Wstęp

Alternatywne źródła energii stają się obecnie coraz bardziej znaczącym elementem systemów zasilania, nabierającym szczególnego znaczenia w czasie obecnego kryzysu energetycznego. Coraz częściej do wytwarzania energii elektrycznej wykorzystywane jest promieniowanie słoneczne docierające do powierzchni Ziemi. Zajmuje się tym fotowoltaika będąca jedną z technologii nowoczesnego i sprzyjającego środowisku pozyskiwania energii elektrycznej, wykorzystującą zjawisko przetwarzania promieniowania słonecznego w prąd elektryczny zachodzące w ogniwie fotowoltaicznym. Metoda jest znana od wielu lat, a baterie fotowoltaiczne możemy spotkać w różnych zastosowaniach militarnych i cywilnych. . Niestety metoda nie jest jeszcze w pełni wykorzystywana
w Siłach Zbrojnych RP. Jedną z pierwszych prób zastosowania baterii fotowoltaicznych w polskiej armii podjął Wojskowy Instytut Techniki Inżynieryjnej w konsorcjum z Instytutem Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN oraz Wojskowymi Zakładami Łączności Nr 2 S.A. W wyniku zrealizowanego projektu rozwojowego finansowanego przez NCBiR powstało szereg prototypów urządzeń, a wśród nich najważniejszy - polowa elektrownia słoneczna o mocy 1 kW [1] [6] zawierająca baterię dziesięciu  paneli 100W wykonanych  z krzemowych  ogniw monokrystalicznych.
Współczesne ogniwa słoneczne wytwarzane są głównie na bazie krzemu krystalicznego (mono
i polikrystalicznego). W ostatnich latach następował jednak intensywny rozwój nowych technologii fotowoltaicznych [2]. Wśród nich należy wyróżnić ogniwa cienkowarstwowe CIS, CIGS, CdTe, jak również DSSC i polimerowe, zaletą których jest elastyczność wykonanych z nich paneli, a także mniejsza masa [3]. Niestety sprawność takich ogniw jest wciąż niższa w stosunku do standardowych ogniw krzemowych. Głównym czynnikiem warunkującym możliwości zastosowania baterii fotowoltaicznych w danym systemie dla potrzeb wojska jest jego sprawność, wynikająca
z parametrów energetycznych ogniw fotowoltaicznych. W przypadku techniki wojskowej możliwość zastosowania systemów fotowoltaicznych wymusza spełnienie również innych znaczących wymagań, m.in. maskowania, odporności na warunki środowiskowe, gabarytów. W związku z powyższymi oczekiwaniami wydaje się słusznym dążenie do zastosowania formy pośredniej cechującej się zarówno właściwościami elastycznymi jak i wydajnością na wysokim poziomie. Oczekiwania w tym zakresie mogą spełnić elastyczne baterie fotowoltaiczne firmy SOLBIAN [4] oraz prototypowe mozaikowe quasi-elastyczne baterie fotowoltaiczne wyprodukowane w laboratorium Instytutu Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN w Krakowie.

Elastyczne panele fotowoltaiczne firmy Solbian

W wyniku przeprowadzenia wstępnych analiz przydatności paneli fotowoltaicznych do zastosowań militarnych, wybrane zostały dwa typoszeregi: seria SP oraz SX. Seria SP wykonana jest w oparciu o monokrystaliczne krzemowe ogniwa z tylnym kontaktem  produkcji firmy SUNPOWER. Producent deklaruje sprawność pojedynczego ogniwa większą od 22.5 %. Jest wynik bardzo dobry, gdyż standardowe, najbardziej popularne na rynku panele fotowoltaiczne wykonywane są w oparciu
o ogniwa o sprawności na poziomie 18 %. Na bazie ogniw z tylnym kontaktem firma SOLBIAN wykonuje elastyczne panele fotowoltaiczne serii SP. Przykładowe panele tej serii są przedstawione na rys. 1. 

 

 Rys.1. Panele fotowoltaiczne serii SP [4].
Fig.1 Photovoltaic panels – SP series

     Do przeprowadzenia badań wybrany został elastyczny panel SP – 100 jako najbardziej przydatny w zastosowaniach militarnych.
Jako drugą wytypowano serię SX paneli fotowoltaicznych, która należy również do rozwiązań bardzo nowoczesnych. Panele te są wykonane z monokrystalicznych ogniw krzemowych, w których przedni kontakt stanowi siatka przewodząca (w standardowych panelach jest to kontakt wykonany metodą sitodruku). Deklarowana przez producenta sprawność pojedynczego ogniwa wynosi ponad 19 %. Przykładowe panele tej serii są przedstawione na rys. 2.

