Most már értem a napenergiát XXII. - Különleges napelemek 1. rész

Napelem akár 3 MFt vissza nem térítendő támogatással. Jelentkezzen!

Bevezetés

Korábbi cikkeinkben áttekintettük a napelem féleségeket, elsősorban működési elvük és a gyártástechnológia alapján. Azon kívül, hogy a gyártási technológia a megismert sokféleséget mutatja, az is meglepő, hogy a konstrukciókban, felépítésükben (alkalmazástechnikában) is milyen nagy változatosság van. A különleges napelemek különleges igényeket testesítenek meg, megjelenésük miatt, még nehezebbé válik annak megjóslása, milyen(ek) is lesz(nek) a napelem(ek) 5-10 év elteltével.

Sok minden kimaradt, és ezért ezek pótlásával kezdjük most.

2T, 3T, 4T konstrukciók

Korábbi (1G …, 5G) cikkeinkben említettük a soros (tandem) cellákat. A 2T - 3T jelölések is elsősorban erre vonatkoztak (a jelölés értelmileg azonos a single junction, azaz egyátmenetű, 1j, 2j, stb., jelölésekkel). Átsiklottunk azonban egy fontos részleten amelyet a T, (mint terminal, kivezetés) jelenthet. A perovszkit típusok megjelenésével úgy tűnt, hogy kettőnél több kivezetés alkalmazása is hozam növekedést jelenthet (1 Ábra).

1. Ábra - 3T kivezetésű IBC cella. A hatásfok közel duplájára nő!

A 2. Ábra, egy további példát mutat be egy többátmenetes, 4T kivezetéses perovszkit CIGS cella szerkezetre.

2. Ábra - 2 átmenetes (2j) 4T kivezetéses perovszkit, CIGS napelem cella sematikus felépítése.

A kétoldalas napelem (bifacial cell)

Eddig nem beszéltünk a napelemek „árnyékos oldaláról” mondván, hogy az nem előnyös. Azonban minden napelemnek van egy hátoldala, melyet ugyanúgy „odateszünk”. Nem lehetne ezt kihasználni? Az ötlet régi, talán több mint 10 éves, de most újra előkerült. Az alkalmazás lehetősége az albedó (visszaverődés) jelenségén alapul. Az egyes tárgyaknak (felszíneknek) erősen eltérő a visszaverő képessége. Az alábbi táblázatban (3 ábra.) tájékoztató jelleggel mutatunk néhány adatot erre.

3. Ábra - Különféle felületek jellemző reflexiója.

Egy adott felület reflexiójának meghatározásakor többféle jelenséget érdemes figyelembe venni ezért modellek felállítása célszerű. Gyakran alkalmazott modell a LER (Lambert féle sugárzási modellel ekvivalens reflexió, 4. Ábra).

4. Ábra - A LER modell az elméletben (felső ábra) és a gyakorlatban (alsó ábra)

LER = Lambertian-equivalens reflektívitás, azaz diffúz reflexió

A reflexió (reflektivitás) hullámhossz függő, erre mutat be példát az 5. Ábra.

5. Ábra - A reflexiós tényező hullámhossz függése néhány természetes felület esetében (szemcsés hó, könnyű talaj, barna agyag, zöld fű)

6. Ábra - Kétoldalas, „bifaciális” PERC/PERT -SHJ technológiákkal kialakított napelemek

A kétoldalas felépítés hozamnövekedése

A kétoldalas napelem hozamnövekedését a görög nagy „fi, Φ” betűvel jelöli a szakirodalom.

Bifaciality (Pmprear / Pmaxfront Rated), [Φ] = %

Pmp_rear                  >> Maximális teljesítmény (Pmp) a hátoldalon (rear) mérve
Pmax_front                >> Maximális teljesítmény (Pmp) a naposoldalon (front) mérve
Rated               Névleges adatok (STC, AM1,5, kivétel ha más van megadva!)

A kétoldalas napelemek megfelelő (szakszerű) telepítés esetén többlet hozamot hoznak, de hogy pontosan mennyit azt nehéz megmondani. Ezért a hozzátartozó inverterek (akku töltők) és egyéb rendszertartozékok (kábelek, csatlakozók) gondos illesztése bizonytalan lehet, esetlegesen túltáplálást okozhat.

7. Ábra - A kétoldalas napelemek hozamnövekedése a telepítési körülmények függvényében, főleg talaj (visszaverő réteg) rétegtől való távolság.

