Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο της Νέας Νότιας Ουαλίας (UNSW) στην Αυστραλία ανέπτυξαν φασματικά επιλεκτικές ημιδιαφανείς ηλιακές μονάδες κρυσταλλικού πυριτίου (c-Si) για χρήση σε αγροβολταϊκά.
Η μετάδοση του φωτός στις καλλιέργειες
«Για να επιτραπεί επαρκής μετάδοση φωτός στις καλλιέργειες σε προστατευόμενες συνθήκες καλλιέργειας, οι τρέχουσες ημιδιαφανείς φωτοβολταϊκές μονάδες (SOA) με την τρέχουσα τεχνολογία αιχμής (SOA) χωρίζουν τα αδιαφανή ηλιακά κύτταρα c-Si αφήνοντας διαφανή γυάλινη περιοχή για να περάσει το ηλιακό φως», δήλωσε ο αντίστοιχος συγγραφέας Ian L. Thomas στο περιοδικό pv. «Ωστόσο, τα φυτά χρησιμοποιούν μόνο ένα περιορισμένο τμήμα του ηλιακού φάσματος για να οδηγήσουν τη φωτοσύνθεση, που ονομάζεται φωτοσυνθετικά ενεργή ακτινοβολία (PAR). Αυτό ταιριάζει με ένα παρόμοιο εύρος μήκους κύματος με αυτό που βλέπουν οι άνθρωποι, περίπου 400 - 700 nm. Οι τρέχουσες μονάδες SOA μεταδίδουν ένα μεγάλο μέρος του ηλιακού φάσματος που δεν απαιτείται από τις καλλιέργειες και θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί από τα κύτταρα για μετατροπή ηλεκτρικής ενέργειας, ιδιαίτερα μήκη κύματος στο εγγύς υπέρυθρο (NIR) τα οποία τα κύτταρα c-Si είναι πραγματικά αποτελεσματικά στη μετατροπή σε ηλεκτρική ενέργεια».
«Αυτό που έχουμε εφεύρει είναι ένας τρόπος ενσωμάτωσης φασματικά επιλεκτικών οπτικών στα κενά μεταξύ των κυψελών σε μια ημιδιαφανή φωτοβολταϊκή μονάδα», συνέχισε λέγοντας. «Αυτά τα ενσωματωμένα οπτικά μπορούν να ανακατευθύνουν το φως NIR στα κύτταρα c-Si για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, επιτρέποντας παράλληλα τη μετάδοση ενός πολύ υψηλού ποσοστού του PAR. Αυτό που είναι ιδιαίτερα χρήσιμο στη λύση μας είναι ότι συνδυάζει έξυπνα την υπάρχουσα τεχνολογία διχρωϊκής ακτινοβολίας μεγάλης επιφάνειας που χρησιμοποιείται στην οικοδομική βιομηχανία με τεχνικές κατασκευής που χρησιμοποιούνται σήμερα στη συναρμολόγηση φωτοβολταϊκών μονάδων».
Τα χαρακτηριστικά της μονάδας
Η μονάδα χρησιμοποιεί ηλιακά κύτταρα TOPCon και έναν κατανεμημένο ανακλαστήρα Bragg (DBR) ενσωματωμένο σε μια αρχιτεκτονική διπλού γυαλιού με γεωμετρία συγκεντρωτή επίπεδης πλάκας για να επιτρέψει τον αποτελεσματικό φασματικό διαχωρισμό μέσω ολικής εσωτερικής ανάκλασης. Τα DBR είναι εξαιρετικά αποδοτικά οπτικά κάτοπτρα που αποτελούνται από εναλλασσόμενα στρώματα με διαφορετικούς δείκτες διάθλασης. Με ακριβή σχεδιασμό πάχους στρώσεων, τα ανακλώμενα κύματα φωτός υφίστανται εποικοδομητική συμβολή, επιτυγχάνοντας μέγιστη ανακλαστικότητα άνω του 99,9% σε ένα στοχευμένο εύρος μήκους κύματος.
