Μελέτη της επίδρασης αυτοκαθαριζόμενης επίστρωσης στη λειτουργία φωτοβολταϊκών πλαισίων

Abstract

Η παρούσα διπλωματική παρουσιάζει έναν εναλλακτικό τρόπο συντήρησης των φ/β πλαισίων, όσον αφορά τον καθαρισμό των επιφανειών τους, μέσω μιας αυτοκαθαριζόμενης επίστρωσης. Η αυτοκαθαριζόμενη επίστρωση είναι ένα εμπορικό προϊόν (SurfaShield G) της εταιρείας NanoPhos A.E. Πρόκειται για μια ανόργανη νανοδομημένη επίστρωση που δένει χημικά στο υπόστρωμα (γυάλινη επιφάνεια). Αποτελείται από μίγμα οξειδίων μετάλλων (κυρίως TiO2) και το πάχος της είναι της τάξης των 150 nm. Εναποτίθεται σε γυάλινες επιφάνειες με ειδικό ψεκαστικό. Η επίστρωση μετατρέπει την γυάλινη επιφάνεια σε αντιστατική, αντιανακλαστική (κατά 3% σε σχέση με το απλό γυαλί), υπερυδρόφιλη (γωνία επαφής ίση με 5ο), και την απαλλάσσει από οργανικούς ρύπους μέσω του φωτοκαταλυτικού φαινομένου. Αρχικά, έγινε προσπάθεια ενίσχυσης α) της ανακλαστικότητας της επίστρωσης στο υπέρυθρο, καθώς είναι μια μορφή ακτινοβολίας που δεν εκμεταλλεύεται το φ/β, και β) της αντιστατικότητας. Εξετάστηκε η προσθήκη των ουσιών SnO2 και ZrSiO4 που εμφανίζουν ανακλαστικότητα στο υπέρυθρο και εξετάστηκαν τρία εμπορικά προϊόντα που διατίθενται ως αντιστατικά και περιέχουν διάφορα οξείδια μετάλλων. Οι παραπάνω προσπάθειες δεν οδήγησαν σε θετικό αποτέλεσμα διότι στην πρώτη περίπτωση, μετά την προσθήκη των δύο παραπάνω ουσιών, η επίστρωση εμφάνιζε αυξημένη ανακλαστικότητα όχι μόνο στην περιοχή του υπερύθρου αλλά και του ορατού. Στη δεύτερη περίπτωση, η επίστρωση έπειτα από την προσθήκη του ενός εμπορικού αντιστατικού προϊόντος εμφάνιζε καλύτερη συμπεριφορά έναντι της σκόνης αλλά δεν επελέγη γιατί μείωνε τη διαπερατότητα της επιφάνειας. Τα άλλα δύο αντιστατικά εμπορικά προϊόντα δεν ήταν συμβατά με το διάλυμα του αρχικού προϊόντος. Στη συνέχεια, εγκαταστάθηκαν δύο πανομοιότυπα φ/β πλαίσια στο Τεχνολογικό Πολιτιστικό Πάρκο του Λαυρίου και αφού αφέθηκαν να λειτουργούν επί 2 μήνες περίπου (15/03/12-31/05/12), εφαρμόσθηκε η επίστρωση την 1η Ιουνίου 2012 στην επιφάνεια του ενός πλαισίου ενώ η επιφάνεια του άλλου πλαισίου παρέμεινε χωρίς τροποποίηση. Από την 1η Ιουνίου μέχρι την 21η Δεκεμβρίου 2012 έγινε σύγκριση της ημερήσιας παραγόμενης ισχύος των δύο πλαισίων. Από τη σύγκριση, προέκυψε ότι το πλαίσιο που είχε την επίστρωση εμφάνιζε υπεροχή στην παραγωγή ισχύος έναντι του μη τροποποιημένου (περίπου 4%). Αυτό διαπιστώθηκε ότι οφειλόταν στην αυτοκαθαριζόμενη ιδιότητα της επίστρωσης (καλύτερη συμπεριφορά στην επίδραση της σκόνης), στην αύξηση της διαπερατότητας της επιφάνειας του τροποποιημένου πλαισίου χωρίς την ύπαρξη σκόνης και στην υπερυδροφιλικότητα της επιφάνειας. Επιπλέον, από την μελέτη προέκυψε ότι το τροποποιημένο πλαίσιο εμφάνιζε μεγαλύτερη παραγωγή ισχύος από το μη τροποποιημένο όταν λειτουργούσαν με τη διάχυτη ακτινοβολία (συννεφιά, πρωινές και απογευματινές ώρες). Τέλος, πραγματοποιήθηκε μια οικονομοτεχνική μελέτη. Έγινε σύγκριση δύο φ/β συστημάτων, εκ των οποίων το ένα είχε την επίστρωση στην επιφάνειά του ενώ το άλλο όχι. Με δεδομένο ότι το σύστημα που είχε την επίστρωση παρουσιάζει μια αύξηση 4% της ετήσιας παραγόμενης ενέργειας (αποτέλεσμα της πειραματικής μελέτης που διεξήχθη) προέκυψε ότι η ΚΠΑ σ’ όλο το χρόνο ζωής των συστημάτων (25 έτη) είναι 18,08 €/m2. Επίσης, η απόσβεση του συστήματος που έχει την επίστρωση θα γίνει ένα χρόνο νωρίτερα. Τέλος, υπολογίστηκε ότι η απόσβεση του προϊόντος (επίστρωσης) είναι 10 μήνες.

