Tarımsal Fotovoltaik (Agrivoltaics) İçin Gelişmiş Spektral Filtreleme: UNSW'den Yenilikçi Güneş Modülleri

Avustralya'daki New South Wales Üniversitesi (UNSW) bünyesindeki araştırmacılar, tarımsal fotovoltaik (agrivoltaics) uygulamaları için spektral olarak seçici, yarı saydam kristal silikon (c-Si) güneş modülleri geliştirdi. Mevcut yarı saydam fotovoltaik modüller, bitkilerin fotosentez yapabilmesi için yeterli ışık geçişini sağlamak amacıyla opak c-Si güneş hücreleri arasına boşluklar bırakarak tasarlanıyor. Ancak, bitkilerin fotosentez için kullandığı ve Fotonik Aktif Işıma (PAR) olarak adlandırılan spektrumun yalnızca belirli bir bölümünü (yaklaşık 400-700 nm) kullandığı biliniyor. Mevcut teknolojiler, bitkilerin ihtiyacı olmayan ve hücreler tarafından elektriğe dönüştürülebilecek spektrumun büyük bir kısmını, özellikle de c-Si hücrelerinin verimli bir şekilde elektriğe çevirdiği yakın kızılötesi (NIR) dalga boylarını da geçiriyor.

Spektral Seçicilikle Verimlilik Artışı

UNSW'nin yenilikçi yaklaşımı, hücreler arasındaki boşluklara spektral seçici optikler yerleştirmek üzerine kurulu. Bu entegre optikler, NIR ışığını elektrik üretimi için c-Si hücrelerine yönlendirirken, PAR'ın büyük bir bölümünün bitkilere ulaşmasını sağlıyor. Bu çözüm, inşaat sektöründe kullanılan büyük alanlı dikroik teknolojisi ile fotovoltaik modül montajında kullanılan üretim tekniklerini akıllıca birleştiriyor. Modül, TOPCon güneş hücrelerini ve çift cam mimarisi içine gömülü bir dağıtılmış Bragg reflektörünü (DBR) kullanıyor. DBR'ler, farklı kırılma indislerine sahip katmanların dönüşümlü olarak yerleştirilmesiyle oluşturulan yüksek verimli optik aynalardır.

NIR Işığının Yönetimi ve Performans Değerlendirmesi

DBR'ler, hassas katman kalınlığı mühendisliği sayesinde belirli dalga boyu aralıklarında %99,9'un üzerinde yansıtma oranına ulaşabiliyor. Araştırmacılar, gümüş-dielektrik kaplamalar ve çok katmanlı polimer filmler olmak üzere iki ticari DBR teknolojisini değerlendirmişlerdir. Çok katmanlı polimer filmlerin, daha yüksek NIR yansıtması, ihmal edilebilir optik emilimi ve daha keskin spektral seçicilik sunması, bu modül konsepti için özellikle cazip bulunmuştur. Modül ayrıca, gelen güneş ışığını merkezi bir bölgeye yönlendiren açılı yansıtıcı yapılardan oluşan v-oluklu düzlemsel konsantratörlerden yararlanıyor. Bu açılı yüzeyler, NIR ışığını toplam iç yansıma (TIR) sağlayacak açılarla cam alt tabakaya yönlendirerek ışığın modül içinde hapsolmasını sağlıyor. Araştırmacılar, Avustralya'daki üç farklı lokasyon için yaptıkları simülasyonlarda, doğrudan ışınım altında önerilen modülün, geleneksel yarı saydam bir PV modülüne kıyasla %34'lük bir elektrik çıktısı artışı sağladığını ve aynı zamanda yüksek PAR iletimini koruduğunu göstermiştir. Tasarımın, bitkiler için PAR'ı verimli bir şekilde iletirken, NIR ışığını fotovoltaik hücrelere yönlendirerek elektrik üretimine katkı sağladığı belirtiliyor. Simülasyonlar, %50 hücre kaplamalı bir modül için yıllık kısa devre akımının yaklaşık %23-27 arttığını, %38 kaplamalı bir tasarımın ise %34-40 kazanç sağladığını ortaya koyuyor. Tüm durumlarda, PAR'ın %90'ından fazlası korunurken, NIR radyasyonunun yaklaşık %80'i enerji üretimi için yönlendiriliyor.

Ticari Potansiyel ve Gelecek Adımlar

UNSW ekibi, A4 boyutunun yarısı kadar prototipler üreterek performanslarını testlerle doğrulamış durumda. Ticari hale getirme yolunda hala katedilmesi gereken mesafe bulunuyor. Yaklaşık %80 NIR ışığını filtreleyerek, teknolojinin yüksek güneş enerjisi potansiyeline sahip yarı kurak bölgelerde mahsul yüzey sıcaklıklarını düşürme potansiyeline sahip olduğu da belirtiliyor. Bu teknoloji, agrivoltaics alanında hem gıda üretimi hem de enerji üretimi verimliliğini artırma potansiyeli taşıyor.

(Not: Haberdeki bazı teknik terimler Türkçeye çevrilmiş veya açıklanmıştır. UNSW'nin bu çalışmasının Türkiye'deki agrivoltaics potansiyeli ve geliştirilmesi için de ilham verici olabileceği düşünülmektedir.)