Bifaciálne solárne panely Poskytujú zvýšený potenciál výstupného výkonu

Od: 9. máj 2018, publikované v článkoch: Energizuj, Mike Rycroft, vydavatelia EE

Odrazené a difúzne žiarenie na zadnej strane solárnych modulov môže zvýšiť výkon solárnych modulov bez väčších zlepšení účinnosti.

Historicky, bifaciálne (BF) solárne články boli zamerané na budovanie integrovaných fotovoltaických aplikácií alebo v oblastiach, kde veľká časť dostupnej slnečnej energie je difúzne slnečné svetlo, ktoré sa odrazilo od zeme a okolitých objektov, tj extrémnych zemepisných šírok a oblastí s náchylnosťou na sneh. Kombinácia špičkových efektov plateauing zo štandardných solárnych článkov s tienenými sieťami a výrazné zníženie nákladov na slnečné sklo v posledných rokoch, ktoré viedli k použitiu dvojitého (DG) zapuzdrenia životaschopným, prinieslo bifaciálne solárne moduly späť do centra pozornosti [2]. ,

Cieľom technológie BF nie je zvýšiť účinnosť solárneho modulu alebo panelu, ale zachytiť viac slnečnej energie na modul. V závislosti od faktorov, ako je odrazivosť povrchu zeme, výška nad zemou, uhol sklonu a niekoľko ďalších, sa premietajú až 30%. Žiarenie prijaté modulom pozostáva z niekoľkých komponentov:

1. Priame žiarenie zo slnka.

2. Nepriame difúzne žiarenie spôsobené časticami vzduchu, mrakmi a inými.

3. Odrazené žiarenie z povrchov v blízkosti solárneho modulu.

Odrážané žiarenie sa vo výpočtoch slnečnej energie vo všeobecnosti neberie do úvahy. Merania difúzneho žiarenia sa týkajú zdrojov žiarenia nad horizontálnou rovinou. Zvyčajná metóda merania slnečného žiarenia využíva pyranometer, ktorý sa montuje horizontálne a meria len žiarenie nad horizontálnou rovinou. Aj v naklonenej konfigurácii nebude pyranometer merať žiarenie pod rovinou merania (pozri obr. 1).

Obr. 1: Meranie slnečného žiarenia pomocou pyranometra.

Difúzne žiarenie môže prispieť podstatným množstvom celkového žiarenia, ale veľa z toho nebude zachytené v naklonenom alebo horizontálne namontovanom module. Nakláňanie modulu zvyšuje intenzitu priameho žiarenia, ale blokuje veľkú časť nepriameho žiarenia. Difúzne žiarenie je svojou povahou izoptropné, tj má rovnakú hodnotu bez ohľadu na zdroj, zatiaľ čo odrazené žiarenie bude závisieť od povahy povrchu obklopujúceho slnečné pole, uhlu poľa a ďalších faktorov. Predný panel bude prijímať priame aj difúzne žiarenie, pričom tento pomer závisí od uhla sklonu panelu.

Zadná strana modulu bude prijímať svetlo z dvoch zdrojov:

·          Blízky rozptyl poľa: odráža priame a difúzne žiarenie.

·          Difúzne žiarenie: neodrážané žiarenie priamo z difúznych zdrojov.

Rôzne povrchy odrážajú svetlo pri rôznych rýchlostiach a reflexné vlastnosti sú opísané faktorom albedo. Albedo opisuje odrazivosť neosvetľujúceho povrchu - je určený pomerom medzi svetlom odrazeným od povrchu a náhodným žiarením. Pozri tabuľku 1 pre niektoré hodnoty albedo merané [2]

Pomer difúzneho svetla k priamemu svetlu sa bude meniť podľa podmienok. Pod nízkym žiarením v dôsledku oblaku bude percento difúzneho svetla vyššie ako za slnečných podmienok a zisk v porovnaní s monofaciálnym PV preto môže byť vyšší ako za slnečných podmienok [5].