Ez egyben azt is jelenti, hogy háztető (roof) alkalmazások nem ajánlottak, ehhez a szerkezethez.

8. Ábra - Átlagos, napi mért hozam alakulások különféle helyzetekben telepített kétoldalas napelemek (vastag vonal), és egyoldalas napelemek (szaggatott vonal) esetében (Új-Mexikó, 6 hónapos mérés, SANDIA Lab.)

9. Ábra - Kétoldalas napelemek telepítési körülményeinek részletei, és megnevezésük.

10. Ábra - Kétoldalas napelemek telepítési modelljei.

Napelem kerítés

Ha nagyon jól megy valakinek akkor szoktuk rá mondani „kolbászból van a kerítés is”. Nos ez esetben nem kolbászból van, viszont napelemből. A függőleges, É-D tengellyel telepített kétségtelenül jó hozamai vannak.

11. Ábra - Függőleges, É-D nyomvonallal telepített kétoldalas napelem erőmű.

A felezett cellából készített napelem

A kutatók, az utóbbi évek nagy hajrájában, mely azért történt, hogy néhány százalék többlet nyereséget hozzanak a napelemek, sok mindent kipróbáltak. Az egyik ilyen sikeres ötlet az volt, hogy felezzük meg a napelem cellát, és utána a felezett cellákat kössük újra sorba és így a Voc, Vmp feszültségek növekednek, az áram feleződik, csökkennek a veszteségek. A 11. Ábra az ötlet megvalósítási elvét mutatja be, mely egyszerűnek tűnik de azért sok problémát is felvet.

Közismert, hogy a szilícium cella nagyon törékeny, pláne mióta a gyártásban (mintegy 2010 óta) a korábbi 200-250 mikronról áttértek a „gazdaságosabb” 160 mikron körüli vastagságokra. Ennek hátránya egyébként más területeken is megmutatkozik, nemcsak a vágás során. Anélkül, hogy részletesebb gyártástechnológiai kérdésekbe merülnénk, emlékeztetünk arra, miként készül a szelet (wafer) és napelem cella. Egy nagy öntecsből (ingot) gyémántporral bevont végtelenített huzallal szeletelik le egyenként a szeleteket. Ez a vágás egy erős mechanikai igénybevételt jelent az egyre vékonyabb szeletekre, melyek gyakran sérülnek. Ha ezt az igénybevételt megfejeljük még egy gyémánt karcolásos vágással, akkor jelentősen nőhet a gyártási selejt. Ezért új vágási technikákat kellett alkalmazni, azaz a lézeres vágást (13.Ábra.).

13. Ábra - Egy lézeres vágás metszék felületének SEM képe.

Egy „szokásos” c_Si 60 cellás 3 stringes napelem sematikus cella elrendezését és belső összeköttetéseit mutatja be a 14. Ábra.

A képen diagram látható Automatikusan generált leírás — 14. Ábra - Egy 60 cellás 3 stringes napelem sematikus cella elrendezése és belső összeköttetései.

Ha megfelezzük a cellákat, akkor a következő (15. Ábra) elrendezéshez jutunk.

15. Ábra- Egy felezett „60 cellás”, valójában most már 120 cellás, napelem sematikus, 6 stringes napelem elrendezése és belső összeköttetései.

Figyeljük meg, hogy a belső összeköttetések száma duplázódott (forrasztási, fémezési hibák esélye nőtt), a cellák összeköttetései bonyolultabbá váltak. Nagy előny, kis hátrányért cserébe? Mindenesetre az árnyéktűrő képességük, és ezáltal a HOT spotra való hajlam is sokat javult. A 15. Ábra. Egy „duál” azaz felezett napelem megvalósítást mutatja elölnézetben , és hátulnézetben, valamint a belső BUS fémezéseket, soros és párhuzamos kapcsolásokat.

16. Ábra - Egy felezett napelem megvalósítása elölnézetben , és hátulnézetben, valamint a belső BUS fémezések, soros és párhuzamos kapcsolások.

Vegyük észre, hogy a felezett napelemek kivezetéseiben (junction box) is lényeges eltérés van, más stratégia szerint kell ezeket stringbe rendezni.

Extrém Méretek

17. Ábra - a világ legnagyobb ál-transzparens napeleme.

Méret szabóság

18. Ábra - (a., b.,) Egy napelem cella lézeres vágott felületének erősen nagyított (SEM) képe. Figyeljük meg az éles kontúrokat és a hegyes alakzatokat.