Agrowoltaika choć rozwijana od dłuższego czasu nadal jest dużą nowością w obszarze komercyjnych zastosowań fotowoltaiki. W najprostszym ujęciu to jednoczesne wykorzystanie obszarów przeznaczonych do uprawy roślin oraz do montażu naziemnych instalacji fotowoltaicznych z założeniem korzystnego lub co najmniej neutralnego wpływu PV na uprawy. 

W ujęciu bardziej szczegółowym to także działania mające na celu zwiększenie wydajności upraw. Efekt taki uzyskać można dzięki kontrolowanemu zacienieniu jakie mogą dawać roślinom odpowiednio zamontowane moduły fotowoltaiczne. Zacienienie to pozwala na lepsze wykorzystanie wody przez rośliny. Pomimo wielu ciekawych rozwiązań w tym zakresie (więcej w artykule: „Agrowoltaika – typowe i nowe rozwiązania”) w instalacjach agrowoltaicznych stosuje się typowe komercyjne moduły fotowoltaiczne.

Istotną innowacją byłoby wytworzenie modułów dedykowanych do zastosowania w instalacjach agrowoltaiacznych. W pierwszej kolejności powinny być to moduły o regulowanej przezierności, tak aby jeszcze lepiej sterować korzystnym dla roślin zacienieniem. Kolejnym krokiem , powinno  być zastosowanie koncentratorów luminescencyjnych. Układy takie po pierwsze skierują cześć promieniowania padającego na moduł PV do ogniw, a po drugie dzięki zmianie widma promieniowania mogą przyczynić się do lepszego wzrostu roślin. Zastosowanie koncentratorów luminescencyjnych implikuje jednak określone problemy natury technologicznej. Po pierwsze, koncentratory wbudowane w układ typowego modułu PV mają tendencję do utraty części swoich właściwości w czasie. Po drugie, wprowadzenie koncentratora wymaga zmian w technologii produkcji modułu PV. Zbyt duże zmiany mogą potencjalnie generować zwiększone koszty (lub: stawiają pod znakiem zapytania ekonomiczny charakter przedsięwzięcia. 

Ciekawym przykładem na rozwiązanie obu problemów są przeprowadzone w ostatnich latach w Polsce badania nad luminescencyjnymi koncentratorami energii przeznaczonymi do procesów hermetyzacji modułów. 

Doktorat wdrożeniowy – program Ministra Nauki Edukacji i Nauki

Badania skupiające się na zastosowaniu stabilnych w czasie luminescencyjnych koncentratorów energii przeprowadzono w ramach programu doktorat wdrożeniowy. Przedmiotem programu jest tworzenie warunków do rozwoju współpracy podmiotów systemu szkolnictwa wyższego i nauki z otoczeniem społeczno-gospodarczym. Program prowadzony  jest za pośrednictwem szkół doktorskich i polega na kształceniu doktorantów we współpracy z zatrudniającymi ich przedsiębiorcami albo innymi podmiotami.  Najważniejszym efektem programu jest wdrożenie  wyników prowadzonej przez doktorantów działalności naukowej u przedsiębiorców.

Do programu tego przystąpił również Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN w Krakowie. W ramach jednego z doktoratów – dr inż. Piotr Sobik, pracownik firmy Helioenergia - prowadził badania w Laboratorium Fotowoltaicznym w Kozach koło Bielska Białej. 

Luminescencyjny koncentrator energii 

Śmiało można powiedzieć, że jest to rozwiązanie innowacyjne w skali światowej. Choć na rynku istnieją podobne rozwiązania brakuje jednak rozwiązania w postaci gotowego modułu dla agrowoltaiki z sekwencyjnie rozmieszczonymi ogniwami fotowoltaicznymi oraz
z warstwą luminescencyjnego koncentratora energii. Istnieją co prawda moduły z rozseparowanymi ogniwami fotowoltaicznymi ale występują one w standardowej wielkości i nie mają one koncentratora. Istotą proponowanego rozwiązania jest zastosowanie dwuwarstwowego koncentratora luminescencyjnego we współpracy z planarnymi ogniwami fotowoltaicznymi. Tak ułożone  ogniwa zasilane są zarówno promieniowaniem bezpośrednim jak i dodatkowo za pomocą koncentratora (rys.1.). Pozwala to na uzyskiwanie sprawności ogólnych konwersji fotowoltaicznej 4-10% przy udziale ogniw w powierzchni modułu od 10 do 60%. Dwuwarstwowy koncentrator powoduje ograniczenie strat samoabsorbcji oraz korzystny rozkład modów światła. 

Rys.1. Schemat proponowanego rozwiązania pokazujący zasadę działania koncentratora luminescencyjnego  

Podstawowe zalety rozwiązania to niski koszt wytworzenia oraz możliwość skalowania do warunków natężenia promieniowania słonecznego.

Koncentrator luminescencyjny i moduł PV – udane połączenie

Głównym celem zrealizowanego doktoratu wdrożeniowego było opracowanie technologii wytwarzania modułów fotowoltaicznych z zastosowaniem luminescencyjnego koncentratora energii (LKE ang. LSC). 

W badaniach skoncentrowano się na takiej modyfikacji matrycy luminescencyjnego koncentratora energii, iż poprzez dobór odpowiednich rozpuszczalników zapewniono fotostabilność barwnika bez użycia dodatkowych czynników stabilizujących. W badaniach tych bazowano na tzw. czerwonym perylenie, który ma dobrze poznane właściwości luminescencyjne. Tym samym rozwiązano pierwszy problem a mianowicie kwestię stabilności koncentratora. 

W ramach prowadzonych prac badawczych wykonano i przetestowano moduł fotowoltaiczny ze wspomaganiem luminescencyjnym. Co więcej moduł ten wykonano stosując typowy proces hermetyzacji modułów. Dzięki temu można śmiało stwierdzić, że rozwiązano drugi problem tj. kompatybilność procesu wytwarzania nietypowego modułu z dotychczasowymi procesami produkcji. 

Wyniki doktoratu są już częściowo wdrażane do działalności firmy Helioenergia sp. z o.o. w zakładzie produkcyjnym przedsiębiorstwa w Czerwionce-Leszczynach Firma zadeklarowała implementację rozwiązania, w szczególności opartego na wykorzystaniu foli do laminacji modyfikowanej czerwonym perylenem, do produkcji modułów PV z wspomaganiem luminescencyjnym. 

Należy zwrócić uwagę, iż opracowana technologia bazuje na rozwiązaniach stosowanych obecnie przy produkcji typowych modułów PV.

Dalsze prace badawcze 

Przeprowadzone prace otworzyły kolejny etap badań nad innym materiałem do budowy koncentratora luminescencyjnego jakim jest tak zwany Błękit Egipski. Podjęto już pierwszą  próbę wykonania modułu fotowoltaicznego, który byłby wspomagany luminoforem ceramicznym na jego bazie. Choć w literaturze przedmiotu dostępne są już doniesienia o potencjale aplikacyjnym tego luminoforu, nie odnaleziono jednak informacji o wytworzeniu  modułu fotowoltaicznego z jego użyciem. Obecnie prowadzone są prace nad tym rozwiązaniem. 

---

W artykule wykorzystano materiały ze pracy doktorskiej Piotra Sobika pt. „New Luminescent Solar Concentrators for packaging processes in photovoltaic modules” („Nowe luminescencyjne koncentratory energii przeznaczone do procesów hermetyzacji modułów fotowoltaicznych”). Praca została w zrealizowana w ramach programu Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego pt. „Doktorat wdrożeniowy” (Dz.U. 2016 poz.873) – I edycja.