Výstavba modulov BF

Bunková konštrukcia

Monofaciálne PV články sú zvyčajne konštruované s reflexnou vrstvou na zadnej strane bunky, aby sa umožnila lepšia absorpcia svetla dopadajúceho na predný povrch. Fotóny, ktoré nie sú absorbované v prednej vrstve, môžu byť absorbované na spiatočnej ceste, čím sa zvyšuje účinnosť článku. To znamená, že fotóny pohybujúce sa v opačnom smere k normálu môžu generovať elektrinu a ak fotóny padajúce na zadnú plochu môžu vstupovať do bunky, môžu byť efektívne použité na výrobu elektriny. To sa dosahuje čiastočným odstránením reflexnej vrstvy, ktorá tiež pôsobí ako vodič (pozri obr. 2).

Obr. 2: Odrazené svetlo na zadnej strane panelu [3].

Redukcia vodivej vrstvy v zadnej časti bunky zvyšuje odpor a v zadnej časti článku je potrebných viac vodičov, než na prednej strane, aby sa to kompenzovalo. To znižuje plochu zadnej časti bunky dostupnej pre žiarenie.

Konštrukcia rôznych typov fotovoltických článkov je zložitejšia, ako je uvedené a konverzia nie je tak jednoduchá. Existujú ďalšie kroky potrebné na to, aby sa BF bunka, ktorá funguje efektívne. Vzniklo niekoľko návrhov, ktoré využívajú princíp BF. Väčšina zahŕňa modifikáciu existujúcich buniek, ale existuje niekoľko, ktoré boli navrhnuté špecificky ako BF bunky.

Na trhu sa bežne používajú dva typy bifaciálnej bunečnej konštrukcie: heterojunkcia a zadná bunka pasivovaného emitora (PERC). Bunky Heterojunction používajú monokryštalický kremík, zatiaľ čo bunka PERC je dostupná v monokryštalickej aj polykryštalickej verzii. Bifaciálne bunky sú zložitejšie na výrobu a to zvyšuje náklady na modul.

Účinnosť zadného osvetlenia je nižšia ako predné osvetlenie, ako je znázornené v tabuľke 2. Toto je do značnej miery spôsobené zväčšenou plochou, ktorú zaberajú vodiče na zadnej strane článku v porovnaní s prednou časťou.

Konštrukcia modulu

Monofacial (MF) kryštalické kremíkové panely sú zvyčajne zapuzdrené v nepriehľadnej zapuzdrovacej časti vzadu, ale táto metóda nemôže byť použitá s BF systémami. Modul musí mať priehľadný zadný a predný povrch, ktorý zabezpečuje mechanickú pevnosť. Okrem toho musia byť bunky uzavreté vo vrstve ochranného materiálu. Najbežnejšou prijatou konfiguráciou je dvojitá vrstva fotovoltaického skla obklopujúceho bunky, ktoré sú zapuzdrené v ochrannom polymérnom materiáli.

Na to, aby svetlo svietilo na zadnej strane bifaciálnej bunky, je potrebný buď transparentný materiál spodnej vrstvy odolný voči UV žiareniu alebo ďalšia vrstva slnečného skla. Vo väčšine prípadov, ako je znázornené na obr. 4, sa výrobcovia rozhodnú pre obal zo skla na skle, ktorý všeobecne zlepšuje trvanlivosť poľa v porovnaní s možnosťami na sklenenej fólii. Balenie zo skla na skle je tuhšie, čo znižuje mechanické namáhanie buniek počas prepravy, manipulácie a inštalácie, ako aj namáhanie vplyvom okolitého prostredia, ako je vietor alebo sneh. Konfigurácia je tiež menej priepustná pre vodu, čo môže znížiť ročné miery degradácie. Bifaciálne moduly sú bezrámové. Odstránenie hliníkového rámu účinne znižuje možnosti potenciálnej degradácie (PID) [3].

Obr. 3: Rozdiel medzi mono-facial a bi-facial PV bunkami.

Montáž dvojitého skla (DG) má množstvo výhod:

·          Redukcia mikrokrakovania, delaminácia a korózia vlhkosti.

·          Nižšia teplota buniek.

·          Žiadna potenciálne indukovaná degradácia, pretože neexistuje kovový rám vyžadujúci uzemnenie.

·          Nižšia rýchlosť degradácie.

·          Vyššia odolnosť voči ohňu.