Ιn this diploma thesis is presented an alternative way of maintaining photovoltaics (PV), with regard to the cleaning of their surfaces, by means of a self-cleaning coating. The self-cleaning coating is a commercial product (SurfaShield G) of the company NanoPhos S.A. It is an inorganic, nanostructured coating that binds chemically to the substrate (glass surface). It consists of a mixture of metal oxides (mainly of TiO2) and its thickness is about 150 nm. The coating is applied on glass surfaces with a special spray and it converts them into antistatic, antireflective (by 3%, compared with plain glass) and superhydrophilic surfaces (contact angle of 5ο). Moreover, it removes organic pollutants away from them via the photocatalytic effect. Initially, an attempt was made to enhance a) the reflectivity of the coating in the infrared radiation (IR), since it is a form of radiation not utilized by the photovoltaic cells, and b) its antistatic property. Substances like SnO2 and ZrSiO4 (exhibiting reflectivity in IR) had been added and three commercial antistatic products had been tested (they contain various metal oxides). These efforts were not finally successful: In the first case, after the addition of these two substances, the coating showed increased reflectivity not only in the IR but also in the visible light. In the second case, the coating, after the addition of the first commercial product, had a better antistatic behavior but it reduced the transmittance of the surface it was applied to. The other two antistatic commercial products were not compatible with the solution of the first product. Following these attempts, two identical PV panels were installed in the Technological Park of Lavrio and after being left to operate for about 2 months (03/15/12 to 05/31/12), the coating was applied on the surface of one of them at 1st June 2012, while the other one remained untreated. From June 1st until December 21st 2012 the daily output power of the two panels was compared. The comparison showed that the treated panel had superiority in power production over the untreated panel (about 4%). This was attributed to the self-cleaning property of the coating (better behavior against the effect of dust), to the increasing of the transmittance of the surface without having taken apart the effect of dust and to the superhydrophilicity of the surface. Moreover, the study showed that the treated panel produced higher power than the untreated one, when they operated under conditions of diffuse radiation (cloudness, morning and afternoon hours). Finally, an economical study was made regarding the comparison of two PV systems. It was based on the experimental finding that one of the systems, that has the coating on its surface (treated system), exhibits a 4% increase in the annual energy production. It was found that the NPV during the whole lifetime of the system (25 years) is 18.08 €/m2. Also, the depreciation of the treated system will be completed a year earlier than the untreated one. Furthermore, the depreciation time of the product (coating) was estimated to be about 10 months.