Bifacijalni solarni paneli daju povećani potencijal izlazne snage

Od: 9. maj, 2018, objavljeno u člancima: Energize, autora Mikea Rycrofta, EE Publishers

Reflektovano i difuzno zračenje na poleđini solarnih modula može povećati izlaznu snagu solarnih modula bez većih poboljšanja efikasnosti.

Istorijski gledano, bifacial (BF) solarne ćelije bile su usmjerene na izgradnju integriranih PV aplikacija ili u područjima gdje je veći dio raspoložive solarne energije difuzna sunčeva svjetlost koja je odbijala zemlju i okolne objekte, tj. Ekstremne geografske širine i snježna područja. Međutim, kombinacija maksimalne efikasnosti sa standardnim ekranima i značajnim smanjenjem troškova solarnog stakla u posljednjih nekoliko godina, uz upotrebu dvostrukog stakla (DG), omogućila je vraćanje bifacijalnih solarnih modula u središte pozornosti [2] .

Cilj BF tehnologije nije da poveća efikasnost solarnog modula ili panela, već da obuhvati više solarne energije po modulu. Projicirane su prednosti do 30%, u zavisnosti od faktora kao što su odbojnost površine tla, visina iznad zemlje, kut nagiba i nekoliko drugih. Radijacija koju modul prima sastoji se od nekoliko komponenti:

1. Direktno zračenje od sunca.

2. Indirektno difuzno zračenje uzrokovano zračnim česticama, oblacima i drugima.

3. Reflektovano zračenje sa površina u blizini solarnog modula.

Reflektovano zračenje se generalno ne uzima u obzir u izračunima solarne energije. Mjerenja difuznog zračenja odnose se na izvore zračenja iznad horizontalne ravnine. Uobičajena metoda mjerenja sunčevog zračenja koristi piranometar koji se montira vodoravno i mjeri samo zračenje iznad horizontalne ravnine. Čak iu nagnutoj konfiguraciji piranometar neće mjeriti zračenje ispod ravnine mjerenja (vidi sliku 1).

Slika 1: Mjerenje sunčevog zračenja piranometrom.

Difuzno zračenje može doprinijeti značajnoj količini ukupne radijacije, ali većina toga neće biti zahvaćena u nagnutom ili horizontalno montiranom modulu. Naginjanje modula povećava intenzitet direktnog zračenja, ali blokira veliki dio indirektnog zračenja. Difuzno zračenje je po svojoj prirodi isoptropno, tj. Ima istu vrijednost bez obzira na izvor, dok će reflektovano zračenje ovisiti o prirodi površine koja okružuje solarni niz, kutu polja i drugim faktorima. Prednja ploča će primiti i direktno i difuzno zračenje, omjer ovisno o kutu nagiba panela.

Zadnja strana modula prima svetlost iz dva izvora:

·          Rasipanje blizu polja: reflektovano direktno i difuzno zračenje.

·          Difuzno zračenje: ne-reflektovano zračenje direktno iz difuznih izvora.

Različite površine reflektuju svjetlo različitim brzinama, a svojstva refleksije opisuje albedo faktor. Albedo opisuje reflektivnost ne-svetleće površine - ona je određena odnosom između reflektovane svetlosti od površine i slučajnog zračenja. Vidjeti tablicu 1 za neke vrijednosti izmjerenih albeda [2]

Odnos difuznog svetla i direktne svetlosti će varirati u zavisnosti od uslova. Pod niskim zračenjem zbog oblaka, postotak difuznog svjetla će biti veći nego u sunčanim uvjetima, a dobitak u odnosu na monofacijalni PV može biti viši nego u sunčanim uvjetima [5].

