StoryEditor

Sztuczna inteligencja dopalaczem wydajności systemu fotowoltaicznego

Jeśli rewolucja energetyczna ma się powieść, szybki rozwój odnawialnych źródeł energii jest koniecznością, a kluczową rolę odegra w tym inteligentna i sieciowa fotowoltaika.

26.11.2022., 09:00h

Wysokowydajne monokrystaliczne moduły słoneczne mają obecnie większy udział w światowym rynku niż moduły multikrystaliczne. Jednym z przykładów są tak zwane moduły PERC, które również zyskują coraz większą uwagę jako część systemów dachowych w rolnictwie. Ten akronim oznacza "Passivated Emiterter and Rear Cell", technologię, która zwiększa wydajność modułów do ponad 24 procent, odbijając część światła, które dociera do tylnej części ogniwa z powrotem do komórki. Te informacje pochodzą z targów EnergyDecentral, które odbywały się w listopadzie równolegle z targami EuroTier w Hanowerze.

Takiego ssania na systemy solarne jeszcze nie było

W marcu 2022 r. na dachach i nieruchomościach w Niemczech zainstalowano 2,2 mln systemów fotowoltaicznych o łącznej mocy znamionowej 58 400 megawatów. W pierwszym kwartale roku umożliwiły one wprowadzenie do sieci około 8,8 miliarda kilowatogodzin energii elektrycznej wytworzonej ze światła słonecznego – o 34,7 procent więcej niż w pierwszym kwartale 2021 roku.

"Wydajność nowoczesnych modułów fotowoltaicznych znacznie wzrosła w ciągu ostatnich kilku lat. Każda kilowatogodzina energii elektrycznej, którą sami generują i zużywają właściciele systemu fotowoltaicznego, oznacza, że oszczędzają pieniądze w porównaniu z pobieraniem jej z sieci – potwierdza Marcus Vagt, kierownik projektu targów EnergyDecentral.

Systemy fotowoltaiczne w sektorze rolniczym i komercyjnym

Trend jest taki, że odchodzi się od klasycznego, czystego układu słonecznego do systemu, który zapewnia, że energia słoneczna jest wykorzystywana tak efektywnie, jak to możliwe. "Ktokolwiek dodatkowo inwestuje w system magazynowania energii elektrycznej, staje się mniej zależny od rosnących cen energii elektrycznej w dłuższej perspektywie", dodaje Vagt. W związku z tym połączenie systemu słonecznego i systemu magazynowania energii z ładowarką pojazdów elektrycznych (EV) będzie jednym z trendów, na których dostawcy technologii koncentrowali się w Hanowerze. "Takie systemy fotowoltaiczne poza siecią stają się coraz bardziej popularne w sektorach komercyjnym i rolniczym, nie tylko ze względu na ostatnie zawirowania na rynkach energii", wyjaśnia Vagt.

Technologia fotowoltaiczna nadal opiera się na krzemie i zasadzie że im więcej ogniw słonecznych, tym więcej energii elektrycznej generują moduły. Podział na półkomórki oferuje nowe podejście. W tym przypadku moduł jest podzielony na bliźniacze połówki, w których ogniwa słoneczne są połączone szeregowo i podzielone na wiele ciągów. Zastosowanie technologii półogniw umożliwia zwiększenie wydajności słonecznej o około dwa do trzech procent. Zachowanie cieniowania tego systemu jest również znacznie lepsze - jeśli tylko połowa modułu jest zacieniona, druga połowa modułu nadal dostarcza pełną wydajność.

Sam krzem nie wystarczy

Jeśli jednak więcej światła słonecznego ma zostać przekształcone w energię elektryczną, nie wystarczy po prostu powiększenie powierzchni modułów słonecznych. Przede wszystkim należy zwiększyć ich skuteczność. Eksperci branżowi są zgodni co do tego, że prawie żaden dalszy wzrost wydajności nie może być osiągnięty przy użyciu samego krzemu. Ze względu na ich fizyczne właściwości materiałowe teoretyczny limit takich modułów wynosi 29,3 procent. Obecnie wielkie nadzieje wiążą się z ogniwami tandemowymi (wielozłączowymi ogniwami słonecznymi), technologią, która jest również badana przez zespół z Instytutu Fraunhofera ds. Systemów Energii Słonecznej ISE. Dzięki nowej powłoce antyrefleksyjnej naukowcom z Freiburga udało się zwiększyć wydajność najlepszych jak dotąd ogniw słonecznych z poczwórnym złączem z 46,1 do 47,6 procent.

