Репортаж от Wedoany，Исследователи из Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) разработали спектрально-селективный полупрозрачный кристаллический кремниевый (c-Si) солнечный модуль для агрофотоэлектрики.
Для обеспечения достаточного освещения защищённых сельскохозяйственных культур в настоящее время основные полупрозрачные фотоэлектрические модули используют непрозрачные c-Si элементы, расположенные с промежутками, чтобы оставить прозрачные участки стекла для прохождения солнечного света. Однако растения используют лишь ограниченную часть солнечного спектра (фотосинтетически активную радиацию, ФАР, с длиной волны около 400–700 нм) для фотосинтеза. Существующие модули пропускают значительную часть солнечного спектра, не нужную растениям (особенно ближний инфракрасный диапазон), которая могла бы быть использована для выработки электроэнергии — c-Si элементы обладают очень высокой эффективностью преобразования ближнего инфракрасного света. Автор-корреспондент Ян Л. Томас (Ian L. Thomas) отметил, что команда встроила спектрально-селективные оптические элементы в промежутки между элементами полупрозрачного фотоэлектрического модуля: «Эти встроенные оптические элементы могут перенаправлять ближний инфракрасный свет на c-Si элементы для выработки электроэнергии, одновременно пропуская очень высокую долю ФАР. Особенность этого решения заключается в том, что оно умело сочетает существующие крупноформатные дихроичные технологии, используемые в строительной отрасли, с текущими производственными процессами, применяемыми при сборке фотоэлектрических модулей».
Модуль использует TOPCon-солнечные элементы и распределённые брэгговские отражатели (РБО), встроенные в двухстекольную конструкцию, и применяет геометрию плоского концентратора для эффективного спектрального разделения за счёт полного внутреннего отражения. РБО состоят из чередующихся слоёв с различными показателями преломления; точный расчёт толщины слоёв обеспечивает конструктивную интерференцию отражённых световых волн, достигая пиковой отражательной способности более 99,9% в целевом диапазоне длин волн. Исследователи оценили две коммерческие технологии РБО — серебряно-диэлектрические покрытия и многослойные полимерные плёнки. Было обнаружено, что многослойные полимерные плёнки обеспечивают более высокое отражение в ближнем инфракрасном диапазоне, пренебрежимо малое поглощение света и более резкую спектральную селективность, что делает их особенно привлекательными для предложенной концепции модуля. Модуль также использует V-образный плоский концентратор, который направляет падающий солнечный свет в центральную область с помощью ряда наклонных отражающих структур. В предложенной конфигурации эти наклонные поверхности направляют ближний инфракрасный свет на стеклянную подложку под углом, обеспечивающим полное внутреннее отражение, тем самым удерживая свет внутри модуля.
Исследователи создали комплексную оптическую модель с использованием программного обеспечения MATLAB для оценки годовой производительности модуля и сравнили её с традиционными непрозрачными фотоэлектрическими модулями и полупрозрачными фотоэлектрическими модулями с одинаковым покрытием элементами. Производительность оценивалась по оптической эффективности, электрическому преобразованию и пропусканию ФАР. Модель предполагала идеальные условия эксплуатации, упрощая несколько факторов, включая изменение напряжения элементов, температурные эффекты, освещение тыльной стороны и специфическую реакцию культур, с основным акцентом на плотность тока короткого замыкания. Моделирование, проведённое для трёх мест в Австралии, показало, что при прямом освещении модуль обеспечивает увеличение выработки электроэнергии на 34% по сравнению с традиционными полупрозрачными фотоэлектрическими модулями, сохраняя при этом высокое пропускание ФАР. Производительность сильно зависит от угла падения солнечного света относительно ориентации V-образных канавок; поведение вдоль канавок стабильно, но поперечная эффективность снижается из-за ограничений полного внутреннего отражения. Данная конструкция эффективно пропускает необходимую растениям ФАР, одновременно перенаправляя ближний инфракрасный свет на фотоэлектрические элементы для выработки электроэнергии.
Результаты также показали, что многослойные полимерные РБО-плёнки обеспечивают наилучший общий баланс. Для модуля с 50% покрытием элементами годовое увеличение тока короткого замыкания составило около 23–27%, в то время как конструкция с 38% покрытием обеспечила прирост в 34–40%. Во всех случаях более 90% ФАР сохранялось, а около 80% ближнего инфракрасного излучения перенаправлялось для выработки электроэнергии. Томас отметил, что команда построила прототип первой стадии размером примерно в половину листа A4 и подтвердила его производительность в ходе испытаний; отфильтровывая около 80% ближнего инфракрасного света, эта технология может снизить температуру поверхности сельскохозяйственных культур в полузасушливых регионах, тем самым уменьшая потребление воды. Описание технологии модуля представлено в статье «Спектрально-селективные c-Si агрофотоэлектрические модули: оценка нового подхода» (Spectrally selective c-Si agrivoltaic modules: Evaluating a new approach), опубликованной в журнале «Applied Energy».