 

 Rys.2. Panele fotowoltaiczne serii SX [4].
Fig.2 Photovoltaic panels – SX series

Wygląd pojedynczego ogniwa z których zbudowane są elastyczne panele serii SX jest przedstawiony na rysunku 3.

Rys.3. Pojedyncze ogniwo serii SX [4].
Fig.3 Singe cell in the  SP series

Do przeprowadzenia badań wytypowany został panel SX – 72L jako najbardziej przydatny w zastosowaniach militarnych.

 

Badania paneli fotowoltaicznych firmy Solbian

Przedstawione w artykule badania (faza wstępna) zostały ograniczone tylko do pomiarów sprawności, ponieważ jest to jeden z najbardziej istotnych parametrów warunkujących zastosowanie paneli w technice wojskowej. Badania zostały przeprowadzone w laboratorium WITI z wykorzystaniem następującej aparatury:

  • Urządzenie SOLARBOX – wykonanie własne WITI
  • Miernik natężenia promieniowania słonecznego LB-900
  • Obciążenie – ARRAY 3711A DC; 0-360 V/360 W

 

Rys.4. SOLARBOX w laboratorium WITI.
Fig.4 SOLARBOX in WITI laboratory.

Pierwszy badany był panel SP – 100 (powierzchnia czynna 0,5 m2). Wyniki badań sprawności w funkcji obciążenia przedstawia poniższa tabela

Tabela 1. Wyniki badań sprawności panelu SP – 100.
Table 1. Efficiency test result of the SP – 100 panel.

Uzyskana maksymalna sprawność 19% przy mocy 95 W
Deklarowana przez producenta sprawność nowych paneli wynosi ponad 20 % co jest możliwe do obliczenia na podstawie danych zawartych w poniżej tabeli (uzyskana moc 102 W przy oświetleniu 1000 W/m2)

 Tabela 2. Dane techniczne paneli serii SP [4].
Tabela 2. Specification of the SP panel series [4].

Następnie badany był panel SX – 72L (powierzchnia czynna 0,36 m2). Wyniki badań sprawności w funkcji obciążenia przedstawia poniższa tabela

  Tabela 3. Wyniki badań sprawności panelu SX – 72L.
Table 3. Efficiency test result of the SX –72L  panel.

Uzyskana sprawność 17,4% przy mocy 62,49 W
Deklarowana przez producenta sprawność nowych paneli wynosi ponad 20 % co jest możliwe do obliczenia na podstawie danych zawartych w poniżej tabeli (uzyskana moc 72 W przy oświetleniu 1000 W/m2).

Tabela 4. Dane techniczne paneli serii SX [4].
Table 4. Specification of the SX panel series [4]

      Przedmiotem badań były panele używane, daletego też uzyskane wyniki są niższe od deklarowanych. Może mieć również wpływ zastosowanie innej aparatury badawczej, mało liczna próka pomiarowa oraz sam sposób pomiaru. Analizując otrzymane wyniki należy stwierdzić, że o ile w przypadku paneli serii SP  wyniki otrzymane są zgodne z oczekiwaniami i deklaracjami producenta, to w przypadku paneli serii SX deklaracje są zbyt optymistyczne, gdyż bardzo rzadko się zdarza aby panel osiągał wyższą sprawność od pojedynczego ogniwa (straty na laminacji oraz wpływ dodatkowych połaczeń). Nie mniej jednak odnosząc się do otrzymanych wyników badania serii SX, otrzymana sprawność panelu jest nieznacznie niższa od sprawności ogniwa co potwierdza powyższą uwagę.
      W perspektywie planuje się wykonanie badań środowiskowych oraz wpływu narażeń mechanicznych.  Próbę ugięcia panelu przedstawia poniższy rysunek. Oczywiście nie można tego uznać jako badanie, ale takie zobrazowanie daje pogląd o elastyczności panelu wykonanego
z monokrystalicznych ogniw krzemowych  (bardzo kruchych i delikatnych).

Rys.5. Próba zginania panelu SP-100 w laboratorium WITI.
Fig.5. SP-100 panel bending test in WITI laboratory.

