Повышение мощности солнечных батарей путём использование светофильтров

Данный раздел представляет собой отчёт о внедрении нашим производством нового продукта с обзором исследований различных лабораторий и научных коллективов в мире.

В научной литературе есть ряд работ посвященные анализу экспериментов по использованию различных светофильтров в составе фотоэлектрического модуля. Замечена зависимость от использования типа светофильтра на изменение производительности фотоэлектрического модуля. В этой связи интересна экспериментальная работа Ахмад Манасра, Али Аль Зайуд и Эман Абдельхафез (Ahmad Manasrah, Ali Al Zyoud & Eman Abdelhafez) Влияние цветных и нано плёночных фильтров на производительность солнечного фотоэлектрического модуля (Effect of color and nano film filters on the performance of solar photovoltaic module)

Кратко о проведённом исследовании.

Методика проведения эксперимента

В этом исследовании было проведено два эксперимента для изучения выходной мощности солнечной панели. Применялись плёнки с различными характеристиками светофильтров: цветные и термоизоляционные наноплёнки в качестве фильтров светового спектра. В первом эксперименте исследовано влияние трех теплоизолирующих наноплёнок с уровни блокировки видимого света 20%, 60% и 80%. Наноплёнки, используемые в данном исследовании, покрыты смесью керамических и углеродных частиц размером от 25 до 50 нм диаметром со степенью защиты 99% ИК- и УФ-излучения.

Во втором эксперименте использовались три цветовых фильтра: красный, зеленый и синий. Этот тип светофильтров изготовлен из тонкого прозрачного пластика с цветным покрытием и в основном используется в фотографиях.

Оба эксперимента проводились с использованием устройства Photovoltaic Performance Simulator (PVPS). Устройство оснащено 24 лампочками, что позволяет контролировать мощность светового потока передаваемого на панель. Также конструкция устройства позволяет регулировать расстояние от источника света и угол падения на панель. Между панелями разместили датчик светового потока, чтобы контролировать мощность на уровне 500 Вт / м 2 во время экспериментов. Обычно стандартные условия испытаний (STC) выдерживаются под 1000 Вт / м 2 . Однако в этой экспериментальной установке световой поток был уменьшен из-за чрезмерной температуры окружающей среды, создаваемая лампочками при 1000 Вт / м 2 . Оба эксперимента были проведены в темной комнате с контролируемой температурой окружающей среды 24 ° C.

В эксперименте использовались четыре солнечные панели размером 20 × 30 см с характеристиками, приведенными в таблице 1:

Vmp (V)	Imp (A)	Vo.c (V)	Isc (A)	P (W)	F.F %	Ƞ %
8,9	0,72	10,8	0,67	5	88,6	12,6

В первом эксперименте было изучено влияния теплоизоляционных наноплёнок на выходные характеристики и температуру панелей. Три нано-пленки (со степенью блокировки видимого света 20%, 60% и 80%) были установлены на листах прозрачного стекла толщиной 1 мм, которые имеют такие же размеры, как и солнечные батареи. Затем стеклянные листы с установленными наноплёнками были помещены на три панели солнечных батарей. Еще один лист прозрачного стекла без установленного фильтра был помещен поверх четвертой солнечной панели. Все четыре солнечные панели были подключены к регистратору данных для регистрации их напряжений холостого хода и тока короткого замыкания в цепи. Еще четыре термопары k-типа были прикреплены к задней части каждой солнечной панели и подключены к тому же регистратору данных для записи их температуры во время эксперимента. Четыре солнечные панели были размещены в PVPS на расстоянии 40 см от источников света так, чтобы свет попадал на панели под углом 90 градусов, рис.1.  Эксперимент длился 60 мин. регистратор записывал данные каждые 5 мин.

Во втором эксперименте применялась та же процедура. Три цветных фильтра (красный, зеленый и синий) были размещены поверх трех солнечных панелей, только на этот раз стекло не использовалось. Четвертая панель осталась без фильтра. Все четыре панели были размещены в PVPS на одинаковом расстоянии и под одинаковым углом как и в первом эксперименте. Четыре термопары также были прикреплены к панелям и подключены к регистратору данных для записи температуры. Второй эксперимент длился 60 мин с 5-минутными данными. интервал записи.

Результаты экспериментов размещены в таблицах. Таблица 2 – первый эксперимент, таблица 3 – второй эксперимент.