Izgradnja BF modula

Izgradnja ćelija

Monofacialne PV ćelije su obično konstruisane sa reflektujućim slojem na zadnjoj strani ćelije kako bi se omogućila bolja apsorpcija svetlosti koja pada na prednju površinu. Fotoni koji se ne apsorbuju u prednjem sloju mogu se apsorbirati na povratnom putu, čime se povećava efikasnost ćelije. To znači da fotoni koji putuju u suprotnom smjeru od normalnog mogu generirati električnu energiju i ako fotoni koji padaju na zadnju stranu mogu ući u ćeliju, mogu se učinkovito koristiti za proizvodnju električne energije. Ovo se postiže delimičnim uklanjanjem reflektivnog sloja, koji takođe deluje kao provodnik (vidi sliku 2).

Slika 2: Reflektovano svetlo na zadnjoj strani panela [3].

Smanjenje vodljivog sloja na zadnjem delu ćelije povećava otpornost i više provodnika je potrebno na zadnjem delu ćelije nego na prednjoj strani da bi se to kompenzovalo. Time se smanjuje površina stražnjeg dijela ćelije raspoloživa za zračenje.

Konstrukcija različitih tipova fotonaponskih ćelija je složenija od prikazane i konverzija nije tako jednostavna. Postoje i drugi koraci za izradu BF ćelije koja radi efikasno. Pojavilo se nekoliko projekata koji koriste BF princip. Većina uključuje modifikaciju postojećih ćelija, ali postoji nekoliko koji su posebno dizajnirani kao BF ćelije.

Dva tipa konstrukcije bifacialnih ćelija su uobičajena upotreba na tržištu: heterolukcija i pasivirana emiter zadnja ćelija (PERC). Heterojne ćelije koriste monokristalni silicij dok je PERC ćelija dostupna u verzijama mono i polikristalnog silicija. Bifacijalne ćelije su složenije za proizvodnju i to doprinosi trošku modula.

Efikasnost zadnjeg osvetljenja je niža od prednjeg osvetljenja, kao što je prikazano u tabeli 2. To je uglavnom zbog povećane površine koju zauzimaju provodnici na zadnjoj strani ćelije u odnosu na prednju.

Konstrukcija modula

Monofacialni (MF) kristalni silicijumski paneli su obično zatvoreni u neprozirnom enkapsulantu sa zadnje strane, ali ovaj metod se ne može koristiti sa BF sistemima. Modul mora imati prozirnu stražnju i prednju površinu koja osigurava mehaničku čvrstoću. Pored toga, ćelije moraju biti zatvorene u sloj zaštitnog materijala. Najčešće prihvaćena konfiguracija je dvostruki sloj fotonaponskog stakla koji okružuje ćelije koje su zatvorene u zaštitni polimerni materijal.

Potreban je ili prozirni materijal otporan na UV zrake ili dodatni sloj solarnog stakla kako bi svjetlost mogla zasjati na stražnjoj strani bifacijalne ćelije. U većini slučajeva, kao što je prikazano na slici 4, proizvođači se odlučuju za paket od stakla na staklu koji generalno poboljšava trajnost polja u odnosu na opcije stakla na filmu. Paket od stakla na staklu je krutiji, što smanjuje mehaničko opterećenje ćelija tokom transporta, rukovanja i instalacije, kao i naprezanja usled okolnih uslova kao što su vetar ili sneg. Konfiguracija je također manje propusna za vodu, što može smanjiti godišnje stope degradacije. Bifacial moduli su bez okvira. Uklanjanje aluminijumskog okvira efektivno smanjuje mogućnosti za potencijalno izazvanu degradaciju (PID) [3].

Slika 3: Razlika između mono-facijalnih i bi-facijalnih PV ćelija.

Montaža dvostrukog stakla (DG) ima brojne prednosti:

·          Smanjenje mikrocrakinga, delaminacije i korozije vlage.

·          Niža temperatura ćelije.

·          Nema degradacije izazvane potencijalom jer nema metalnog okvira koji zahtijeva uzemljenje.

·          Niža brzina razgradnje.

·          Veća otpornost na vatru.

·          Veća mehanička čvrstoća i manje savijanje.

