Fotovoltaïsche zonne-energie (PV) is een van de sleuteltechnologieën om de overgang naar een duurzaam energiesysteem mogelijk te maken. Om efficiëntie en betrouwbaarheid te garanderen, onderzoekt EnergyVille nieuwe materialen en concepten voor innovatieve PV-cel- en moduletechnologieën. Naast de inzet van PV in grootschalige PV-centrales, is de integratie van PV in gebouwen, voertuigen of andere infrastructuur cruciaal voor de inzet van PV in een stedelijke context en vormt daarom de kern van het PV-onderzoek van EnergyVille. Omdat deze geïntegreerde toepassingen een lange levensduur en betrouwbaarheid vereisen, bestudeert EnergyVille ook de veroudering en mogelijke storingen in PV-modules en worden er oplossingen ontwikkeld om de betrouwbaarheid van PV-modules te verhogen. Ons onderzoek naar omvormers op moduleniveau combineert de stroomopwekking met verschillende ladingen, opslag en een flexibel net. Tot slot voeren we onderzoek naar de metrologie van de energieopbrengst en ontwikkelen we modellen voor betere voorspellingen van de energieopbrengst.

Bart Onsia

Contact

Bart Onsia

Business Development Manager at EnergyVille/imec
Kris Baert

Contact

Kris Baert

Business Developer Solar and Electrical Energy Networks at EnergyVille/KU Leuven
Lieve De Doncker

Contact

Lieve De Doncker

Business Developer Solar and Storage Materials at EnergyVille/UHasselt
Jorne Carolus

Contact

Jorne Carolus

Business Developer Solar and Storage Materials at EnergyVille/UHasselt
Elektrisch

Silicium-PV- en dunnefilm-PV-materiaal- en applicatie-ontwikkelingen

Hoewel de gemiddelde gebruiker misschien enkel op de hoogte is van standaard Silicium-gebaseerde zonneceltechnologie, is het onderzoek naar fotovoltaïsche energie nog continu in ontwikkeling. Cellen gebaseerd op nieuwe dunnefilmabsorptiematerialen, zoals perovskieten of PV Tandem Cell Silicon Thin film CIGS, benaderen de conversie-efficiëntie van Silicium-cellen tegen mogelijks lagere kosten en met flexibelere dimensionering.

Inzicht in de materiaal- en apparaateigenschappen van deze nieuwe perovskiet-zonnecellen is cruciaal om de processen te ontwikkelen die de realisatie van stabiele toepassingen met de hoogste prestaties mogelijk maken. Daarom maakt EnergyVille de demonstratie van deze nieuwe materiaal- en apparaatarchitecturen niet enkel mogelijk op kleine apparaten op laboschaal, maar ook op full-size (30x30cm²) modules en zelfs met volledige integratie in definitieve toepassingen zoals gebouwen, voertuigen en infrastructuur.

Hoge efficiëntie PV-cel- en moduletechnologie

Bifacial Solar CellsOm zoveel mogelijk energie te oogsten, onderzoekt EnergyVille verschillende manieren om de efficiëntie van PV-cellen en moduletechnologieën te verbeteren. Bifaciale kristallijn silicium PV-modules hebben de laatste tijd veel belangstelling gekregen omdat ze licht van beide kanten kunnen opnemen, waardoor de energieopbrengst van de modules wordt verhoogd. EnergyVille neemt deze uiterst efficiënte bifaciale cellen als uitgangspunt en combineert ze met geoptimaliseerde celmetallisatietechnieken en meeraderige interconnectietechnologieën. Dit heeft geresulteerd in een recordrendement van 23,2% met behulp van bifaciale n-PERT-zonnecellen.

Voortbouwend op deze evoluties hebben we het concept van gewoven verbindingsplaten ontwikkeld door inkapselingslinten en metaaldraden tot één weefsel te weven. Dit concept bespaart materiaal en elimineert meerdere processtappen, terwijl het nog steeds kan worden uitgevoerd op industriestandaard lamineermachines, wat allemaal aanzienlijke voordelen zijn. Daarom is deze interconnectietechnologie een waardevolle nieuwe bouwsteen voor gebouw- en voertuiggeïntegreerde PV.