·          Vyššia mechanická pevnosť a menšie ohyb.

Trhové produkty

V tabuľke 3 sú uvedené niektoré systémy BF, ktoré sú v súčasnosti dostupné na trhu, s ich vlastnosťami.

Parametre výkonnosti

V priemysle sa používa niekoľko parametrov na opis charakteristík solárnych modulov BF.

Bifaciálny faktor

Je to pomer medzi účinnosťou zadnej a prednej strany alebo pomerom predného a zadného výkonu meraného za štandardných skúšobných podmienok.

Bifaciálny zisk

Toto je dodatočná energia získaná zo zadnej strany modulu v porovnaní s výkonom z prednej časti modulu pri štandardných testovacích podmienkach. Bifaciálny zisk závisí od montáže (konštrukcia, výška, uhol sklonu a iné) a albedo povrchu zeme.

Obr. 4: Konštrukcia dvojskla BF modulu.

Bifaciálny zisk = ( 𝑌𝐵𝑖 - 𝑌 ) / 𝑌𝑀𝑜

kde:

YB _i = Výkon z modulu BF.

YM _o = Výkon z modulu MF za rovnakých podmienok.

albedo

Toto je pomer svetla odrazeného od povrchu k dopadajúcemu svetlu a mení sa s rôznymi typmi povrchu.

Obr. 5: Vplyv výšky na zisk BF. Albedo 80%, rozteč riadkov 2,5 m [4].

Pomer zemského pokrytia

Toto je pomer plochy zeme pokrytej FV panelmi k celkovej ploche zeme, ktorú inštaluje. Tento pomer má vplyv na odrazené svetlo a môže ovplyvniť výkon panelu BF.

Optimálna montáž modulov BF

Keďže bifaciálne moduly absorbujú slnečné žiarenie z obidvoch strán, umožňujú rôzne možnosti naklonenia a inštalácie a sú ideálne pre inštalácie na zemi, na streche, na púšti a na zasneženej ploche alebo na použitie na vode. Montážne systémy určené na optimalizáciu spätného rozptylu a odrazu od striech a montáží na zemi zvyšujú konštrukciu nad zemou alebo strechou, aby zachytili viac rozptýlených alebo odrazených svetiel.

Výška konštrukcie a rozstup

Zvýšenie štruktúry nad zemou zvyšuje množstvo žiarenia, ktoré sa dostáva do zadnej časti panelu, a tak zlepšuje výkon a bifaciálny zisk. Zvýšenie vzdialenosti medzi riadkami tiež zlepšuje bifaciálny zisk (pozri obr. 6).

Obr. 6: Vyžarovanie na vertikálne namontovanom BF paneli (Sanyo).

Zdá sa, že nárast zisku sa vyrovnáva vo výške približne 1 m. Zvýšenie výšky konštrukcie má veľmi výrazný vplyv na strešné montážne polia, najmä tam, kde sa jedná o ploché strechy. Problémom môže byť nebezpečenstvo zvýšeného zaťaženia vetrom. Viacerí výrobcovia montážnych konštrukcií vyrobili zvýšené konštrukcie pre pozemné aj strešné inštalácie.

Zisky dosiahnuté so zvýšenou výškou sa dajú dobre využiť v otvorených budovách, ako sú parkoviská a miesta na uskladnenie otvoreného vzduchu, ako aj oblasti zábavy a pohostinstva. Priehľadné zapuzdrovacie zariadenie umožňuje, aby sa určité svetlo filtrovalo cez modul.

Vertikálne orientované panely BF

Jednou z najzaujímavejších aplikácií, ktoré sa objavia v poli BF, je možnosť vertikálneho nasadenia poľa. Vertikálne namontované panely BF boli v minulosti efektívne využívané ako zvukové a svetelné bariéry na diaľniciach. Vertikálne namontovaný panel zaberá omnoho menej miesta ako horizontálny alebo naklonený panel. Existujú dve možnosti: klasická severo-južná orientácia a alternatívna orientácia východ-západ.