Tržišni proizvodi

Tabela 3 navodi neke od BF sistema koji su trenutno dostupni na tržištu, sa njihovim karakteristikama.

Parametri performansi

U industriji se koristi nekoliko parametara za opisivanje karakteristika BF solarnih modula.

Bifaciality factor

To je odnos između efikasnosti stražnje i prednje strane, ili odnosa prednje i stražnje snage izmjerene u standardnim uvjetima ispitivanja.

Bifacial gain

To je dodatna snaga koja se dobija sa zadnje strane modula u odnosu na snagu iz prednjeg dijela modula u standardnim uvjetima testiranja. Bifacial dobitak ovisi o montaži (struktura, visina, kut nagiba i dr.) I albedo površine tla.

Slika 4: Konstrukcija dvostrukog stakla BF modula.

Bifacialni dobitak = ( 𝑌 - 𝑌 ) /

gdje:

YB _i = Snaga iz BF modula.

YM _o = Snaga MF modula pod istim uvjetima.

Albedo

To je odnos svjetlosti reflektirane od površine do upadne svjetlosti i varira s različitim vrstama površine.

Slika 5: Utjecaj visine na BF pojačanje. Albedo 80%, visina reda 2,5 m [4].

Omjer pokrivanja tla

To je odnos površine zemljišta koje pokrivaju PV moduli i ukupne površine zemljišta koje zauzima instalacija. Ovaj odnos ima uticaj na reflektovano svetlo i može uticati na performanse BF panela.

Optimalna montaža BF modula

Pošto bifacial moduli apsorbuju sunčevo zračenje sa obe strane, oni dozvoljavaju razne mogućnosti nagiba i ugradnje i idealni su za podignuta postrojenja na zemlji, na krovu, u pustinji ili na snijegu ili u aplikacijama na vodi. Sistemi za montažu dizajnirani da optimiziraju povratno raspršivanje i refleksiju od krovova i instalacija na tlo podižu strukturu iznad tla ili krova kako bi uhvatili više raspršene ili reflektirane svjetlosti.

Visina i razmak konstrukcije

Podizanje strukture iznad tla povećava količinu zračenja koja dopire do stražnjeg dijela panela i tako poboljšava performanse i bifacijalnu dobit. Povećanje razmaka između redova također poboljšava bifacijalnu dobit (vidi sliku 6).

Slika 6: Zračenje na vertikalno postavljenoj BF ploči (Sanyo).

Čini se da povećanje porasta na visini od oko 1 m. Povećanje visine konstrukcije ima vrlo izražen učinak na nizove na krovnim nosačima, posebno kada se radi o ravnim krovovima. Opasnost od povećanog opterećenja vjetrom može predstavljati problem. Nekoliko proizvođača montažnih konstrukcija proizveli su povišene strukture za instalacije na zemlji i na krovu.

Dobici dobijeni povećanom visinom mogu se dobro iskoristiti u otvorenim konstrukcijama kao što su parkirališta i otvorena skladišta, kao i područja za zabavu i ugostiteljstvo. Transparentna enkapsulacija dopušta da se neka svjetlost filtrira kroz modul.

VF orijentirane ploče

Jedna od najzanimljivijih aplikacija iz BF polja je mogućnost vertikalno postavljenog niza. Vertikalno postavljene BF ploče su se u prošlosti efikasno koristile kao zvučne i svjetlosne barijere na autoputevima. Vertikalno postavljeni panel zauzima mnogo manje prostora od horizontalnog ili nagnutog panela. Postoje dvije opcije, klasična orijentacija sjever-jug i alternativna orijentacija istok-zapad.

Da bi bolje odgovarali potražnji na licu mesta sa profilima generacije PV tokom celog dana, postoji trend da se koristi orijentacija panela istok-zapad, gde je polovina panela nagnuta prema istoku da bi se stvorio vrhunac generacije ujutru, a preostala polovina nagnuta prema zapadu omogućiti drugi pik generacije u popodnevnim satima (vidi sliku 7). Ovaj profil s dvostrukim vrhom može bolje odgovarati korištenju električne energije na licu mjesta, posebno za stambene i komercijalne instalacije.

