrednie i i odbite od obu zwierciadeł. Przy małych kątach padania promieni panel oświetlać może tylko jedno zwierciadło. Rozwiązanie takie eliminuje częściowo problem niedopasowania promieniowania słonecznego. W zależności od szerokości geograficznej przy dodatkowym chłodzeniu wodnym uzyskano  wzrost produkcji energii w stosunku do paneli bezpośrednio oświetlonych chłodzonych powietrzem rzędu 60-70%. Instalacja doświadczalna została wykonana w Calignola we Włoszech (fot.)

Fot. Platformy w systemie FTCC w Calignola (rozwiązanie drugie)