Innowacyjna koncepcja produkcji paneli PV w oparciu o technologię FreeVolt™

Polska firma FreeVolt prezentuje innowacyjną koncepcję produkcji paneli fotowoltaicznych w oparciu o technologię FreeVolt™ Extreme Efficiency Solar Module „EESM”. 

Koncepcja wstępna

W związku z dużym postępem dokonującym się w technologiach wytwarzania ogniw fotowoltaicznych i związaną z tym rosnącą wydajnością, tradycyjna architektura modułu PV staje się ograniczeniem dla zwiększenia jego wydajności a nawet powiększa koszt jego produkcji w wyniku braku kompatybilności pomiędzy dotychczasowymi technologiami produkcji a innowacyjnymi ogniwami nowej generacji.

REKLAMA

W związku z powyższym, nowatorska koncepcja modułu PV w technologii SmartWire™ oparta została na przedefiniowaniu koncepcji matrycy połączeń ogniw fotowoltaicznych, dzięki czemu staje się ona kompatybilna ze wszystkimi rodzajami ogniw krzemowych, takimi jak zwykłe ogniwo z krzemu krystalicznego, ogniwo z selektywnie zoptymalizowaną warstwą emitera i pasywacja tylną łącza oraz ogniwami hybrydowymi HIT nowej generacji, zbudowanymi na bazie krzemu typu P oraz typu N.

Ta innowacyjna technologia ma na celu zniesienie ograniczeń wynikających ze standardowej architektury modułu i ogniwa fotowoltaicznego, tzw. bus bar architecture, a zamiast tego proponuje się wprowadzenie matrycy ogniw fotowoltaicznych nowej generacji, zespolonych za pomocą zewnętrznej sieci miedzianych mikrowłókien nie wymagającej lutowania ogniw i wstążek wykonanych ze stopu srebra, miedzi i aluminium – jak ma to miejsce w dotychczas stosowanym procesie produkcji modułów.

Dodatkowo, technologia ta umożliwia uzyskanie istotnych oszczędności w zużyciu drogich surowców wykorzystywanych dotychczas w produkcji standardowych ogniw krystalicznych, np. niemal o 80% zmniejsza zużycie srebra w porównaniu do ilości niezbędnych przy produkcji standardowych ogniw krystalicznych.

Poza tym, produkt finalny czyli moduł fotowoltaiczny dzięki tej innowacji będzie w stanie wyprodukować więcej kWh z każdego zainstalowanego kWp, ponieważ nowa architektura matrycy fotoelektrycznej wprowadza szereg przełomowych usprawnień związanych z jego funkcjonowaniem w warunkach rzeczywistych. Zostały one opisane poniżej i odniesione do standardowych modułów PV bazujących na tradycyjnej architekturze typu bus bar.

Standardowy moduł krystaliczny

W zależności od lokalizacji, kąta nachylenia i temperatur panujących w danej lokalizacji, standardowe moduły PV produkują określoną ilość kWh z zainstalowanego kWp. Warto jednak pamiętać, iż w warunkach rzeczywistych produkcja prądu ograniczana jest znacznie przez wiele czynników, z których największy problem stanowi cień padający na moduł fotowoltaiczny.

Zacienienie obniża wydajność nie tylko jednego modułu, ale i wszystkich innych modułów połączonych z nim szeregowo. Moduły standardowe radzą sobie słabo także z konwersją światła słonecznego na prąd elektryczny we wczesnych godzinach porannych i późnym popołudniem, kiedy mamy do czynienia z tzw. światłem rozproszonym.