Tandem cells

Tandem cellsDoor twee (of meer) verschillende zonnecellen met zorgvuldig geselecteerde materiaaleigenschappen te combineren in een zogenaamde tandemconfiguratie, kunnen we een groter deel van het lichtspectrum omzetten in elektrische energie. Op die manier overtreffen we de fysieke beperkingen van enkele zonnecellen. Bijv. door een perovskiet-topcel te combineren met een siliciumcel, streeft EnergyVille naar een tandem-energieomzettingsrendement van +30%, wat groter is dan het theoretische maximum van ongeveer 28% van siliciumzonnecellen.

Bij EnergyVille onderzoeken we verschillende materiaalcombinaties, processen en contactconfiguraties (2-terminal, 4-terminal tandems) om een ​​groot gebied (bijvoorbeeld M2-formaat en tot 30 cm x 30 cm), stabiele en betrouwbare tandemconfiguraties te realiseren.

Integratie van PV in gebouwen, gevels, voertuigen en infrastructuur

Door de energiebron dichter bij de plaats van verbruik te brengen en te integreren in de gebouwde omgeving, krijgt de duurzame energietransitie vorm. EnergyVille onderzoekt de integratie van PV in gevels van gebouwen, in voertuigen en andere toepassingen. Dit vereist een nauwe samenwerking tussen architectuur, bouwfysica, elektrotechniek en PV-experten. Toepassingsspecifieke eisen sturen ons onderzoek naar convertoren en elektronica, PV-materialen, -cel- en -moduletechnologie, betrouwbaarheidstests en simulatie van het energierendement. Door grootschalige demonstratieprojecten valideren we deze technologie en simulatieresultaten in real-life omstandigheden.

BIPV in building façadeEsthetiek en uitvoering op maat zijn een must bij gebouw-geïntegreerde PV. EnergyVille werkt aan de integratie van PV in geprefabriceerde elementen, bijv. voor gevels, en de implementatie in planningstools om het ontwerp en de fabricage te vergemakkelijken. We onderzoeken esthetische en betrouwbare interconnectietechnologieën die een grootschalige implementatie mogelijk maakt. We werken aan een modulesamenstellingstool die, op basis van de input van architectuursoftware, automatisch op-maat-gemaakte modules assembleert. Onze multi-wire cel-interconnectietechnologie kan flexibel worden aangepast aan module-dimensies en zal de implementatie van Industry 4.0-principes aanzienlijk vergemakkelijken.

Zowel voor integratie in gebouwen als in voertuigen, experimenteren we ook met vormen en afmetingen van PV-modules in onze laboratoria. Niet-uniforme en variërende lichtinval vraagt hier om nieuwe moduletechnologieën die een efficiënte energieopwekking onder verschillende omstandigheden mogelijk maken. Door herconfigureerbare moduletopologieën te combineren met de hogergenoemde interconnectietechnologieën wil EnergyVille zorgen voor een overgang naar de volgende generatie PV-modules.

Analyse en prestatieverbetering van PV-cellen en -modules

Omdat PV-modules verschillende toepassingen kennen, is het nodig hun performantie te beoordelen buiten de standaard laboratoriumomstandigheden. Dit wordt erkend door de industrie die een scala aan nieuwe IEC-normen op dit gebied voorbereidt. We zijn nauw betrokken bij dit proces en hebben onze tools geselecteerd op basis van deze inzichten.