Na lepšie prispôsobenie sa požiadavkám na mieste s profilom fotovoltickej generácie počas celého dňa existuje tendencia používať orientáciu panelov východ - západ, kde polovica panelov je naklonená smerom na východ, aby sa vytvorila generačná špička v dopoludňajších hodinách a zvyšná polovica je naklonená smerom na západ smerom na západ. popoludní (pozri obr. 7). Tento profil s dvojitou špičkou môže lepšie zodpovedať spotrebe elektrickej energie na mieste, najmä pre obytné a komerčné inštalácie.

Obr. 7: Denný model žiarenia na BF moduloch východ-západ [5].

Tento nekonvenčný prístup môže ísť o krok ďalej, ak sa použijú vertikálne namontované bifaciálne moduly orientované na východ a západ, ktoré by viac ako polovicu znížili počet modulov potrebných pre ekvivalentnú inštaláciu. Táto konfigurácia by opäť produkovala dva generačné píky, ale tiež by mala prospech z dodatočného difúzneho svetla vstupujúceho do modulu. Panely BF umožňujú vertikálnu orientáciu na východ - západ s potenciálom poskytovať vyššiu výrobu energie ako monofonické panely.

V orientácii sever - juh prijíma predný panel priame a difúzne žiarenie a zadná časť panelu prijíma difúzne žiarenie. V orientácii východ - západ s protiľahlými stranami smerujúcimi na východ a západ, obe strany dostávajú priame a odrazené žiarenie v rôznych časoch dňa (pozri obr. 7). Na prvom mieste sa metóda montáže javí ako neefektívna, ako v poludnie, slnko je v pravom uhle k panelom a nemal by byť žiadny výstup. Významný výstup je spôsobený tým, že predný aj zadný povrch prijímajú maximálne množstvo difúzneho a odrazeného žiarenia.

Žiarenie prijaté modulom bude do veľkej miery závisieť od odrazivosti (albedo) blízkych objektov a zeme. Toto je obzvlášť dôležité pre vertikálne moduly okolo poludnia v lete, keď je slnečné lúče priameho lúča najintenzívnejšie, ale keď uhol slnka znamená, že priame slnečné žiarenie lúčov prijaté modulmi je relatívne malé. Vertikálny bifaciálny panel znižuje akumuláciu prachu a snehu a počas dňa poskytuje dva výstupné špičky, pričom druhý vrchol je prispôsobený špičkovému odberu elektriny (pozri obr. 8).

Obr. 8: Porovnanie možností montáže [5].

Jedným z dôvodov väčšej výroby energie je, že teplota modulu východ - západ je nižšia v čase maximálnej ožiarenosti v porovnaní s modulom orientovaným na juh. Mnohé siete s vysokým prienikom slnečnej energie majú prebytok energie počas poludňajších špičkových výrobných časov a nedostatok v období mimo špičkového obdobia. Posunutie píkov pomocou vertikálnej orientácie na východ - západ pre nové PV poskytuje rovnomernejšiu krivku výroby energie (pozri obr. 9).

Vyhliadky do budúcnosti

Hoci existuje niekoľko projektov využívajúcich moduly BF, percento modulov BF na trhu je v súčasnosti veľmi malé, ale očakáva sa, že v budúcnosti výrazne vzrastie, keď sa na trh dostane viac výrobkov a uskutoční sa viac inštalácií. Očakáva sa, že možné zlepšenie výkonu až o 30% bude oveľa atraktívnejšie ako zvýšenie efektívnosti o niekoľko percentuálnych bodov, ktoré by sa mohlo dosiahnuť rozvojom technológií.

Obr. 9: Očakávaný rast používania BF buniek [1].

Referencie

[1] T Dullweber a kol .: „Bifacial PERC + solárne články: stav priemyselnej implementácie a perspektívy budúcnosti“,     bifiPV2017 workshop, Konstanz, október 2017.
[2] W Herman: „Výkonnostné charakteristiky bifaciálnych FV modulov a energetického štítkovania“ , workshop bifiPV2017, Konstanz, október 2017.
[3] D Brearly: „Bifacial PV Systems“, časopis Solarpro Vydanie 10.2, Mar / Apr '17
[4] Solarworld: „ Ako maximalizovať energetický výnos s bifaciálnou technológiou“, biela kniha SW9001US 160729
[5] EPRI: „Bifacial solárne FV panely“, www.epri.com