Koncentratory CPV – vademecum instalacji fotowoltaicznych

Wstęp

W instalacji fotowoltaicznej ilość energii słonecznej docierającej do paneli PV jest ściśle uzależniona od wielkości promieniowania słonecznego. Tzw. stała słoneczna czyli ilość energii docierającej do Ziemi wynosi około 1366 W/m². Część tej energii jest pochłaniana przez atmosferę, dlatego przy projektowaniu paneli PV posługujemy się wielkością promieniowania w warunkach STC która wynosi już tylko 1000 W/m². Jest to promieniowanie bezpośrednie na powierzchnię płaską, przy bezchmurnym niebie i przy temperaturze paneli 25°C. W praktyce wielkość energii docierającej do ogniw fotowoltaicznych można zwiększyć przez jej koncentrację, np. przy użyciu metod optycznych (soczewkowanie). Panele PV wykorzystujące efekt koncentracji energii noszą nazwę CPV (concentrated photovoltaic). Poniżej zostaną omówione dostępne na rynku rozwiązania. Duzy fragment tekstu na podstawie „Inzynierii systemów fotowoltaicznych autorstwa: Józefa FLIZIKOWSKIEGO, i Adama MROZIŃSKIEGO).

Charakterystyka układów CPV – historia i podział

Systemy wykorzystujące soczewki skupiające promieniowanie słoneczne w kierunku ogniw PV zaczęły być używane po raz pierwszy w latach 70’ w Sandia National Laboratories, Albuquerque w Nowym Meksyku. Systemy typu CPV wykorzystują zazwyczaj układy tzw. nieobrazujących (nonimaging) koncentratorów, czyli nie odzwierciedlających obrazu odbitego od ich powierzchni, lecz pozostawiających je zniekształcone. Ogólnie przyjętą klasyfikacją systemów fotowoltaicznych wykorzystującymi koncentratory (CPV) jest podział ze względu na stopień skupiania promieniowania mierzonego w krotnościach „słońc”, czyli inaczej w W/cm² ogniwa, który przedstawia tabela 1 wygląda następująco:

Tabela. Klasyfikacja koncentrycznych ogniw fotowoltaicznych ze względu na stopień skupiania promieniowania słonecznego

Biorąc pod uwagę powyższą klasyfikację koncentrycznych układów fotowoltaicznych do danej każdej kategorii można zaliczyć następujące modele koncentratorów:

– LCPV (ang. Low Concentrator Photovoltaic) – złożone koncentratory paraboliczne (CPC), koncentratory DTIRC, koncentratory V-trough,

– MCPV (ang. Medium Concentrator Photovoltaic) – liniowo skupiające koncentratory Fresnela, koncentratory QDC,

– HCPV (ang. High Concentrator Photovoltaic) – punktowo skupiające koncentratory Fresnela, talerzowe koncentratory paraboliczne, urządzenia koncentrujące RXI.

Koncentratory LCPV

Charakteryzują się współczynnikiem skupienia poniżej 10 słońc, ale w porównaniu do systemów MCPV czy HCPV także niższym kosztem materiałów, nie wymagają zaawansowanego chłodzenia. Wykorzystują najczęściej dostępne na rynku ogniwa krzemowe zamiast ogniw wielozłączowych. Systemy LCPV nie wymagają również systemów nadążnych, natomiast jeśli są wykorzystywane to najczęściej jednoosiowe. Sprawności ogniw z koncentratorami LCPV sięgają niewiele ponad 20 %, znacznie mniej niż MCPV czy HCPV

Rys. Koncentrator paraboliczny.

Złożony koncentrator paraboliczny (z ang. Compound Parabolic Concentrator – CPC)

składa się z dwóch segmentów symetrycznych, zwróconych ku sobie zwierciadeł A i B

o kształcie paraboli oraz apertury wejściowej (otworu przez, który światło dociera do ogniwa

fotowoltaicznego). Sprawność optyczna CPC sięga 95 %, natomiast moce maksymalne

uzyskiwane na ogniwach zwiększają się dzięki użyciu koncentratorów CPC o 18%. Stopień

skupiania mieści się w zakresie 1,5 – 2,5 słońc. Fot. U dołu po prawej – koncentrator paraboliczny.