Moduły FreeVolt™ Extreme Efficiency Solar Module

Nowa technologia pozwala na uzyskanie o ponad 10% więcej kWh z każdego kWp dzięki lepszej reakcji innowacyjnej matrycy EESM na światło rozproszone oraz znikomej wrażliwości tejże matrycy na cień na nią padający. Połączenie pojedynczych ogniw siecią mikrowłókien powoduje, że producent ma możliwość tak zaprojektować połączenia w matrycy fotoelektrycznej wewnątrz modułu, aby jego wrażliwość na padający cień była minimalna. Strata na produkcji prądu ogranicza się wówczas jedynie do niewielkiego obszaru w pobliżu zacienionego miejsca a nie do całej powierzchni aktywnej modułu. Okrągły kształt włókien powoduje dodatkowe odbijanie się światła i tym samym jego wyższą absorpcję przez moduł.

Posumowanie

Technologia FreeVolt™ Extreme Efficiency Solar Module wydaje się być rozwiązaniem dla wielu wyzwań przed jakimi stoi dziś przemysł fotowoltaiczny. Przede wszystkim technologia matrycy fotoelektrycznej jest kompatybilna z wszystkimi typami standardowych ogniw krystalicznych oraz nowych ogniw hybrydowych, które są dziś znane i stosowane na świecie. Posiada ona potencjał zmniejszenia kosztów produkcji dzięki niemal 80% zmniejszeniu zużycia srebra do produkcji ogniw krystalicznych, przy czym nie tylko nie skutkuje to stratą ich mocy, ale jednocześnie umożliwia zachowanie maksymalnej wydajności energetycznej modułu. Ponadto, otwiera drzwi dla przyszłych potencjalnych oszczędności na etapie produkcji ogniw fotowoltaicznych takich jak: zmniejszenie do 10 mikrometrów grubości siatki połączeń w ogniwach, zmniejszenie do 100 mikrometrów grubości ogniwa czy wyeliminowanie indu w procesie produkcji. Jedną z najważniejszych cech technologii SmartWire™ jest jednak możliwość łączenia w bardzo niskich temperaturach ogniw w matrycę fotoelektryczną podczas procesu produkcyjnego, a w konsekwencji przy bardzo małym stresie mechanicznym oddziałującym na ogniwa, co otwiera duże możliwości dla konwersji ogniw hybrydowych polegających na łączeniu technologii typu thin-film z technologią krzemu N-krystalicznego.

Aspekty innowacyjne – FreeVolt™ Extreme Efficiency Solar Module    

• Wydajność

Standardowy moduł krystaliczny

Wydajność modułu w praktyce nie jest w 100% wprost proporcjonalna do wydajności poszczególnych ogniw połączonych szeregowo w matrycę elektryczną. Straty konwersji ogniw w moduł w tradycyjnej technologii opartej na elektrodach przewodzących bus bars kształtują się na poziomie około 3 – 5 %. Dodatkowo, gęstość siatki połączeń, która odpowiedzialna jest za transport elektronów w ogniwie w aktualnej technologii, nawet przy trzech elektrodach przewodzących, w pojedynczym ogniwie kształtuje się na poziomie maksymalnie 165 punktów, co jest zdecydowanie niewystarczające w przypadku zastosowania bardzo wydajnych ogniw nowej generacji, takich jak np. ogniwa typu wielozłączowego (HIT, HJT).

Technologia FreeVolt™ EESM

W tym przypadku wydajność modułu jest w 100% wprost proporcjonalna do sumarycznej wydajności pojedynczych ogniw dzięki zastosowaniu nowej architektury matrycy fotoelektrycznej. Jest to związane przede wszystkim z wysoką odpornością na mikrouszkodzenia, niższą rezystancją elektryczną oraz wyższą absorpcją światła przez matrycę, co niweluje pozostałe straty związane z procesem konwersji ogniw w moduł. Dodatkowo, gęstość siatki połączeń, od której uzależniony jest transport elektronów w ogniwie, w tej technologii jest 18-krotnie wyższa, uzyskując 2660 punktów w pojedynczym ogniwie.

• Żywotność 

Standardowy moduł krystaliczny

REKLAMA

Żywotność modułów wykonanych w tradycyjnej technologii jest drastycznie ograniczona przez mikropęknięcia w strukturze ogniw krzemowych. TÜV Rheinland wymienia mikropęknięcia jako wadę nr 1 spośród problemów jakościowych zaobserwowanych na farmach fotowoltaicznych zlokalizowanych w Niemczech.

