Panele fotowoltaiczne jedne nad drugimi. Włoscy naukowcy testują dwuwarstwową instalację PV

Mniej gruntu, więcej mocy - odwieczny dylemat inwestorów PV

Każdy, kto planował budowę farmy fotowoltaicznej, zna ten problem: ceny modułów systematycznie spadają, ale koszty gruntu, konstrukcji wsporczych, montażu i przyłączenia do sieci wcale nie maleją w tym samym tempie. To sprawia, że o opłacalności projektu decyduje dziś coraz częściej nie sam panel, lecz to, ile energii uda się wycisnąć z każdego metra kwadratowego terenu. Systemy nadążne, które zwiększają uzysk z pojedynczego kilowata, mają swoją cenę - wymagają większych odstępów między rzędami modułów, by jeden rząd nie zacieniał drugiego. W rezultacie na tej samej działce mieści się mniej zainstalowanej mocy niż w przypadku instalacji stacjonarnych.

Naukowcy z Mediterranea University of Reggio Calabria wraz z włoskim startupem AMPS postanowili rozwiązać ten problem inaczej niż dotychczas - zamiast kombinować z rozstawem paneli w poziomie, sięgnęli po przestrzeń w pionie. Efektem jest prototyp instalacji złożonej z dwóch nałożonych na siebie warstw modułów bifacjalnych, które poruszają się niezależnie od siebie.

Jak zbudowano piętrową instalację fotowoltaiczną

Testowy układ składał się z 12 niewielkich modułów bifacjalnych wykonanych w technologii TOPCon, ułożonych po sześć sztuk w dwóch poziomach. Obie warstwy mogły obracać się niezależnie wokół własnej osi, a dzieliło je zaledwie 25 centymetrów odstępu. Taka kompaktowa konstrukcja umożliwiła dokładne sprawdzenie, w jaki sposób górna warstwa zacienia dolną przy różnych ustawieniach pracy.

Sam pomysł jest intuicyjny: na powierzchni gruntu, którą normalnie zajmuje pojedyncza instalacja, udało się zmieścić dwukrotnie więcej aktywnej powierzchni paneli. To jednak nie oznacza automatycznie podwojenia produkcji energii, bo górna warstwa z definicji rzuca cień na dolną. Dlatego kluczem całej koncepcji stało się inteligentne sterowanie ustawieniem obu warstw tak, by jak najlepiej wykorzystać promieniowanie bezpośrednie, rozproszone i odbite, przy jednoczesnym ograniczeniu strat wynikających z wzajemnego zacienienia.

Co pokazały testy - różnice sięgające kilkudziesięciu procent

Badacze sprawdzili trzy warianty pracy systemu. Najlepszy rezultat osiągnięto wtedy, gdy dolna warstwa pozostawała nieruchoma, a górna aktywnie śledziła ruch słońca. W takim ustawieniu skumulowany prąd zwarciowy (Isc) był o około 27 procent wyższy niż w instalacji referencyjnej - pojedynczej warstwie modułów bifacjalnych zajmującej identyczną powierzchnię gruntu. W zestawieniu z klasyczną instalacją monofacjalną różnica wyniosła aż 42 procent.

Zaskakujące jest to, że nawet najprostszy wariant, w którym obie warstwy ustawiono pionowo bez żadnego śledzenia słońca, dał wynik lepszy o 14 procent względem pojedynczej warstwy bifacjalnej i o 28 procent względem instalacji monofacjalnej. Oznacza to, że samo piętrowe ułożenie modułów przynosi korzyści jeszcze przed włączeniem jakiejkolwiek automatyki.

Co to oznacza w praktyce - i czego jeszcze nie wiadomo

Zanim ktokolwiek zacznie planować inwestycję w dwupiętrową fotowoltaikę, warto podkreślić jedno kluczowe zastrzeżenie: badacze mierzyli prąd zwarciowy, a więc parametr opisujący reakcję optyczno-elektryczną paneli, a nie realną produkcję energii liczoną w kilowatogodzinach. Sami autorzy badania przyznają, że pomiary nie uwzględniały m.in. wpływu temperatury pracy modułów, zmienności współczynnika wypełnienia charakterystyki prądowo-napięciowej ani zachowania układów MPPT, które w realnych instalacjach mają istotne znaczenie dla końcowego uzysku energii.

• Eksperyment przeprowadzono na jednym, zminiaturyzowanym prototypie, w jednej lokalizacji
• Pomiary trwały krótko - od sierpnia do września 2025 roku
• Testy prowadzono niemal wyłącznie przy bezchmurnym niebie
• Mini-moduły nie odzwierciedlały w pełni budowy modułów komercyjnych - brakowało im m.in. typowych diod bypass i standardowego podziału elektrycznego stosowanego w produktach rynkowych

Dalsze kroki: od laboratorium do pierwszych instalacji pilotażowych

Zespół AMPS zapowiada kolejny etap prac: dłuższe kampanie pomiarowe obejmujące różne warunki pogodowe, testy na pełnowymiarowych modułach oraz pierwsze wdrożenia pilotażowe. Naukowcy chcą też sprawdzić, co się stanie, gdy obie warstwy będą sterowane jednocześnie i dynamicznie, a nie tylko jedna z nich.

Wśród możliwych zastosowań technologii wymienia się:

• duże farmy fotowoltaiczne, gdzie liczy się maksymalna gęstość mocy na hektar
• kompaktowe systemy plug-and-play dla gospodarstw domowych i małych firm
• agrofotowoltaikę, w której sterowanie transmisją światła mogłoby jednocześnie wspierać produkcję energii i warunki uprawy roślin pod panelami

Rozważane jest także wykorzystanie algorytmów sztucznej inteligencji do optymalizacji trybu śledzenia słońca i zarządzania wzajemnym zacienieniem obu warstw. Co istotne, koncepcja nie jest przywiązana do jednej technologii ogniw - w przyszłości mogłaby zostać wdrożona nie tylko z klasycznymi ogniwami krzemowymi, ale też z perowskitami czy strukturami tandemowymi, które cieszą się rosnącym zainteresowaniem branży PV.

Zanim jednak dwupiętrowa fotowoltaika trafi na rynek jako realna opcja inwestycyjna, potrzebne są pełnoskalowe wdrożenia, wieloletnie pomiary rzeczywistej produkcji energii oraz rzetelna analiza ekonomiczna uwzględniająca dodatkowy koszt budowy i utrzymania drugiej, aktywnej warstwy modułów.