Koncentratory DTIRC

Koncentrator dielektryczny całkowitego wewnętrznego odbicia DTIRC (z ang. Dielectric Totally Internally Reﬂecting

Concentrator) został po raz pierwszy zaproponowany przez Xiaohui Ning, i jego współpracowników w roku 1987. koncentrator ten zbudowany jest z: zagiętej części przedniej koncentratora, profiu całkowitego wewnętrznego odbicia oraz z apertury wyjściowej. Zasada działania tego rodzaju koncentratora polega na refrakcji (zmiany kierunku padania promieni) światła słonecznego padającego w granicach kąta akceptacji na część przednią konstrukcji w kierunku apertury wyjściowej, do której jest przymocowane ogniwo fotowoltaiczne. Geometryczny przyrost koncentracji w technologii

DTIRC zależy do kąta akceptacji oraz kąta zagięcia części przedniej. Przyrost ten jest odwrotnie proporcjonalny do wartości kąta akceptacji, natomiast przyrost kąta krzywizny części przedniej daje minimalne efekty jeśli chodzi o przyrost koncentracji. Dla dokładniejszego naprowadzenia promieniowania na ogniwo stosuje się żele optyczne o podobnych indeksach

refrakcji, co pozwala na przepływ światła przez warstwy żelu na ogniwo bez dodatkowego odbicia i refrakcji. Stopień koncentracji DTIRC kształtuje się w granicach 4 słońc, przy sprawności optycznej 85 %.

Rys. U dołu – koncentrator typu DTIRC wraz z trajektorią padania promieniowania.

Koncentratory V-trough

koncentrator z segmentami zwierciadeł ułożonych na kształt ściętego stożka lub też inaczej zwany V-trough (od przypominającego koryto kształtu ułożenia luster w stosunku do ogniwa) składa się z modułu fotowoltaicznego oraz przyłożonych do jego granicznych krawędzi dwóch zwierciadeł zwanych północnym i południowym. Stopień koncentracji światła dochodzi jedynie od 1 – 2 słońc w zależności od kąta pochylenia zwierciadeł natomiast sam układ V-trough może zwiększyć moc wytwarzaną przez ogniwa złożone z krzemu amorfcznego do 31,5 % wliczając wykorzystanie aktywnego systemu chłodzenia

ogniw w stosunku do mocy jaką mogą ogniwa uzyskać bez użycia koncentratorów. Sprawność optyczna koncentratorów V-trough mieści się w granicach 85 %. Prosta konstrukcja wykonania koncentratorów V-trough sprawia, że jest to najtańsze rozwiązanie spośród pozostałych LCPV, zwłaszcza, że nie wykorzystuje systemu nadążnego w celu otrzymania większych uzysków słonecznych.

Fot. Koncentrator V-trought.

Układy MCPV

Stopień skupiania koncentratorów w technologii MCPV promieni słonecznych mieści się w granicach od 10 – 300 słońc, co jest dość dużym zakresem dlatego też mieszczą się w tym przedziale koncentratory wykorzystujące trackery jedno- lub dwu-osiowe, a także różny jest materiał stosowanych ogniw. Sprawności osiągane przez ogniwa w układzie MCPV

wynoszą w granicach od 10 – 30 %. Ze względu na wyraźne różnice pomiędzy użytymi technologiami koncentracji rzadko uwzględnia się w klasyfkacji MCPV, pozostając jedynie na podziale tych układów na MCPV i HCPV.

Liniowo skupiające koncentratory Fresnela

koncentratory tego rodzaju zawdzięczają swoją nazwę ze względu na konstrukcję ułożenia soczewek Fresnela względem ogniw słonecznych. Soczewka Fresnela z jednej strony jest płaska, natomiast po drugiej stronie posiada specyficzne ostro wcięcia w materiale soczewki, działające podobnie jak pryzmat. Rozwiązanie to pozwala na użycie mniejszej ilości materiału do wytworzenia soczewki zbudowanej z polimetylometakrylanu (PMMA), natomiast soczewka powstaje w ten sposób znacznie bardziej płaska od soczewki konwencjonalnej lub też zagina się jej kształt na wzór kopuły (rysunek).

Moduł fotowoltaiczny z koncentratorem zastosowany w omawianym układzie liniowym składa się z podłużnej soczewki Fresnela zamocowanej nad pasmem ogniw fotowoltaicznych i radiatorów rozłożonych na tej samej długości co soczewka.

Wszystkie elementy układu łączy stelaż. W porównaniu do konwencjonalnej soczewka Fresnela skupia więcej promieniowania w kierunku jednego punktu dzięki nadanemu jej kształtowi, a w systemie liniowym zakres skupiania soczewki wynosi od 10 – 60 słońc. Soczewka Fresnela posiada pewną wadę. Padające na nią światło pod kątem innym niż prostym do powierzchni kierowane jest również pod innym kątem niż prosty na odbiornik. Rozwiązaniem dla układu liniowego jest zainstalowanie systemu nadążnego, jedno- lub dwuosiowego w celu eliminacji powstałych odchyleń podczas skupiania światła przez soczewkę. Sprawności liniowo ułożonych soczewek Fresnela kształtują się w okolicy 85 %

Fot. KOncentratory liniowe fresnela.