Najbardziej wydajne ogniwa słonecznego na świecie

To, co brzmi jak mały krok, jest w rzeczywistości kamieniem milowym, ponieważ obecnie nie ma bardziej wydajnego ogniwa słonecznego na świecie. Obejmuje to górne wielozłączowe ogniwo słoneczne składające się z fosforku galu indu (GaInP) i arsenku glinowo-galowego (AlGaAs), które zostało połączone z dolnym wielozłączowym ogniwem słonecznym wykonanym z fosforku arsenku galu indu (GaInAsP) i arsenku galu indu (GaInAs). Warstwy ogniw słonecznych zostały wyposażone w ulepszone warstwy kontaktowe i czterowarstwową powłokę antyrefleksyjną. Prowadzi to do zmniejszenia strat rezystancji, a także odbicia na przedniej stronie ogniwa, które jest czułe w szerokim zakresie spektralnym od 300 do 1780 nanometrów.

Sposób na obniżenie kosztów energii słonecznej

Konwencjonalne ogniwa słoneczne wykonane z krzemu pochłaniają światło słoneczne tylko do długości fali 1200 nanometrów i dlatego nie wymagają takiej szerokopasmowej powłoki antyrefleksyjnej. "Możliwe zastosowania takich ultra-wysokowydajnych wielozłączowych ogniw słonecznych obejmują koncentratorowe systemy fotowoltaiczne, które przyczyniają się do wydajnego wytwarzania energii w słonecznych krajach. Fotowoltaika tandemowa umożliwia przeniesienie granic pojedynczych ogniw słonecznych w przeszłość, a tym samym ostatecznie obniżenie kosztów energii słonecznej"- mówi prof. Stefan Glunz, dyrektor Działu Badań Fotowoltaicznych w Fraunhofer ISE.

Można wyśledzić wadliwe moduły

System fotowoltaiczny przyszłości jest cyfrowy i inteligentny. Systemy wspierane przez sztuczną inteligencję umożliwią wczesne wykrywanie i eliminowanie usterek, a także automatyczną optymalizację wydajności w przyszłości. Badanie przeprowadzone przez Instytut Helmholtza w Erlangen-Norymberdze pokazało, jak duża jest potrzeba optymalizacji. Według niego około ośmiu procent europejskich modułów fotowoltaicznych nie pracuje z pełną wydajnością.

"Oprócz nieprawidłowo wyregulowanych lub wadliwych modułów, wpływy środowiskowe, takie jak kurz, pyłki, ptasie odchody lub wysokie drzewa i trawy, mogą również powodować, że systemy dostarczają mniej energii elektrycznej niż w rzeczywistości" - wyjaśnia dr Claudia Buerhop-Lutz, naukowiec z ośrodka Forschungszentrum Jülich (Centrum Badawcze Jülich) Instytutu Helmholtza. Zasadniczo nowoczesna technologia pomiarowa może już wyśledzić moduły, które są wadliwe i nie działają z pełną wydajnością, na przykład za pomocą lotniczych analiz termograficznych z wykorzystaniem dronów. Procedury te są jednak kosztowne i złożone.

Monitorowanie modułów słonecznych

W przyszłości przyrządy pomiarowe sztucznej inteligencji będą mogły określić deficyty wydajności bezpośrednio na miejscu na podstawie danych z monitorowania modułów słonecznych, co jest celem, do którego dążą naukowcy z Instytutu Helmholtza we wspólnym projekcie Dig4morE. W ten sposób mają na celu wczesne wykrywanie deficytów wydajności i defektów za pomocą uczenia maszynowego. Dostępne są dane z jedenastu parków słonecznych rozmieszczonych w całej Europie w celu opracowania algorytmów. W zależności od typu systemu i środowiska, moduły słoneczne podlegają różnym obszarom problemowym. "Czynniki, które odgrywają rolę w Hesji w środkowych Niemczech, różnią się od tych na zachodnim wybrzeżu Portugalii, gdzie silne wiatry powodują drgania modułów", wyjaśnia Buerhop-Lutz. Wstępne wyniki powinny być dostępne pod koniec roku, a następnie można je wykorzystać do opracowania przykładów najlepszych praktyk i zaleceń dotyczących dużych parków słonecznych, na przykład w celu ekonomicznego planowania prac konserwacyjnych i porządkowych.

Na pochmurną pogodę... sztuczna inteligencja

Ale to jeszcze nie koniec drogi. W przyszłości operator systemu fotowoltaicznego będzie mógł dokładnie przewidzieć wytwarzanie i zużycie energii elektrycznej na podstawie analiz big data dotyczących warunków pogodowych i wzorców zużycia. Sztuczna inteligencja będzie optymalnie kontrolować ładowanie i rozładowywanie systemu magazynowania energii w różnych scenariuszach – słonecznych, pochmurnych lub deszczowych dniach. W każdym scenariuszu można zatem zmaksymalizować uzysk energii elektrycznej, a procent dostępny na potrzeby własne skutecznie zwiększyć.

opr. i fot. Jan Józefowicz

źródło: EnergyDecentral

23. styczeń 2023 17:11