Результаты показали, что фильтр красного цвета и фильтр Nano film со степенью блокировки 20% вырабатывает больше электроэнергии, чем другие фильтры, в то время как фильтр зеленого цвета и фильтр Nano Film со степенью блокировки 80% обеспечивает самые низкие температуры поверхности фотоэлектрических модулей.  Эффективность солнечных панелей, как правило, можно улучшить с помощью фильтров красного цвета или наноплёнок с 20% скорость блокировки видимого света.

Внедрение использования светофильтров в производстве фотоэлектрических модулей.

Нашей компанией, на основе выше описанного эксперимента, проведено внедрение в процесс производства фотоэлектрических модулей слоя светофильтра. Проводил внедрение Тулюлюк Р.В. В качестве светофильтра использовалась клеевая плёнка на основе поливинилбутераля белого цвета с коэффициентом прозрачности 40%. Экспериментальный модуль собирался по стандартной процедуре: стекло-клеевой слой 1- схема ФЭПов – клеевой слой 2 – диэлектрик, в эксперименте “клеевой слой 1” был заменён на клеевую плёнку на основе поливинилбутераля белого цвета. В результате получился модуль (рис.2) со слабым, визуальным проявлением ФЭПов.

Сравнительный замер со стандартным модулем рис.3

Испытание проводилось на установке “Стенд испытания фотоэлектрических модулей” с интенсивностью светового потока 800Вт/м² , полученные результаты внесены в таблицу 4:

Образец	Температура, Со	напряжение холостого хода , В	ток короткого замыкания, А
рис.3 без светофильтра	32	2,5	8,2
рис.2 с белым светофильтром	32	2,4	5,3

Натурные испытания опытного образца проводили 6 января 2021 года. Погода для проведение замеров была хорошая – ясно( рис.4 и рис. 5).

Результаты внесены в таблицу 5:

Образец	Время	Напряж. холостого хода, В	Ток корот. замыкан., А	Свет. поток, лк	Темпер. окруж. среды,oC	Темпер. модуля,oC
рис.3 без светофильтра	12:50	2,4	6,53		13	24
рис.2 с белым светофильтром	12:50	2,36	3,52		13	24
рис.3 без светофильтра	13:05	2,24	6,52	70000	13	45
рис.2 с белым светофильтром	13:05	2,26	3,57	70000	13	33
рис.3 без светофильтра	13:20	2,25	6,6	75000	14	40
рис.2 с белым светофильтром	13:20	2,25	3,67	75000	14	33
рис.3 без светофильтра	13:50	2,26	5,82	62000	14	41
рис.2 с белым светофильтром	13:50	2,26	3,13	62000	14	33
рис.3 без светофильтра	14:11	2,37	5,43	56000	13	31
рис.2 с белым светофильтром	14:11	2,37	3,018	56000	13	26

К опытным испытанием добавили модуль с зелёной плёнкой. В качестве светофильтра использовалась клеевая плёнка на основе поливинилбутераля зелёного цвета. Экспериментальный модуль собирался по стандартной процедуре: стекло-клеевой слой 1- схема ФЭПов – клеевой слой 2 – диэлектрик, в эксперименте “клеевой слой 1” был заменён на клеевую плёнку на основе поливинилбутераля зелёного цвета и “клеевой слой 2” был заменён на клеевую плёнку на основе поливинилбутераля синего цвета . В результате получился модуль (рис. 6 и рис. 7) со слабым, визуальным проявлением ФЭПов.

Испытание проводилось на установке “Стенд испытания фотоэлектрических модулей” с интенсивностью светового потока 800Вт/м² (100 000 люкс) , полученные результаты внесены в таблицу 6:

Образец	Температура, Со	напряжение холостого хода , В	ток короткого замыкания, А
рис.3 без светофильтра	23	2,55	7,8
рис.2 с белым светофильтром	23	2,49	5
рис.7 с зелёным светофильтром	23	2,59	8,11

Из этих замеров можно констатировать прирост в производительности модуля с зелёным фильтром относительно модуля без фильтра примерно 5%. Этот результат согласуется с результатами полученными в экспериментальной работе: “Влияние цветных и нано плёночных фильтров на производительность солнечного фотоэлектрического модуля” описанной ранее.

