Vysoce účinné fotovoltaické systémy s trackery a koncentrátory záření

Sledovače Slunce typu TRAXLE^TM

Starších zařízení pro automatickou orientaci kolektorů solární energie jsou odstraněny u zařízení nové konstrukce nazvaného TRAXLE^TM (zkr. tracking axle), jehož schéma je na obr. 1. Podstata spočívá v tom, že řídící panel se solárními články je připevněn k rotační ose zařízení a je složen ze dvou sekcí otočených vůči sobě o 180° (hlavní sekce k západu a pomocná sekce k východu).

Rovina řídícího panelu je od roviny kolmé ke kolektorům solární energie a rovnoběžné s rotační osou zařízení odchýlena o úhel (β ≈ 15 ÷ 20) k východu a obě sekce jsou antiparalelně připojeny přímo k elektromotoru spojenému s rotační osou zařízení.

Úhel β by měl být právě takový, aby při dopadu slunečního záření pod úhlem dopadu větším než β byla síla motoru větší než síla potřebná k orientaci zařízení, ale aby při dopadu slunečního záření pod úhlem dopadu menším než β byla síla motoru menší než síla potřebná k orientaci zařízení. Potom když na řídící panel posvítí přímé sluneční záření z kterékoliv strany pod úhlem dopadu věším než β, signál z této strany je větší než signál z opačné strany a energie vyrobená řídícím panelem pohybuje motorem tak, že systém se orientuje tím směrem, aby se úhel dopadu zvětšil.

Pohyb se zastaví, právě když úhel dopadu je β, neboť tehdy se síla motoru zmenší pod hodnotu potřebnou k orientaci systému. Když v důsledku pohybu Slunce po obloze dojde ke zvěšení úhlu dopadu, systém se opět pohne směrem ke zmenšení úhlu dopadu. Za jasného dne se tak systém pohybuje postupně (nikoliv spojitě) od východu k západu.

Různé trackery v Casa Quemada, nejblíže TRAXLE

Obrázek 1

Během jasného dne je funkce zařízení s touto konfigurací následující. Ráno před východem Slunce je zařízení obyčejně orientováno k západu, kde večer předchozího dne ukončilo činnost. Po východu slunce (obr. 1a) dopadá sluneční záření na pomocnou sekci řídícího panelu připojeného k motoru. Motor otáčí zařízení za Sluncem k východu, dokud síla motoru nepoklesne pod prahovou sílu potřebnou pro orientaci zařízení. Zařízení je poté orientováno přibližně k východu, úhel dopadu slunečního záření je přibližně roven β. Slunce poté postoupí na obloze o úhel 2β směrem k západu. V tomto úhlu kolektory solární energie nesledují Slunce, neboť síla motoru je menší než síla potřebná k jejich orientaci. Při dalším postupu Slunce směrem k západu dopadá sluneční záření na hlavní sekci řídícího panelu připojeného k motoru. Motor napájený energií z řídícího panelu otáčí zařízení postupně za Sluncem k západu. Kolektor je takto orientován za postupujícím Sluncem (obr. 1a, b, c). Obr. 1b ukazuje, že ať posvítí Slunce z kterékoliv strany, řídící panel je vždy v dosahu slunečního záření. To je důležité pro případ, že by během dne bylo delší dobu zataženo.

Obr. 2: Schéma příčného řezu pohyblivým, hřebenovým koncentrátorem záření.

Hřebenový koncentrátor Super TRAXLE

Další navýšení vyrobené energie můžeme dosáhnout pomocí koncentrátorů slunečního záření. Nový systém kombinuje relativně levný sledovač Slunce s přídavnými zrcadly, ale narozdíl od V-žlabového koncentrátoru jsou u hřebenového koncentrátoru zcela eliminována vnější zrcadla (obr. 2). Vnitřní "hřeben" tvoří mírný (c = 1,6 ÷ 1,7) koncentrátor záření.

Nový, pohyblivý, mírný koncentrátor je velmi kompaktní, jednoduchý a spolehlivý. Byl úspěšně vyzkoušen na existujících pohyblivých stojanech. Na rozdíl od V-žlabových koncentrátorů není nutný žádný další podpůrný systém zrcadel. Proto momenty sil působené větrem jsou výrazně redukovány.

Standardní verze pohyblivého, hřebenového koncentrátoru se může přizpůsobit od dvou malých fotovoltaických panelů (50W) až do 16 velkých fotovoltaických panelů (320W). Aplikace hřebenového koncentrátoru na různé pohyblivé systémy je také velmi jednoduchá. Může být použit u jednoosých sledovačů s vodorovnou i polární osou, u dvouosých sledovačů.

Koncentrační poměr (1,6 ÷ 1,7) redukuje teplotu solárních panelů oproti koncentrátorům s vyšší koncentrací záření, čímž je i účinnost fotovoltaické přeměny vyšší. Předchází se rovněž degradaci zapouzdření panelů. Nové uspořádání umožňuje rovněž lepší proudění vzduchu kolem kolektoru v porovnání s uspořádáním s V-žlabem. Tak je dosaženo i účinnějšího chlazení. Koncentrační poměr (2 ÷ 2,24) u standardních V-žlabových koncentrátorů způsobuje hnědnutí EVA zapouzdření a snížení účinnosti fotovoltaické přeměny energie v důsledku vyšší teploty panelů. Měření na nových "V" systémech v Sanlucar (Sevilla PV 1.2MW) ukazuje, že s jedním zrcadlem je zisk energie 32% a přidáním dalšího zrcadla se zvýší zisk pouze o 15%. Teploty na "V" koncentrátorech v Sanlucar běžně dosahují i v zimnním období (leden/únor) přes 90°C. Obdobný 6MW systém v Carrisa Plains (USA) "vyhořel" v roce 1984 během 6 měsíců. Proto je třeba, u systémů v Sanlucar, při teplotách nad 80°C vychýlit systém z ohniska, aby nedocházelo k trvalému poškození fotovoltaických panelů. V takovém případě je otázka jak "velký" bude energetický výnos "V" koncentrátoru.

