Systemy skupiania punktowego (jedno- i dwustopniowe)
Najbardziej oczywistym zastosowaniem koncentratorów jest wytworzenie skoncentrowanego promieniowania słonecznego do zasilania ogniw fotowoltaicznych. Przykładowo jedna z firm produkuje soczewkę o kopułowym kształcie i wymiarach zredukowanych do poziomu umożliwiającego jej zastosowanie w aplikacjach kosmicznych, np. do koncentracji promieniowania słonecznego dla potrzeb generowania energii zasilającej aparaturę stacji [1].
Koncepcja takiego koncentratora ma istotne zalety w porównaniu ze słonecznym systemem opartym na organicznym obiegu Rankine’a (ORC) w zastosowaniach na orbicie okołoziemskiej, gdzie wymagany jest magazyn energii. W niedalekiej przyszłości możliwe stanie się osiągnięcie gęstości wytwarzanej mocy elektrycznej w odniesieniu do parametrów układu optycznego rzędu 300 W/m2 i 100 W/kg. Jest to realne, gdyż obecnie sprawność skupiania soczewek płaskich i kopułowych wynosi odpowiednio 77,3 i 81,5%.
Poznaj Nowoczesne elementy optyczne: soczewki Fresnela »
Istotny krok naprzód w rozwoju zastosowań koncentratorów punktowych w fotowoltaice możliwy był dzięki zastosowaniu zespołów soczewek kopułowych – pozwala to uzyskać współczynnik koncentracji dochodzący nawet do 500. Badania wiązały się m.in. z wykorzystaniem pakietów w formie trójrzędowej [1].
Dla modułu złożonego z 36 elementów fotowoltaicznych o łącznej powierzchni 7056 cm2 (koncentracja 400 x) osiągnięto szczytową niekorygowaną sprawność o wartości 26,6%. Dla porównania: mierzona w terenie sprawność takiego samego typu modułu z sześcioma ogniwami słonecznymi połączonymi w pakiety o łącznej powierzchni 1176 cm2 wynosiła średnio 27,6%.
Znacznie większe sprawności możliwe są do osiągnięcia przy zastosowaniu korekty temperaturowej. W takim przypadku dla modułu o współczynniku koncentracji 550 x w warunkach optymalnego promieniowania słonecznego sprawność wyniosła 31,5 ±1,7%, podczas gdy dla komercyjnych modułów krzemowych sięga 14%.
Przytoczone przykładowe koncentratory charakteryzują się niewielkimi wymiarami. Należy jednak podkreślić, że istnieją także urządzenia optyczne tego typu o powierzchni rzędu 7000 m2. Taki koncentrator został już zademonstrowany jako urządzenie mogące poprawić sprawność trójwarstwowego modułu fotowoltaicznego (InGaP/InGaAs/Ge) do ok. 27%. Oczywiście poprawa parametrów pracy nie wynika jedynie z zastosowania kopułowych soczewek charakteryzujących się niskimi stratami optycznymi. Istotne okazało się również zastosowanie wysokosprawnych ogniw.
Poznaj Nowoczesne metody magazynowania i wykorzystania energii słonecznej »
Odmianą takiego koncentratora jest tzw. koncentrator dwustopniowy. Jest to układ dwóch soczewek – Fresnela o dużej powierzchni (pierwszy stopień) oraz najczęściej zwykłej szklanej soczewki (drugi stopień). Jako soczewek drugiego stopnia można użyć wypukłych soczewek liniowych, soczewek kopułowych oraz płaskich. Dwustopniowy koncentrator oferuje nie tylko większą koncentrację czy wzrost kąta akceptacji, ale także bardziej jednorodny rozkład strumienia promieniowania na ogniwie fotowoltaicznym, niż ma to miejsce w wypadku samodzielnej, punktowo skupiającej soczewki Fresnela.
Przykładowy dwustopniowy modułowy koncentrator oparty na soczewce Fresnela (pierwszy stopień) i kwarcowej wklęsło-wypukłej soczewce (drugi stopień) przedstawiono na rys. 1. Zastosowano tu tzw. ogniwa termo-fotowoltaiczne (TPV – thermophotovoltaic). Testy terenowe w warunkach średniej intensywności promieniowania na poziomie 850 W/m2 przeprowadzono dla dwóch typów termicznych ogniw TPV. Ogniwa te przystosowane są do wytwarzania energii elektrycznej z wykorzystaniem absorpcji fal elektromagnetycznych i ich reemisji w postaci promieniowania cieplnego przed oświetleniem powierzchni ogniw fotowoltaicznych.
Sprawdź, jak magazynować energię cieplną »
W tym przypadku jako ogniwo TPV zastosowano antymonek galu (szerokość przerwy energetycznej ok. 0,7 eV). Przy temperaturze emitera w zakresie 1400–2000 K zarejestrowano w warunkach zwarcia gęstość natężenia prądu nawet do 5 A/cm2. Do montażu ogniw fotowoltaicznych o wysokim przewodnictwie cieplnym wykorzystano ceramikę bazującą na tlenku berylu (BeO). Osiągnięto wysoką sprawność – rzędu 19% dla promieniowania z wolframowego emitera.
