Kolektory fotowoltaiczne PVT

Fotowoltaika i kolektory słoneczne to dojrzałe technologie wykorzystania energii słonecznej. Jednak wydajność fotowoltaiki maleje w podwyższonych temperaturach pracy, a kolektory słoneczne cierpią z powodu niskiej egzergii.

Zabudowa szklarni elementami optycznymi

Badanie perspektyw dotyczących inteligentnych i słonecznych osłon szklarniowych ma istotne znaczenie dla rolnictwa komercyjnego, biorąc pod uwagę, że tradycyjne szklarnie opierały się na zewnętrznych źródłach energii i paliwach kopalnych w celu uzyskania oświetlenia, ogrzewania i wymuszonego chłodzenia. Obecnie duży nacisk kładzie się na rozwój zrównoważonych materiałów do zastosowań w rolnictwie, w tym biodegradowalnych tworzyw sztucznych. Wciąż brakuje jednak propozycji technologicznych w zakresie inteligentnych osłon, które mogą pełnić wiele funkcji, w tym regulację wewnętrznego mikroklimatu, ogólne zmniejszanie śladu węglowego i oczywiście wytwarzanie energii [A. Behzadi, Energy, 2020, 210, 118528]. Popularne systemy „sąsiedzkie”, gdzie moduły PV są montowane na sąsiednim budynku, takim jak budynek magazynowy lub nadbudówka również nie są efektywne z uwagi na potrzebę optymalizacji użytkowania gruntów i rozsądnego wykorzystania zasobów w rolnictwie komercyjnym. Dodatkowo coraz bardziej widoczny trend stosowania fotowoltaiki zintegrowanej z budynkiem (BIPV) jest znaczącym argumentem skłaniającym do stosowania elementów PV lub aktywnych optycznie we wspólnej konfiguracji ze szklarniami [B. Joseph, Int J Photoenergy, 2019, 5214150].

Integrowanie szklarni z modułami PV polega na wykorzystaniu wyprodukowanej energii elektrycznej do bieżącego kontrolowania wewnętrznego mikroklimatu lub obniżaniu kosztów operacyjnych np. związanych ze sztucznym oświetleniem czy podnoszeniem temperatury otoczenia podczas chłodniejszych dni i nocy [A. Shankar, J Building Eng, 2021, 43, 103080]. Należy jednak pamiętać, że moduły PV ograniczają dostęp promieni słonecznych, co wpływa na plony, tak więc istotne jest każdorazowe odnoszenie się do specyficznych wymagań dla poszczególnych roślin. W szklarniach wyposażonych
w moduły fotowoltaiczne odnotowano zmniejszenie plonów (< 25%) wśród roślin wymagających dużych ilości światła jak pomidor, ogórek, słodka papryka [M. Cossu, Eur J  Agron, 2020, 118, 126074]. Takie warunki są natomiast odpowiednie dla gatunków kwiatowych wymagających słabego oświetlenia. Wady nieprzezroczystych modułów fotowoltaicznych zwiększają zapotrzebowanie na przezroczyste lub półprzezroczyste moduły fotowoltaiczne do zastosowania w konstrukcji szklarniowej.

Alternatywne rozwiązania koncentrują się na braku absorbcji widma promieniowania aktywnego fotosyntetycznie (PAR – ang. Photosynthetically Active Radiation) obejmującego zakres długości fali od 400 do 700 nm [E. Ravishankar, Joule, 2020, 4(2), 490–506]. Nowe systemy fotowoltaiczne są projektowane w sposób optymalizujący wytwarzanie energii z wykorzystaniem innych widm promieniowania słonecznego. Z teoretycznego punktu widzenia współczynnik konwersji roślin (fotosyntezy)
i sprawność fotowoltaicznych materiałów do pokrycia szklarni można zoptymalizować poprzez modyfikację właściwości materiału takich jak przewodność elektryczna, właściwości optyczne, ekspozycja na promieniowanie słoneczne, ryzyko degradacji przez promieniowanie UV, domieszkowanie, modyfikacje strukturalne i chemiczne w nanoskali oraz modyfikacje powierzchni [C. Maraveas, Front Energy Res, 2021, 9, 783587].