EnergyVille heeft een unieke grootschalige module-tester met LED-verlichting waarin we zowel de voorkant als de achterkant van grote PV-modules kunnen belichten. Spectrale en lichte intensiteitsvariaties kunnen allemaal worden aangepast om de buitenomstandigheden volledig na te bootsen. We hebben ook testopstellingen in rack- enPV cell and module analysis façadeconfiguratie in openlucht die een aanvulling vormen op onze metingen binnenshuis. In deze testopstellingen kunnen we de PV-module-spanning zeer nauwkeurig meten in kleine tijdsintervallen. Gecombineerd met uitgebreide meteorologische metingen beschikken we over uitstekend materiaal voor BIPV-onderzoek, betrouwbaarheids- en energierendementssimulaties en -voorspellingen. We zorgen ervoor dat zowel industriële als kleine opstellingen kunnen worden gemeten in onze karakteriseringstools, met een focus op de exploratie van nieuwe materialen en technologieën.

Ons onderzoek rond cel-, materiaal- en betrouwbaarheidskarakterisatie wordt ondersteund door een grote verscheidenheid aan opto-elektrische karakteriseringstools (bijv. spectrale respons, reflectiviteitstoewijzing, spectroscopie, hoge resolutie elektroluminescentie) en materiaalanalysetools (bijv. optische en elektronenmicroscopie, een cross-section preparation tool, adhesietester). De combinatie van deze uitgebreide karakteriseringsmogelijkheden en inzichten van onze experten stellen ons in staat om de oorzaken van verminderde moduleprestaties te begrijpen en roadmaps uit te stippelen om de performantie te verbeteren.

Betrouwbaarheid, recyclage en hergebruik van PV-modules

Reliability Testing EnergyVilleOm de gemiddelde kost van elektriciteit te verlagen, is het beperken van de slijtage van PV-modules net zo belangrijk als de efficiëntie. Ontwerpen met het oog op een hogere betrouwbaarheid is de basis van verschillende onderzoeksactiviteiten die EnergyVille uitvoert.

EnergyVille voert diepgaand betrouwbaarheidsonderzoek uit naar de materialen en technologieën voor PV-modules van de volgende generatie. Hoewel we standaard testmethoden kunnen toepassen, kijken we verdere en zetten we nieuwe tests op en ondersteunen we de ontwikkeling van nieuwe normen. We ontwerpen gerichte betrouwbaarheidsstudies om de zwakke punten van materialen of technologieën te onderzoeken. Door opto-elektrische karakterisering te combineren met destructieve materiaalanalyses, zijn we in staat om de onderliggende defecten bloot te leggen.

  • EnergyVille heeft verschillende klimaatkamers om versnelde betrouwbaarheidstesten zoals thermische cycli, vochtigheid en vochtige hittetesten uit te voeren. We kunnen deze tests ook combineren met UV-belichting.
  • Voor de esthetiek van een PV-module is kleurstabiliteit belangrijk. EnergyVille heeft de apparatuur en ervaring om kleurstabiliteit en verschillen over een module en tussen verschillende modules te bepalen.
  • We hebben veel ervaring met het uitvoeren en analyseren van verschillende degradatiemechanismen zoals b.v. PID (potentieel geïnduceerde degradatie), LID (licht geïnduceerde degradatie), LeTID (licht en verhoogde temperatuur degradatie), ...

De betrouwbaarheid van PV-modules speelt ook een cruciale rol bij het verkleinen van de ecologische voetafdruk van PV. Een aangepast technologieontwerp en de juiste materiaalselectie voor een verbeterde recyclage en eliminatie van toxische materialen zijn belangrijke elementen in het PV-onderzoek. Door de operationele levensduur te verlengen en het opknappen of hergebruiken van PV-modules te stimuleren willen we de milieu-impact van PV-panelen verder verlagen.

