Jak zapylenie wpływa na wydajność instalacji PV? Czy pył znad Sahary ogranicza produkcję energii?

• Pyły na pierwszy rzut oka mogą się wydawać takie same, ale badania wskazują na znaczne różnice w ich budowie w zależności od miejsca pochodzenia.
• W serii badań nad wpływem pyłu na wydajność PV zostały wykorzystane 4 moduły fotowoltaiczne.
• Realny wpływ pyłu na produkcję z PV jest mniejszy o blisko 15% niż zakładają obecne metody prognozowania.

Na pierwszy rzut oka takie same, a jednak wykazują znaczne różnice – pyły osadzające się na modułach fotowoltaicznych

Niemieccy specjaliści z Anhalt opublikowali w ostatnim czasie wyniki swojego badania, które dotyczyło rozpoznania wpływu różnych typów pyłu na moduły fotowoltaiczne. W tym celu naukowcy wybrali się do Kataru, Tajlandii oraz Maroka, aby pobrać z tych państw pył o różnych właściwościach. Następnie wyróżniono 4 typy pyłu – Katarski i Marokański z terenów zurbanizowanych, a także dwa rodzaje z Tajlandii, jeden z okolic pól ryżowych (Thai 297) oraz drugi z okolic pól kukurydzy (Thai 274). 

Zdjęcia poszczególnych drobinek różnych rodzajów pyłu. Źródło: Impact of Different Types of Dust on Solar Glass Transmittance and PV Module Performance

Różnice między poszczególnymi rodzajami pyłu dotyczyły kilku parametrów. Pierwszym z nich była wielkość i kształt drobinek. Odmiana z Kataru charakteryzowała się dużymi rozmiarami i bulwiastym kształtem. Pył z Tajlandii posiada nieco mniejsze frakcje, a same drobinki posiadają bardziej kanciaste kształty i ostrzejsze boki. Warto przy tym zauważyć, że pył z okolic pól kukurydzy, choć składa się z wielu sporych fragmentów, to jednocześnie mocno się kruszy, pozostawiając bardzo małe drobinki wokół większych ziaren. Ostatecznie najdrobniejszy pył pochodzi z Maroka. Tworzą go małe, okrągłe lub owalne drobinki.

Znaczne różnice występują również w przypadku składu mineralnego pyłu, w którym wykryto bardzo wiele różnego typu substancji. W przypadku próbek z Kataru dominował kalcyt, który wzbogacały niewielkie ilości dolomitu, gipsu oraz śladowe ilości kwarcu, co jest wyjątkowym wynikiem pośród innych pyłów, których głównym składnikiem był właśnie kwarc. Kalcyt stanowił w przypadku innych próbek małe lub nawet śladowe ilości, podobnie jak dolomit, którego wcale nie stwierdzono w przypadku Tajskiego pyłu z pól ryżowych. Gips został natomiast zidentyfikowany jedynie w przypadku pyłu z Kataru i pól ryżowych w Tajlandii. 

Udział minerałów wchodzących w skład budowy drobinki poszczególnych rodzajów pyłu. Źródło: Impact of Different Types of Dust on Solar Glass Transmittance and PV Module Performance

W jaki sposób prowadzono badania?

Obiektami testowymi, jakich użyto do badania, było 12 szyb wykorzystywanych w modułach fotowoltaicznych, a także 4 mini moduły, po jednym na każdy rodzaj pyłu. Każdy z badanych obiektów wykorzystywano wielokrotnie, a między poszczególnymi testami przemywano je wodą. Każdy test prowadzono w warunkach 60% wilgotności oraz przy temperaturze 22°C. Parametry te są mocno zbliżone do standardowych warunków występujących w trakcie lata w krajach takich jak Polska.

Badania obejmowały monitorowanie pracy modułów w zależności od stopnia pokrycia pyłem, który wynosił między 4% a 60%. Celem było wyznaczenie nachylenia prostej średniego spadku wydajności urządzeń wraz z zwiększającym się pokryciem pyłem. Pył o różnych frakcjach i właściwościach według założeń teoretycznych ma w zróżnicowany sposób obniżać wydajność modułów. Przed przeprowadzeniem badań obliczono jakie może być spodziewane nachylenie prostych reprezentujących średni spadek wydajności. 

Wyniki nie przyniosły większych zaskoczeń, ale i tak są bardzo cenne dla branży

Wstępne obliczenia wskazywały na to, że największy wpływ na obniżenie wydajności modułów PV będzie miał pył typu Thai 297, pochodzący z okolic pól ryżowych. Pomiary wykonane w trakcie testów potwierdziły wyniki obliczeń, ale okazało się, że w rzeczywistości wpływ pyłu jest mniej dotkliwy niż wstępnie zakładano. Spadek wydajności w modelu obliczeniowym był o około 15% wyższy niż wykazało to badanie. 

W rzeczywistości najbardziej niekorzystny dla modułów pył Thai 297 powoduje spadek wydajności o 5,9% na każde 10% pokrycia modułu. Oznacza to, że spadek ten przy 20% pokrycia wynosi już 11,8%, przy 30% pokrycia sięga 17,7% i tak dalej. Co ważne, tendencja spadku przyjmuje liniowy charakter, co również przewidziano przed wykonaniem testów. 

Liniowość dotyczy wszystkich rodzajów pyłów podobnie jak to, że każdy z nich okazał się mieć nieco mniejszy wpływ na moduły, niż sugerowały to wstępne obliczenia. Analogicznie do pyłu Thai 297, wszystkie inne rodzaje pyłów notowały niższy rzeczywisty wpływ na wydajność paneli o około 15%% względem obliczonego. Specjalistów zaskoczyło jednak, że najmniejsze obniżenie wydajności produkcji paneli PV wykazał pył pochodzący z Kataru, a więc posiadający największą frakcję. Każde kolejne 10% pokrycia modułu pyłem tego typu prowadziło do spadku mocy o zaledwie 4%, gdzie pył z Maroka osiągnął wynik 4,2%, a pył Thai 274 (z pól kukurydzy) 4,3%. 

Wyniki sugerują więc, że im większe są drobinki pyłu, tym mniej wpływa on na wydajność modułu PV, choć to nie wszystko. Pył Thai 297, choć posiadał małą frakcję, to odmiana z Maroka była jeszcze drobniejsza, a jej wpływ na moduł był mniejszy. Powodu można doszukiwać się w budowie drobinki pyłu, gdzie Thai 297 posiadał najbardziej zróżnicowany skład mineralny. Choć dominował w nim kwarc, wiele innych minerałów również grało znaczącą rolę w budowie drobiny. W tym można zwrócić uwagę na Ortoklaz, który występował praktycznie tylko w tym rodzaju pyłu. 

Eksperci z Anhalt wykazali, że standardowe metody szacowania wpływu pokrycia na wydajność modułów PV wiążą się przewyższeniem wpływu poszczególnych rodzajów pyłów o około 15%. Przeprowadzone testy mogą wobec tego pomóc w udoskonaleniu metod wyznaczania strat wydajności wskutek pokrycia pyłem o konkretnych właściwościach i budowie. 

Źródło: Impact of Different Types of Dust on Solar Glass Transmittance and PV Module Performance