Opracowano różne koncepcje PV w celu przyspieszenia komercyjnego zastosowania przezroczystych ogniw słonecznych, ale ich zakres wciąż jest ograniczony [E. Pulli, Energ Convers Manage, 2020, 219, 112982]. Jednym z problemów jest konieczność stosowania wielu dodatkowych warstw jak FTO, MoO3, TiO2, które nie są dopasowane optycznie, tzn. absorbują promieniowanie niezbędne dla wzrostu roślin. Innym problemem, jak w przypadku ogniw na bazie kropek kwantowych, jest ich żywotność czyli niewystarczająca stabilność, a przez to utrata wydajności szczególnie w procesie utleniania powierzchni indukowanego głównie przez ekspozycję na światło widzialne i UV [M. Albaladejo-Siguan, Adv Energ Mater, 2021, 11(12), 2003457]. Organiczne ogniwa słoneczne (OSC) jako półprzezroczyste materiały fotowoltaiczne są realną alternatywą dla poprzedniej grupy w zastosowaniach szklarniowych. Zarejestrowane parametry sprawności konwersji fotowoltaicznej i czynnika wzrostu roślin zaprezentowano w Tabeli 1.

Tabela 1. Porównanie sprawności konwersji fotowoltaicznej i czynnika wzrostu roślin
dla organicznych ogniw słonecznych zastosowanych w szklarni.

Sprawność konwersji fotowoltaicznej	Czynnik wzrostu roślin	Źródło
7,7 %	24,8 %	H. Shi, Adv Energ Mater, 2019, 9(5), 1803438
17 %	24,7 %	D. Wang, Joule, 2021, 5(4), 945–957
8 %	35 %	D.A. Chalkias, J Power Sourc, 2021, 496, 229842

Ciekawą obserwacją, wynikającą z prezentowanych badań jest to, że nie zawsze wydajność konwersji fotowoltaicznej ogniwa powinna być traktowana jako kluczowy parametr. Nowatorskie podejście autorów trzeciego ogniwa (Tabela 1) oparte na wymianie barwnika z konwencjonalnego rutenu na tańszą tri-fenyloaminę spowodowało zmniejszenie kosztu produkcji elektrolitu oraz osiągnięcie pożądanego poziomu przezroczystości optycznej. Okazało się, że słaba sprawność została uzupełniona wyższą wydajnością kwantową wynoszącą 85% w niebieskich i zielonych sekcjach widzialnego obszaru widma elektromagnetycznego, a więc w obszarze PAR. Tak więc dostosowanie właściwości ogniw często wiąże się z kompromisem między czynnikiem wzrostu roślin, sprawnością konwersji fotowoltaicznej, a wydajnością kwantową w widmie widzialnym. 

Potrzeba opracowania materiałów uzupełniających, poza ogniwami słonecznymi, doprowadziła do zastosowania luminescencyjnych koncentratorów słonecznych (LSC). Matryce LSC są ekonomicznymi i prostymi urządzeniami do pozyskiwania energii słonecznej, a dodatkowo są przyjazne dla środowiska. Jednocześnie koncentratory mogą wykazywać tzw. przesunięcie Stokesa, co oznacza, że zmienia się charakter widma wyemitowanego w stosunku do zaabsorbowanego. Podejście wykorzystujące inżynierię spektralną widma absorbancji koncentratorów pozwala na uzyskanie optymalnego zbierania światła (przepuszczalność PAR) i dopasowania widm absorpcyjnych fotoreceptorów w roślinach do widm transmisyjnych matryc LSC. Takimi zaawansowanymi rozwiązaniami zajmuje się polska firma HELIOENERGIA, która z powodzeniem implementuje matryce na bazie koncentratorów LSC w przestrzeni publicznej.