Oboustranné (bifaciální) fotovoltaické panely TRAXLE

Dalším konstrukčním prvkem může být použití oboustranných (tzv. bifaciálních) PV panelů. Dnes je běžně dodávají různí výrobci, přičemž rozdíl v ceně je oproti standardním panelům poměrně nízký a v některých případech dokonce nulový. Tyto panely dokáží využít i záření dopadající na jejich zadní stranu po odrazu od terénu či okolních ploch.

Automatický pohyblivý stojan solárních kolektorů se sledovačem Slunce a s polární osou umožňuje dopad odraženého světla na zadní stranu kolektorů. Využití energie záření dopadajícího na zadní stranu fotovoltaických panelů umožňuje navýšit celkové množství vyrobené energie o 10-15% pro typické albedo 0,3 v porovnání se standardními panely. Odrazivost povrchu v místě instalace solárního systému se v tomto případě promítá do množství vyrobené energie. Vysokou odrazivost pro viditelné záření má např. křemenný písek nebo sníh, horší odrazivost má např. tráva nebo hlína a velmi nízkou odrazivost má např. čedičová skála.

Některé oboustranné PV solární panely na bázi krystalického křemíku jsou průhledné pro fotony s vlnovými délkami většími než cca λ > 1100nm (infračervené/tepelné záření). To způsobuje snížení jejich teploty v porovnání se standardními panely. To je zvláště výhodné u pohyblivých solárních systémů s mírným koncentrátorem záření (c = 1,6 ÷ 1,7), kde PV panely jsou vystaveny vyšší intenzitě záření. Měření ukazuje, že teplota oboustranných PV panelů na bázi krystalického křemíku (c-Si) umístěných na automatickém pohyblivém stojanu je o 5-12°C nižší, než je tomu u standardních PV panelů (c-Si) integrovaných do střechy. Snížení teploty u oboustranných panelů může navýšit množství vyrobené energie o 3-5% v důsledku vyšší účinnosti fotovoltaické přeměny energie při nižší teplotě solárních panelů. Redukovaná teplota rovněž prodlužuje dobu života solárních fotovoltaických panelů, neboť předchází degradaci polymerů v jejich zapouzdření, které může způsobit vyšší teplota u standardních panelů.

Kombinace dvou efektů může tedy navýšit množství vyrobené energie o uvedených 10-20% v porovnání se stejným fotovoltaickým systémem se standardními panely s pohyblivým stojanem a s hřebenovým koncentrátorem záření. Obr. 3 ukazuje idealizovanou závislost okamžitého výkonu dodávaného fotovoltaickými solárními systémy různých konstrukcí na času během jasného letního dne. Je vidět, že celkové navýšení množství vyrobené energie činí skutečně uvedených 100% v případě systému s oboustrannými panely s pohyblivým stojanem s hřebenovým koncentrátorem záření oproti systému s pevným stojanem bez koncentrátoru záření se standardními panely. Menší pík s lokálním maximem v ranních hodinách odpovídá fotovoltaické přeměně přímého slunečního záření dopadajícího na zadní stranu solárního systému před jeho ranní reorientací k východu.

Obr. 3 - Idealizovaná závislost okamžitého výkonu dodávaného fotovoltaickými solárními systémy různých konstrukcí

Ve druhé polovině roku 2006 budou zavedeny bifaciální panely TRAXLE 160W a 180W o rozměru 1581 x 809 x 50mm (72 článků 125 x 125mm) a bifaciální panely TRAXLE 240W a 270W o rozměru 1950 x 950 x 50mm (72 článků 156 x 156mm).

Nový hřebenový koncentrátor s bifaciálními panely namontovaný na otočný stojan může zdvojnásobit každoroční množství vyrobené energie v porovnání s konfigurací, ve které jsou solární panely namontovány na pevné stojany. Přitom navýšení celkové ceny systému je pouze cca. 8%. Navýšení výroby energie o 100% je možné v podmínkách suchého, slunečného podnebí (např. severní Afrika, Tibet, Arizona, západní Austrálie ...), navýšení 70% je možné v podmínkách střední Evropy.

	Severočeský kraj	Jihomoravský kraj	Jižní Španělsko (Sevilla)	Tibet, Lhasa, Čina
pevný PV systém	850	1000	2000	3000
sledovač Slunce	1000	1200	2600	4000
sledovač, bifacial.	1100	1300	2900	4500
hřeben. koncentrátor	1200	1500	3600	4700
Koncentrátor bifacial	1300	1600	3800	6000

Tracker s koncentrátorem záření Super TRAXLE osazený osmi fotovoltaickými panely

Standardní fotovoltaické systémy fy. Poulek Solar s.r.o.
Mimo nejvýkonnějších systémů nabízíme současně kompletní standardní síťové systémy 10-500 kW s fotovoltaickými panely 200W.