Οι ερευνητές αξιολόγησαν δύο εμπορικές τεχνολογίες DBR ειδικότερα - επιστρώσεις αργύρου-διηλεκτρικού και πολυστρωματικές πολυμερικές μεμβράνες - καθεμία από τις οποίες προσφέρει διαφορετικά πλεονεκτήματα σε κόστος, απόδοση και οπτική απόδοση. Διαπιστώθηκε ότι οι πολυστρωματικές πολυμερικές μεμβράνες παρέχουν υψηλότερη ανάκλαση εγγύς υπέρυθρου (NIR), αμελητέα οπτική απορρόφηση και ευκρινέστερη φασματική επιλεκτικότητα, καθιστώντας τες ιδιαίτερα ελκυστικές για την προτεινόμενη ιδέα της μονάδας.
Η μονάδα βασίζεται επίσης σε συγκεντρωτές επίπεδης πλάκας V-groove, οι οποίοι χρησιμοποιούν μια σειρά από γωνιακές ανακλαστικές δομές για να ανακατευθύνουν το εισερχόμενο ηλιακό φως προς μια κεντρική περιοχή. Στην προτεινόμενη διαμόρφωση, αυτές οι γωνιακές επιφάνειες κατευθύνουν το φως NIR στο γυάλινο υπόστρωμα σε γωνίες που επιτρέπουν την ολική εσωτερική ανάκλαση (TIR), παγιδεύοντας αποτελεσματικά το φως μέσα στη μονάδα.
Η ανάπτυξη ενός οπτικού μοντέλου
Χρησιμοποιώντας το λογισμικό MATLAB, οι ερευνητές ανέπτυξαν ένα ολοκληρωμένο οπτικό μοντέλο για την αξιολόγηση της ετήσιας απόδοσης της μονάδας. Η απόδοση της συσκευής συγκρίθηκε τόσο με μια συμβατική αδιαφανή φωτοβολταϊκή μονάδα όσο και με μια ημιδιαφανή φωτοβολταϊκή μονάδα με πανομοιότυπη κάλυψη κυψελών. Η απόδοση αξιολογήθηκε με βάση την οπτική απόδοση, την ηλεκτρική μετατροπή και τη μετάδοση PAR. Το μοντέλο υποθέτει ιδανικές συνθήκες λειτουργίας και απλοποιεί διάφορους παράγοντες, όπως οι διακυμάνσεις της τάσης των κυψελών, οι επιδράσεις της θερμοκρασίας, ο φωτισμός στην πίσω πλευρά και η απόκριση φωτός ειδικά για κάθε καλλιέργεια, εστιάζοντας κυρίως στην πυκνότητα ρεύματος βραχυκυκλώματος.
Τα αποτελέσματα
Προσομοιώσεις που πραγματοποιήθηκαν για τρεις τοποθεσίες στην Αυστραλία έδειξαν ότι, υπό άμεση ακτινοβολία, η προτεινόμενη μονάδα πέτυχε αύξηση 34% στην ηλεκτρική ισχύ σε σύγκριση με μια συμβατική ημιδιαφανή φωτοβολταϊκή μονάδα, διατηρώντας παράλληλα υψηλή μετάδοση PAR. Διαπιστώθηκε ότι η απόδοση εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη γωνία πρόσπτωσης της ηλιακής ακτινοβολίας σε σχέση με τον προσανατολισμό της αυλάκωσης V, με σταθερή συμπεριφορά κατά μήκος των αυλακώσεων, αλλά μειωμένη απόδοση σε αυτές λόγω περιορισμών στη συνολική εσωτερική ανάκλαση. Ο σχεδιασμός μεταδίδει επίσης αποτελεσματικά το PAR για τις καλλιέργειες, ενώ ανακατευθύνει το φως NIR στα φωτοβολταϊκά κύτταρα για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.
Τα αποτελέσματα έδειξαν περαιτέρω ότι οι πολυστρωματικές πολυμερικές μεμβράνες DBR παρέχουν την καλύτερη συνολική ισορροπία, αυξάνοντας σημαντικά την ηλεκτρική ισχύ διατηρώντας παράλληλα υψηλή μετάδοση PAR. Για μια μονάδα κάλυψης κυψελών 50%, το ετήσιο ρεύμα βραχυκυκλώματος αυξάνεται κατά περίπου 23-27%, ενώ ένας σχεδιασμός κάλυψης 38% επιτυγχάνει κέρδη 34-40%. Σε όλες τις περιπτώσεις, περισσότερο από το 90% της PAR διατηρείται, ενώ περίπου το 80% της ακτινοβολίας NIR ανακατευθύνεται για την παραγωγή ενέργειας.
www.worldenergynews.gr