Особняком от выше описанных экспериментальных работ находится аналитическая работа представленная Институтом систем солнечной энергии им. Фраунгофера ISE на 5-ой Европейской конференции и выставке по солнечной энергии, 24-28 сентября 2018 г., Брюссель, Бельгия. Работа называется “ДЕКОРИРОВАННОЕ ЗДАНИЕ – ИНТЕГРИРОВАННЫЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МОДУЛИ: ПОТЕРЯ МОЩНОСТИ, ВНЕШНИЙ ЦВЕТ И АНАЛИЗ СТОИМОСТИ” (DECORATED BUILDING-INTEGRATED PHOTOVOLTAIC MODULES:POWER LOSS, COLOR APPEARANCE AND COST ANALYSIS).

Мы представим её краткое содержание в экспериментальной части и результаты анализа получившихся продуктов.

Наиболее часто для фасадного остекления применяют следующие типы модулей: с прозрачным герметиком (слева) и с тёмным герметиком во втором слое ламината (справа) рисунок 1.

Однако, для чтобы добиться большего совпадение цветовой гаммы фотоэлектрических модулей с проектными решениями по декорированию зданий, одним из подходов является маскировка внешнего вида кремниевых солнечных элементов с помощью цветного слоя перед фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП).

Мы ориентируемся только на компоненты, которые создают однородный цвет по всей площади модуля, такие как цветные герметики или стекла с равномерным цветным покрытием. Каждая технология ведет к определенной потере мощности (по сравнению с обычными фотоэлектрическими модулями с полностью прозрачным передним стеклом / инкапсулятом). В этой статье мы сравниваем три дизайнерских решения для цветных модулей BIPV с точки зрения их внешнего вида, электрических характеристик.

Цветные инкапсулянты – один из подходящих вариантов дизайна. Наиболее распространенным инкасулянтом в фотоэлектрической промышленности является этиленвинилацетат (EVA), но ни один крупный производитель EVA не предлагает цветные межслойные пленки. В индустрии остекления цветные ПВБ-инкасулянты применяются в безопасном стекле. Поскольку ПВБ является технически допустимым герметизирующим материалом для фотоэлектрических модулей, мы используем цветные ПВБ-пленки для производства и определения характеристик образцов модулей [5]. Цветной слой ПВБ заменяет прозрачный передний слой герметика (рис. 2).

На рынке доступны фотоэлектрические модули с нанесённым на стекло методом печати цветовым пигментом. Цветовой пигмент используются, чтобы скрыть электрическую схему солнечных элементов, сохраняя при этом высокий коэффициент пропускания [6]. Керамические эмали стабильны и устойчивы к ультрафиолетовому излучению. Не белые эмали поглощают значительную часть спектра, что повышает рабочую температуру модуля. В модуле печать наносится на внутреннею сторону стекла, чтобы избежать воздействия погодных условий и загрязнения. Полупрозрачная, светорассеивающая природа нанесенных эмалей требует сложного измерительного оборудования для получения точных оптических данных на печатных стеклянных панелях.

Учёные из ИСЭ Фраунгофера ранее представляли исследование по нанесению спектрально-селективной фотонной структуры на подложку по аналогичной структуре как на “Крыле бабочки” (Морфо-структура), которое демонстрирует насыщенные цвета, не зависящие от угла зрения и характеризуется низкий уровень бликов [9]. Может быть получен любой цвет с очень низкими потерями. Фотонная структура, нанесенная на переднее стекло, отражает узкие полосы падающего спектра и не показывает значительного поглощения (рис 8).

МЕТОД

Были изготовлены образцы с одним ФЭПом, каждого из видов указанных на рисунках 2-4 с вариациями трёх цветов: синий, зелёный и красный. У подготовленных образцов определяли мощность, относительно образца без декора, и насыщенность цвета. (Рисунок 5). В лабораторных образцах отсутствует антибликовый слой.

Цветовой анализ. Спектры нормального полусферического отражения образцов на Рисунке 5 были измерены за пределами области ячейки с лицевой стороны солнечных батарей на TestLab Фраунгоферском ISE с интегрирующей сферой диаметром 220 мм, результаты показаны на Рисунках 6-8. Эти спектры представляют собой нижний предел отражательной способности. Спектры отражения замерены в диапазоне от 350 до 800 нм, в видимом диапазоне спектра. Общий спектр отражения герметиков на рисунке 6 показывают низкую отражающую способность. Красный инкапсулянт показывает пик отражения с двойной интенсивностью на 600 нм, обеспечивая лучший эффект окрашивания по сравнению с синим и зеленым герметиком, которые не показывают пиков.

