Bifaciální solární panely Poskytují zvýšený potenciál výstupního výkonu

Od: 9. května 2018, publikováno v článcích: Energie, Mike Rycroft, vydavatelé EE

Odražené a difúzní záření na zadní straně solárních modulů může zvýšit výkon solárních modulů bez větších zlepšení účinnosti.

Historicky, bifacial (BF) sluneční buňky byly zaměřeny na stavbu integrovaných PV aplikací nebo v oblastech kde hodně z dostupné sluneční energie je rozptýlené sluneční světlo, které odrazilo se od země a obklopujících objektů, tj. Extrémní zeměpisné šířky a oblasti sněhu-náchylné oblasti. Nicméně, kombinace plateauing špičkových efektivností od standardního screen-tiskl solární články a významné snížení nákladů na sluneční sklo v uplynulých letech dělat použití dvojitého skla (DG) encapsulation životaschopný tlačil bifacial sluneční moduly zpět do reflektoru [2] \ t .

Cílem technologie BF není zvýšit účinnost solárního modulu nebo panelu, ale zachytit více solární energie na modul. V závislosti na faktorech, jako je odrazivost povrchu vozovky, výška nad zemí, úhel náklonu a několik dalších, se předpokládají zisky až do 30%. Záření přijímané modulem se skládá z několika komponent:

1. Přímé záření ze slunce.

2. Nepřímé difuzní záření způsobené částicemi vzduchu, mraky a dalšími.

3. Odražené záření z povrchů v blízkosti solárního modulu.

Odražené záření se obecně ve výpočtech solární energie nebere v úvahu. Měření difuzního záření se týkají zdrojů záření nad horizontální rovinou. Obvyklá metoda měření slunečního záření využívá pyranometr, který je namontován vodorovně a měří pouze záření nad horizontální rovinou. I v nakloněné konfiguraci nebude pyranometr měřit záření pod rovinou měření (viz obr. 1).

Obr. 1: Měření slunečního záření pyranometrem.

Difuzní záření může přispět podstatným množstvím celkového záření, ale mnoho z toho nebude zachyceno ve sklopeném nebo horizontálně namontovaném modulu. Naklonění modulu zvyšuje intenzitu přímého záření, ale blokuje velkou část nepřímého záření. Difuzní záření je isoptropické povahy, tj. Má stejnou hodnotu bez ohledu na zdroj, zatímco odražené záření bude záviset na povaze povrchu slunečního pole, úhlu pole a dalších faktorech. Přední panel přijímá přímé i difúzní záření, poměr závisí na úhlu sklonu panelu.

Zadní strana modulu bude přijímat světlo ze dvou zdrojů:

·          Blízký rozptyl pole: odráží přímé a difúzní záření.

·          Difuzní záření: neodrazené záření přímo z difuzních zdrojů.

Různé povrchy odrážejí světlo při různých rychlostech a reflexní vlastnosti jsou popsány faktorem albedo. Albedo popisuje odrazivost neosvětleného povrchu - je určen poměrem světla odraženého od povrchu a náhodného záření. Viz tabulka 1 pro některé hodnoty albedo měřené [2]

Poměr difuzního světla k přímému světlu se bude měnit podle podmínek. Pod nízkým zářením v důsledku oblaku bude procento difuzního světla vyšší než za slunečných podmínek a zisk ve srovnání s monofaciální PV proto může být vyšší než za slunečných podmínek [5].

Konstrukce modulů BF

Buněčná konstrukce

Monofaciální fotovoltaické články jsou obvykle konstruovány s reflexní vrstvou na zadní straně buňky, která umožňuje lepší absorpci světla dopadajícího na přední plochu. Fotony, které nejsou absorbovány v přední vrstvě, mohou být absorbovány na zpáteční cestě, čímž se zvyšuje účinnost buňky. To znamená, že fotony pohybující se v opačném směru, než je normální, mohou generovat elektřinu a pokud fotony dopadající na zadní plochu mohou vstupovat do buňky, mohou být účinně použity pro výrobu elektřiny. Toho je dosaženo částečným odstraněním reflexní vrstvy, která také působí jako vodič (viz obr. 2).