PV-convertoren op module-niveau (inclusief modellering, testen en betrouwbaarheid)

BIPV in building façadeMet name bij gebouw-geïntegreerde PV (BIPV) is het mogelijk dat niet alle PV-modules hetzelfde vermogen, dezelfde spanning of dezelfde stroom genereren als gevolg van gedeeltelijke schaduw, reflecties en verschillen in afmetingen of oriëntatie. Om in deze omstandigheden de energieproductie te maximaliseren, werkt EnergyVille aan de ontwikkeling van op-maat-gemaakte elektronische oplossingen die zich kunnen aanpassen aan een specifieke omstandigheden. Nieuwe module- en convertortechnologieën die een efficiënte energieopwekking in niet-uniforme en dynamisch variërende omstandigheden mogelijk maken, moeten gezamenlijk worden geoptimaliseerd. Daarom doen we onderzoek naar convertoren (dat is gelinkt aan ons onderzoek naar DC en micro- / nanogrids). Een van de meest innovatieve maar tegelijk ook uitdagende oplossingen is gebaseerd op het idee om de elektrische verbinding tussen de PV-cellen in real-time te veranderen terwijl de PV-module zich aanpast aan zijn omgeving. We stellen een herconfigureerbaar smart PV (RSPV)-moduleconcept voor dat de energieopwekking in niet-optimale omstandigheden aanzienlijk verhoogt. Deze module integreert schakelaars en intra-module-convertoren om zelfherconfiguratie mogelijk te maken.

Zowel voor standaard- als herconfigureerbare PV-modules, moeten convertoren compact zijn en moeten ze voldoen aan de strenge betrouwbaarheidsvereisten. Dit vraagt om betrouwbaarheidstesten en kennis van mogelijke storingen die verder gaan dan de huidige standaarden en metingen. We streven ernaar niet alleen het uitvalpercentage te meten, maar ook de degradatiepercentages van dergelijke nieuwe convertorontwerpen te kennen. Hiervoor gebruiken we versnelde synthetische missieprofielen.

Metrologie, simulatie en voorspelling van de PV-energieopbrengst

Als het om zonne-energie gaat, is een optimale energieopbrengst zeer belangrijk. De energieprestaties van PV-modules worden binnenshuis gemeten onder standaard testomstandigheden. In werkelijkheid verschillen de buitenomstandigheden echter aanzienlijk van deze standaard gedefinieerde omstandigheden. Om de kloof tussen binnen- en buitenprestaties te overbruggen en om het optimale rendement voor PV-panelen in een bepaalde situatie te bepalen, heeft EnergyVille testopstellingen voor binnen en buiten ontwikkeld en een nauwkeurig simulatiemodel voor energieopbrengst. Onze metrologietechnieken leveren zeer nauwkeurige energiemetingen in correlatie met meteorologische parameters en geavanceerde data-analyse voor de interpretatie van oorzaken en gevolgen.

PV energy yield metrology, simulation & forecastingHet energieopbrengstsimulatiemodel van EnergyVille is een op scenario's gebaseerde software die nauwkeurig de verwachte dagelijkse energieopbrengst van zonnecellen en zonnepanelen voorspelt onder variërende meteorologische en lichtomstandigheden met behulp van beschikbare historische weergegevens. Het model combineert optische, thermische en elektrische parameters om gedetailleerd inzicht te geven in thermische variaties in de zonnemodule. Het model integreert het effect van deze variaties, wat resulteert in een aanzienlijk betere nauwkeurigheid dan commercieel beschikbare softwarepakketten voor het schatten van de energieopbrengst. Het simulatiemodel is bij uitstek geschikt om de energieopbrengstprestaties van nieuwe soorten PV-technologie (bijv. Bifaciale PV-installaties) en in speciale omstandigheden (bijv. Drijvende PV, agri-PV, in BIPV, op trackers, op niet-vlak terrein, ...) te bepalen. Verder ontwikkelen we een modelomgeving voor de integratie van PV in gebouwfaçades, rekening houdend met de thermische en elektrische prestaties en wederzijdse invloeden.

Simulaties van de zeer variabele PV-opbrengst in combinatie met batterijopslag en ladingbeheer, rekening houdend met netomstandigheden, wordt uitgevoerd om systeemconfiguraties voor verschillende toepassingen te optimaliseren, om een ​​hoge mate van zelfvoorziening en een hoge zelfconsumptie te verkrijgen van de opgewekte energie. Dit koppelt het onderzoek rond PV-opwekking aan de ontwikkeling van batterijsystemen, energiebeheer en netintegratie.