Спектры нормального полусферического отражения для красной, синей и зеленой эмали нанесённую методом печати на стекло показаны на рисунке 7. Керамические отпечатки демонстрируют низкий коэффициент отражения с более широкими максимумами отражения двойной интенсивности для красного и зеленого цвета. Более высокие значения отражательной способности приводят к лучшей насыщенности окраски (по убыванию – красный> зеленый> синий) модуля (рисунок 5). Общий эффект отражения от печати эмали и инкапсулянтов низок по сравнению с Морфо Структурой, спектры отражения которой показывают узкие и сильные максимумы 5-кратной интенсивности (Рисунок 8).

Построенные выше спектры нормального полусферического отражения используются для получения цветовых координат CIE L* a* b* для количественной оценки яркости и насыщенности, как указано в Таблице 1 [10].

Таблица 1 Цветовые координаты в пространстве CIE L * a * b *

	L*	a*	b*
Инкапсулянт, красный Печать краской, красная Морфо структура, красная	30.8 32.5 32.9	7.4 12.4 36.2	3.6 7.3 0.1
Инкапсулянт, зелёный Печать краской, зелёный Морфо структура, зелёный	26.5 33.7 55.3	2.0 -9.2 -42.8	-2.6 2.1 36.3
Инкапсулянт, синий Печать краской, синяя Морфо структура, синия	26.2 27.2 39.0	0.4 -0.4 -11.2	-1.8 -3.5 -34.7

Значения L * показывают очень похожую яркость для инкапсулянта и эмалевой краской нанесённой методом печати, в то время как структура Morpho приводит к повышенным значениям яркости для зеленого и синего. Красный образец Morpho Structure не показывает высокой яркости из-за неоптимизированных параметров для производства образцов. Для оценки насыщенности цвета на рисунке 9 показан график значений a* b*, полученных из измерений коэффициента отражения. На этом графике расстояние от начала координат представляет насыщенность цвета. Из этого графика видно, что герметик почти не вызывает цветового эффекта, керамический принт показывает только умеренный эффект, а структура Morpho отличается высокой насыщенностью цвета. Эти результаты хорошо согласуются с субъективным впечатлением от рисунка 5.

Электрические характеристики. Измерение электрических характеристик были проведены в стандартных условиях испытаний (STC) в Fraunhofer ISE Module-TEC. Измерения проводятся относительно эталонного модуля, конфигурация которого показана на Рисунке 1 (справа) без каких-либо декоративных компонентов. Измерения мощности STC P _{d, MPP} [Вт / м²] рассчитывается на основе площади модуля (48 ячеек-модулей, габаритами 1,32 м x 1 м, переднее стекло с низким содержанием железа толщиной 4 мм и заднее стекло толщиной 6 мм. Мощность эталонного модуля составляет 256 Вт).

	PMPP, Вт	Потери, %	Pd MPP, Вт/м2
Образец, прозрачный	4,32		194
Инкапсулянт, красный Инкапсулянт, зелёный Инкапсулянт, синий	3,45 4,07 3,59	-20.1 -5,8 -16,9	155 183 161
Печать краской, красная Печать краской, зелёный Печать краской, синяя	2,97 3,46 3,95	-31,2 -19,9 -8,6	133 155 177
Морфо структура, красная Морфо структура, зелёный Морфо структура, синия	4,01 4,15 4,19	-7,2 -4,0 -3,0	180 186 188

Мы заметили, что потери мощности сильно зависят от цвета краски и герметиков. Цветные герметики показывают снижение мощности от 5,8% до 20% , чем у эталонного модуля, в то время, как образцы с нанесённой эмалевой краской по всей площади работают на 8–30% хуже. Спектрально-избирательная технология Morphotechnology показывает самые низкие потери мощности на модулях с одной ячейкой в ​​диапазоне от 3% до 7%, независимо от цвета. Калиброванные измерения мощности в Fraunhofer ISE CalLab на полномасштабных модулях со спектрально-селективными структурами Morpho и дополнительным антибликовым слоем подтверждают эти результаты с максимальной относительной потерей эффективности прибл. 7% к эталонному модулю [11]. На ограниченной площади фасада можно установить значительно большую номинальную мощность, используя более эффективные технологии проектирования. Поэтому технологии с более высокой удельной мощностью имеют преимущество, когда подходящие площади фасада ограничены. С точки зрения мощности структуры Morpho явно превосходят цветные герметики, в то время как модули с нанесённой краской по всей площади работают хуже.