Obr. 2: Odrazené světlo na zadní straně panelu [3].

Snížení vodivé vrstvy v zadní části článku zvyšuje odpor a v zadní části buňky je zapotřebí více vodičů než na přední straně, aby se to kompenzovalo. To snižuje plochu zadní části buňky, která je k dispozici pro ozařování.

Konstrukce různých typů fotovoltaických článků je složitější, než je ukázáno a konverze není tak jednoduchá. Existují další kroky potřebné k tomu, aby BF buňka fungovala efektivně. Vzniklo několik návrhů, které využívají princip BF. Většina zahrnuje modifikaci existujících buněk, ale existuje několik, které byly navrženy specificky jako BF buňky.

Dva typy bifaciální buněčné konstrukce jsou běžně používány na trhu: heterojunkční a pasivní emitorová zadní buňka (PERC). Buňky Heterojunction používají monokrystalický křemík, zatímco buňka PERC je dostupná v monokrystalických i polykrystalických křemíkových verzích. Bifaciální buňky jsou složitější k výrobě a to zvyšuje náklady na modul.

Účinnost zadního osvětlení je nižší než přední osvětlení, jak je ukázáno v tabulce 2. To je do značné míry způsobeno zvětšenou plochou zabíranou vodiči na zadní straně článku ve srovnání s přední stranou.

Konstrukce modulu

Krystalické křemíkové panely Monofacial (MF) jsou zpravidla uzavřeny v neprůhledné zapouzdřovací látce vzadu, ale tato metoda nemůže být použita u systémů BF. Modul musí mít průhledné zadní a přední plochy, které poskytují mechanickou pevnost. Kromě toho musí být buňky uzavřeny ve vrstvě ochranného materiálu. Nejběžnější používaná konfigurace je dvojitá vrstva fotovoltaického skla obklopující buňky, které jsou zapouzdřeny v ochranném polymerním materiálu.

K tomu, aby světlo svítilo na zadní straně bifaciální buňky, je zapotřebí buď transparentní materiál spodní vrstvy odolný proti UV záření nebo další vrstva solárního skla. Ve většině případů, jak je znázorněno na obr. 4, se výrobci rozhodnou pro balení typu sklo na sklo, které obecně zlepšuje trvanlivost pole ve srovnání s možnostmi skla na fólii. Balení ze skla na skle je pevnější, což snižuje mechanické namáhání článků během přepravy, manipulace a instalace, jakož i namáhání vlivem prostředí, jako je vítr nebo sníh. Konfigurace je také méně propustná pro vodu, což může snížit roční míru degradace. Bifaciální moduly jsou bezrámové. Eliminace hliníkového rámu účinně snižuje možnosti potenciálně indukované degradace (PID) [3].

Obr. 3: Rozdíl mezi mono-facial a bi-facial PV buňkami.

Montáž s dvojitým sklem (DG) má řadu výhod:

·          Redukce mikrokrakování, delaminace a koroze vlhkosti.

·          Nižší teplota buněk.

·          Žádná potenciálně indukovaná degradace, protože neexistuje kovový rám vyžadující uzemnění.

·          Nižší rychlost degradace.

·          Vyšší odolnost proti ohni.

·          Vyšší mechanická pevnost a menší ohnutí.

Tržní produkty

V tabulce 3 jsou uvedeny některé systémy BF, které jsou v současné době dostupné na trhu, s jejich charakteristikami.

Parametry výkonu

V průmyslu se používá několik parametrů pro popis charakteristik solárních modulů BF.

Bifaciální faktor

To je poměr mezi účinností zadní a přední strany nebo poměrem přední a zadní síly měřené za standardních zkušebních podmínek.

Bifaciální zisk

To je přídavný výkon získaný ze zadní strany modulu ve srovnání s výkonem z přední strany modulu při standardních zkušebních podmínkách. Bifaciální zisk závisí na montáži (struktuře, výšce, úhlu náklonu a dalších) a albedu povrchu země.

Obr. 4: Konstrukce dvojitého BF modulu.