Slika 7: Dnevni dijagram zračenja na modulima BF istok-zapad [5].

Ovaj nekonvencionalni pristup može ići korak dalje ako se koriste vertikalno postavljeni dvostruki moduli okrenuti prema istoku i zapadu, što bi više nego prepolovilo broj modula potrebnih za ekvivalentnu instalaciju. Ova konfiguracija bi ponovo proizvela vrhove dvije generacije, ali bi također imala koristi od dodatnog difuznog svjetla koje ulazi u modul. BF paneli omogućuju vertikalno postavljenu orijentaciju istok-zapad s potencijalom da osiguraju veću proizvodnju energije od monofačnih panela.

U orjentaciji sjever-jug, prednja ploča prima direktna i difuzna zračenja, a stražnji dio panela prima difuzno zračenje. U orijentaciji istok-zapad sa suprotnim stranama okrenutim prema istoku i zapadu, obje strane primaju direktno i reflektirano zračenje u različito doba dana (vidi sliku 7). Na prvom mjestu, način montaže se čini neefikasnim, jer je u podne sunce pod pravim uglom u odnosu na panele i ne bi trebalo biti izlaza. Značajan izlaz je zbog činjenice da i prednja i zadnja površina primaju maksimalnu količinu difuznog i reflektovanog zračenja.

Radijacija koju prima modul će u velikoj mjeri ovisiti o refleksivnosti (albedo) obližnjih objekata i tla. Ovo je posebno važno za vertikalne modele oko podneva ljeti, kada je direktna zraka sunčevog zračenja najintenzivnija, ali kada kut sunca znači da je direktna zraka sunčeva svjetlost koju primaju moduli relativno mala. Vertikalna bifacijalna ploča smanjuje nakupljanje prašine i snijega i osigurava dva izlazna vrha tijekom dana, dok je drugi vrh usklađen s vršnom potrošnjom električne energije (vidi sliku 8).

Slika 8: Poređenje između opcija montaže [5].

Jedan od razloga za veću proizvodnju energije je što je temperatura modula istok-zapad niža za vrijeme maksimalnog zračenja, u odnosu na južno orijentirani modul. Mnoge mreže sa visokim prodorom sunčeve energije imaju višak energije tokom perioda proizvodnje pikova i nedostatak tokom perioda van špice. Prebacivanje vrhova pomoću vertikalne orijentacije orijentacije istok-zapad za nove PV daje krivulju ravnomjernije proizvodnje energije (vidi sliku 9).

Budućnost

Iako postoji nekoliko projekata koji koriste BF module, procenat BF modula na tržištu je trenutno veoma mali, ali se očekuje da će se značajno povećati u budućnosti, kako više proizvoda dođe na tržište, tako i više instalacija. Očekuje se da će moguće poboljšanje proizvodnje do 30% biti daleko atraktivnije od nekoliko postotnih poena povećanja efikasnosti koje se mogu postići razvojem tehnologije.

Slika 9: Očekivani rast upotrebe BF ćelija [1].

Reference

[1] T Dullweber, i ostali: “Bifacial PERC + solarne ćelije: status industrijske implementacije i buduće perspektive”,     radionica bifiPV2017, Konstanz, oktobar 2017.
[2] W Herman: “Karakteristike performansi bifacijalnih fotonaponskih modula i označavanje snage” , radionica bifiPV2017, Konstanz, oktobar 2017.
[3] D Brearly: “Bifacial PV Systems”, magazin Solarpro broj 10,2, mar / april '17
[4] Solarworld: “ Kako maksimizirati energetski prinos bifacijalnom tehnologijom”, Bijela knjiga SW9001US 160729
[5] EPRI: “Bifacial solar PV Modules ”, www.epri.com