 

Prototypowe mozaikowe quasi- elastyczne baterie słoneczne

O potrzebie wykorzystania elastycznych ogniw słonecznych w Siłach Zbrojnych RP niech świadczy również koncepcja dotycząca mozaikowych quasi-elastycznych baterii słonecznych, w ramach której zaplanowano wykonanie dwóch demonstratorów technologii: quasi-elastyczna bateria w formie maty, na której rozmieszczone będą mini ogniwa fotowoltaiczne tworzące wraz z połączeniami skalowaną mozaikę [5]. Możliwe będzie rolowanie, nawijanie na specjalny bęben oraz odcięcie maty oraz elastycznej taśmy, Uzyskanie wymaganej długości będzie realizowane poprzez odłączanie bądź odcięcie danej ilości jednakowych modułów PV, z których każdy będzie mógł pracować niezależnie.
Wstępną koncepcję demonstratorów przedstawia rysunek 6.


Rys.6. Przykładowy wygląd demonstratora technologii w postaci quasi-elastycznej taśmy sygnalizacyjnej oraz quasi-elastycznej maty PV [5].
Fig.6. Example of a demonstrator model in the form of a semi-flexible signal tape and a semi-flexible PV mat [5].

      Nie ulega wątpliwości, że w obszarze energetyki potencjał aplikacyjny przedkładanej koncepcji jest
w zasadzie nieograniczony. Baterie fotowoltaiczne w formie elastycznej, będą konkurowały, a nawet odnosiły przewagę nad standardowymi panelami solarnymi wszędzie tam gdzie zależy na zmniejszeniu ciężaru, nadaniu elastyczności poprzez zastosowanie giętkiego materiału oraz uzyskania możliwości dzielenia baterii według potrzeb. Na dzień dzisiejszy wykonano w laboratorium Instytutu Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN odcinek maty fotowoltaicznej o kilkunastoprocentowej sprawności.

Podsumowanie

     W wyniku przeprowadzonej analizy należy stwierdzić, że jest celowe i możliwe zastosowanie elastycznych baterii słonecznych w Siłach Zbrojnych RP. Jest to szczególnie istotne w związku z wprowadzaniem w wojsku oszczędnych technologii. Opinia ta jest zgodna z dokumentem „Priorytetowe kierunki badań w resorcie obrony narodowej na lata 2013 – 2022” w zakresie przełomowych technologii (technologie fotowoltaiczne). Potwierdzają to również wykonane w WITI, przy współudziale IMIM PAN oraz WZŁ nr 2 S.A. demonstratory technologii fotowoltaicznej w ramach projektu ministerialnego pod nazwą: „Specjalne systemy fotowoltaiczne do zastosowania w siłach zbrojnych RP”. Mając na uwadze powyższe, w WITI oraz w IMIM PAN będą prowadzone dalsze badania paneli firmy SOLBIAN, jak również innych dostępnych na rynku elastycznych baterii fotowoltaicznych. Niezależnie prowadzone będą własne prace mające na celu wykonanie prototypów elastycznych paneli wraz z opracowaniem technologii procesów produkcyjnych na bazie własnych rozwiązań z zakresu elastycznych krzemowych baterii fotowoltaicznych. Według naszych przewidywań wybrane rozwiązania powinny znaleźć zastosowanie podczas działań bojowych nie tylko na obszarach o dużym nasłonecznieniu lub niewyposażonych w bogatą strukturę sieci energetycznych ale także w każdej sytuacji gdzie zależy nam na jak najdłuższym przetrwaniu na polu walki (dotyczy to zarówno pojedynczego żołnierza jak i systemów bezzałogowych).
     Konkludując, posiadanie technologii „quasi-elastycznej” spowoduje zwiększenie zainteresowania na produkcję tego typu elementów jak również zwiększenie ilości konsumentów i to nie tylko w zakresie produkcji specjalnej ale również powszechnego użytku.

 

Bibliografia

[1] Maleczek St. J., Malicki W., Stoga D. Specjalne systemy fotowoltaiczne do zastosowania w siłach zbrojnych RP - realizacja wniosku rozwojowego, Elektronika-konstrukcje, technologie zastosowania, 2011/4
[2] Razykov T.M., Ferekides C.S., Solar photovoltaic electricity: Current status and future prospects, Solar Energy, Volume 85, Issue 8, 2011, s.1580-1608
[3] Dimmler B, Wächter R, Manufacturing and application of CIS solar modules, Thin Solid Films, Volume 515, Issue 15, 31 2007, s. 5973-5978
[4] Materiały reklamowe firmy SOLBIAN
[5] Drabczyk K., Maleczek St. J., Stoga D., Koncepcja quasi-elastycznych mozaikowych baterii słonecznych
[6] Maleczek S., Zastosowanie baterii słonecznych w Siłach Zbrojnych RP, Inżynieria Wojskowa – problem i perspektywy, WSOWL, Wrocław, 2008.