Tradycyjna architektura modułu oparta na elektrodach przewodzących typu bus bar powoduje, że mikropęknięcie znajdujące się tylko w jednym z 60 ogniw ma negatywny wpływ na produkcję energii przez pozostałe, nieuszkodzone ogniwa, a w konsekwencji moduł z takimi wadami wpływa negatywnie na pozostałe moduły, z którymi połączony jest szeregowo w systemie. Mikropęknięcia są najczęściej skutkiem bardzo wysokich temperatur stosowanych w trakcie samego procesu produkcji ogniw, gdzie temperatury sięgają nawet 800 stopni Celsjusza, a także na późniejszym etapie lutowania ogniw, gdzie przekraczają one poziom 280 stopni Celsjusza.

Technologia FreeVolt™ EESM

Innowacyjna technologia FreeVolt™ EESM zmniejsza do praktycznie niezauważalnego poziomu wpływ mikropęknięć na działanie całego modułu Przede wszystkim, temperatura ok. 140 stopni Celsjusza, niezbędna w procesie produkcji, w której następuje adhezja sieci miedzianych mikrowłókien z powierzchnią ogniw, jest dużo niższa co wybitinie minimalizuje stres termalny i tym samym pękanie krzemu. Natomiast nawet w takich przypadkach, gdy w procesie produkcji ogniwo ulegnie pęknięciu, wszystkie jego fragmenty są nadal w 100% aktywną częścią matrycy i nie ma ono negatywnego wpływu na pozostałe ogniwa tworzące moduł. Jest to możliwe jedynie dzięki nowatorskiej architekturze matrycy i łączącej ją sieci mikrowłókien. W rezultacie, moduły wykonane w tej technologii wykazują̨ żywotność́ dłuższą od modułów wykonanych w tradycyjnej technologii typu bus bar.

• Produkcja kWh z kWp

Standardowy moduł krystaliczny

W zależności od geolokalizacji, kąta nachylenia i temperatur panujących w danej lokalizacji, standardowe moduły PV produkują̨ określoną ilość kWh z zainstalowanego kWp. Jednak w warunkach rzeczywistych wiele czynników wływa negatywnie na produkcję prądu przez moduł fotowoltaiczny. Największym problemem jest cień padający na moduły PV, który – podobnie do opisanych wcześniej pęknięć – obniża wydajność́ nie tylko jednego modułu, ale także wszystkich innych połączonych z nim szeregowo. W tradycyjnych modułach PV zależność szeregowa  ogniw w matrycy elektrycznej jest ograniczona do maksymalnie trzech mogących działać niezależnie stref. W sytuacji, gdy cień pada na moduł, połączone szeregowo ogniwa znajdujące się w jednej z tych stref tracą równocześnie tyle samo mocy, ile z powodu zacienienia traci tylko jedno z ogniw. Dlatego też we wczesnych godzinach porannych oraz późnym popołudniem standardowe moduły słabo radzą sobie z konwersją światła słonecznego na prąd elektryczny, kiedy mają do czynienia z tzw. światłem rozproszonym.

Technologia FreeVolt™

Innowacyjna technologia pozwala na uzyskanie o ponad 10% więcej kWh z każdego kWp dzięki lepszej reakcji matrycy FreeVolt™ EESM na światło rozproszone oraz jej małej wrażliwości na cień na nią padający. Połączenie pojedynczych ogniw siecią mikrowłókien powoduje, że producent ma możliwość takiego zaprojektowania połączeń w matrycy fotoelektrycznej wewnątrz modułu, aby jego wrażliwość na padający na nią cień była minimalna. Jest to możliwe dzięki zastosowaniu mniejszych stref zależności szeregowych pomiędzy ogniwami, których w tej innowacyjnej matrycy może być aż do 300% więcej. W takiej konfigiracji strata na produkcji prądu ogranicza się jedynie do niewielkiego obszaru w pobliżu zacienionego miejsca, a nie do całej powierzchni aktywnej modułu. Warto też zauważyć, że okrągły kształt mikrowłókien powoduje dodatkowe odbijanie się światła i jego wyższą absorpcję przez moduł niż przy zastosowaniu tradycyjnych, płaskich wstążek połączeniowych.