Układy HCPV

Układy HCPV wg przyjętego podziału charakteryzują się stopniem skupiania na poziomie 300 – 2000 słońc. Sprawności ogniw wykorzystujących koncentratory w technologii HCPV osiągają najwyższe wartości wśród jakichkolwiek innych technologii w fotowoltaice

zmierzając ku 50 %, natomiast sprawność systemów PV wykracza poza sprawności rzędu 30 %. Do ich konstrukcji wykorzystuje się systemy nadążne – skupiające promieniowanie słoneczne w jednym punkcie, systemy koncentratorów, systemy chłodzące – najczęściej typu

heat-pipe lub wodne gdyż wysokie wartości skupiania silnie nagrzewają urządzenia.

Wysokie temperatury wymuszają również korzystanie z wytrzymałych termicznie materiałów ogniw PV. każdy z systemów HCPV wykorzystuje jedynie bezpośrednio padające

promieniowanie słoneczne co pomimo uzyskiwanych przez nie wysokich przychodów energii stanowi ich największą wadę, czyniąc je nieefektywne w miejscach, w których dominuje

przewaga zachmurzeń nad słoneczną pogodą.

Punktowo skupiające koncentratory Fresnela

koncentratory Fresnela mogą również przyjąć postać pojedynczych bloków soczewek, które skupiają z każdej strony ich górnej powierzchni promieniowanie słoneczne w kierunku jednego punktu, w którym znajduje się ogniwo fotowoltaiczne. W przeciwieństwie do budowy podłużnych progów w formie listwy soczewki w układzie liniowym Fresnela progi

w pojedynczym punktowo skupiającym koncentratorze Fresnela w kształcie kwadratu tworzą pierścienie powstałe na powierzchni zamiast linii prostych, przez co wykorzystuje się całą powierzchnię soczewki czego rezultatem jest otrzymanie wysokiej wartości współczynnika skupiania, co przekłada się na wyższe sprawności osiągane przez ogniwo PV. Dla zwiększenia efektywności skupiania promieniowania słonecznego, bądź w celu nakierowania promieni padających pod innym kątem niż prosty do powierzchni stosuje się układy nadążne i/lub drugą soczewkę pomocniczą, skupiającą skierowane pod kątem światło z soczewki pierwszej na ogniwo. Zastosowanie soczewki pomocniczej pomaga również

w poprawie jakości skupiania soczewki wytworzonej z defektami struktury, np. zaokrąglenie się ostrych krawędzi progów. Stopień koncentracji punktowo skupiających soczewek Fresnela mieści się w granicach od 50 – 500 dochodząc nawet do 1000 słońc, natomiast sprawność optyczna przekracza 90 %.

Rys. Schemat działania koncentratora punktowego, u dołu profesjonalny moduł w detalicznej sprzedaży Soltec Concentrix CX-75 mo mocy 75Wp przy wymiarach 828 mm x 428 mm x 102 mm.

Talerzowe koncentratory paraboliczne

koncentrator tego rodzaju wykorzystuje lustrzaną powierzchnię o kształcie parabolicznym w celu skupiania promieni słonecznych w jednym punkcie centralnym, na którym znajduje się odbiornik w postaci drugiego koncentratora skupiającego zebrane promieniowanie na ogniwo PV (rysunek). Układ z koncentratorem talerzowym wymaga stosowania

2-osiowego systemu nadążnego gdyż konstrukcja koncentratora nie jest w stanie uchwycić pod każdym kątem promieniowania na tyle by odbite promieniowanie trafiało zawsze w kierunku punktu centralnego. Stopień skupiania promieni słonecznych wynosi od 150 – 500 bądź 1000 słońc. Na efektywność działania koncentratora składają się współczynnik odbicia powierzchni lustrzanych, kąta padania promieniowania, błędy systemu nadążnego, stopień absorpcji

promieniowania przez odbiornik czy straty ciepła i wykonanie odbiornika. Układ z koncentratorem talerzowym wymaga chłodzenia płynem ze względu na wysokie temperatury pojawiające się na powierzchni modułu.

Kocentratory paraboliczne talerzowe wykonywane są w dwóch odmianach, z pojedynczym zwierciadłem i z ogniwem umieszczonym w ogniskowej. Z podwójnym zwierciadłem i ogniwem PV umieszczonym w środkowej części dużego zwierciadła (rys.). W drugim przypadku promieniowanie słoneczne podlega podwójnemu odbiciu koncentrując sie na ogniwie.