Podsumowanie

Technologia FreeVolt™ Extreme Efficiency Solar Module wydaje się być rozwiązaniem dla wielu wyzwań́, przed jakimi stoi dziś przemysł fotowoltaiczny. Przede wszystkim technologia matrycy fotoelektrycznej jest kompatybilna ze wszystkimi typami standardowych ogniw krystalicznych oraz nowych ogniw hybrydowych, które są dziś znane i stosowane na świecie. Niesie także ze sobą potencjał istotnego zmniejszenia kosztów produkcji dzięki wykorzystaniu prawie 80% mniejszej ilości srebra w ogniwach krystalicznych bez ubytku ich mocy i przy maksymalnej wydajności energetycznej modułu.

Ponadto, otwiera drzwi dla przyszłych potencjalnych oszczędności na etapie produkcji ogniw fotowoltaicznych takich jak: zmniejszona do 10 mikrometrów grubość siatki połączeń́ w ogniwach, zmniejszona do 100 mikrometrów grubość ogniwa czy wyeliminowanie indu w procesie produkcji. Jedną z najważniejszych cech technologii FreeVolt™ jest jednak możliwość łączenia ogniw w matrycę fotoelektryczną w bardzo niskich temperaturach a w konsekwencji, przy bardzo niskim stresie termicznym ogniwa, co otwiera ogromne możliwości dla konwersji ogniw hybrydowych polegających na łączeniu technologii typu thin-film z technologią krzemu krystalicznego.

Dlatego też z pełną odpowiedzialnością możemy potwierdzić, iż powyższe rozwiązania wprowadzają polską produkcję modułów fotowoltaicznych na najwyższy poziom innowacyjności w wymiarze światowym.

O tym, jak wielkie możliwości drzemią w innowacyjnej technologii zawartej w modułach Freevolt™ Extreme Efficiency Solar Module™, świadczą pierwsze próbne moduły wyprodukowane w oparciu o nią. W zależności od rodzaju ogniw wykorzystanych do ich wytworzenia uzyskano następujące wydajności:

Przy użyciu ogniw I-PERC osiągnięto wskaźnik 286 Wp.

• Maksymalna moc znamionowa Pmax [W]: 286 Wp +10% kWh z kWp
• Tolerancja mocy %Pmax: +- 3%
• Napięcie przy Pmax (Vmpp) [V]: 32,00 V
• Napięcie zwarciowe (VOC) [V]: 39,60 V
• Prąd przy Pmax (Impp): 8,17 A
• Prąd zwarciowy (ISC) [A]: 9,50 A
• Sprawność (ogniwa, modułu) [%]: 17,23 %
• Maks. napięcie systemu [V]: 1000V

Przy użyciu ogniw HJT osiągnięto wskaźnik 317 Wp.

• Maksymalna moc znamionowa Pmax [W]: 317 Wp +10% kWh z kWp
• Tolerancja mocy %Pmax: +- 3%
• Napięcie przy Pmax (Vmpp) [V]: 35,80 V
• Napięcie zwarciowe (VOC) [V]: 44,35 V
• Prąd przy Pmax (Impp): 8,59 A
• Prąd zwarciowy (ISC) [A]: 9,42 A
• Sprawność (ogniwa, modułu) [%]: 19,32 %
• Maks. napięcie systemu [V]: 1000V

W warunkach laboratoryjnych wytworzono moduł, który ustanowił rekord świata w wytwarzanej mocy wynoszący 327 Wp. 

FreeVolt / artykuł sponsorowany