Bifaciální zisk = ( 𝑌𝐵𝑖 - 𝑌 ) / 𝑌𝑀𝑜

kde:

YB _i = Napájení z modulu BF.

YM _o = Napájení modulu MF za stejných podmínek.

Albedo

To je poměr světla odraženého od povrchu k dopadajícímu světlu a mění se s různými typy povrchů.

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

Poměr pokrytí země

Jedná se o poměr zemní plochy pokryté fotovoltaickými moduly k celkové ploše obsažené v zařízení. Tento poměr má vliv na odražené světlo a může ovlivnit výkon panelu BF.

Optimální montáž modulů BF

Vzhledem k tomu, že bifaciální moduly absorbují sluneční záření z obou stran, umožňují různé možnosti naklápění a montáže a jsou ideální pro výškové, střešní, pouštní a zasněžené instalace nebo aplikace na vodě. Montážní systémy navržené pro optimalizaci zpětného rozptylu a odrazu od střech a montáží na zemi zvednou konstrukci nad zemí nebo střechou, aby zachytily více rozptýlené nebo odražené světlo.

Výška konstrukce a rozteč

Zvýšení struktury nad zemí zvyšuje množství záření dosahujícího zadní části panelu a zlepšuje tak výkon a bifaciální zisk. Zvýšení vzdálenosti mezi řádky také zlepšuje bifaciální zisk (viz obr. 6).

Obr. 6: Záření na vertikálně namontovaném BF panelu (Sanyo).

Zdá se, že nárůst zesílení ve výšce asi 1 m. Zvýšení výšky konstrukce má velmi výrazný vliv na střešní montážní pole, zejména tam, kde se jedná o ploché střechy. Problémem může být nebezpečí zvýšeného zatížení větrem. Několik výrobců montážních konstrukcí vyrobilo výškové konstrukce pro pozemní i střešní instalace.

Zisky získané se zvýšenou výškou mohou být dobře využity v konstrukcích typu otevřených kůlen, jako jsou parkovací místa a skladovací prostory s otevřeným vzduchem, stejně jako zábavní a pohostinské prostory. Transparentní zapouzdřovací jednotka umožňuje filtrovat světlo přes modul.

Vertikálně orientované BF panely

Jednou z nejzajímavějších aplikací, které se vynoří z pole BF, je možnost vertikálního montovaného pole. Vertikálně namontované panely BF byly v minulosti účinně využívány jako zvukové a světelné závory na dálnicích. Vertikálně namontovaný panel zabírá mnohem méně místa než horizontální nebo nakloněný panel. Existují dvě možnosti, orientace na sever - jih a alternativní orientace na východ - západ.

Pro lepší přizpůsobení poptávce na místě s profily fotovoltaické elektrárny po celý den existuje tendence používat orientaci panelů východ-západ, kde polovina panelů je dopoledne nakloněna směrem na východ, aby se vytvořil generační vrchol v dopoledních hodinách a zbývající polovina je nakloněna na západ směrem k západu. odpoledne umožnit další generační vrchol (viz obr. 7). Tento profil s dvojitou špičkou může lépe odpovídat spotřebě elektrické energie na místě, zejména pro obytné a komerční instalace.

Obr. 7: Denní schéma radiace na modulech BF východ-západ [5].

Tento nekonvenční přístup může jít o krok dále, pokud se použijí vertikálně namontované bifaciální moduly orientované na východ a západ, které by měly více než poloviční počet modulů potřebných pro ekvivalentní instalaci. Tato konfigurace by opět vyprodukovala dvě generace píků, ale také by prospěla dodatečnému difuznímu světlu vstupujícímu do modulu. Panely BF umožňují vertikální orientaci na východ a západ s možností poskytovat vyšší výrobu energie než monofonní panely.

V orientaci sever-jih přijímá přední panel přímé a difúzní záření a zadní část panelu přijímá difuzní záření. V orientaci východ - západ s protilehlými stranami obrácenými na východ a západ, obě strany přijímají přímé a odražené záření v různých časech dne (viz obr. 7). Na prvním místě se metoda montáže jeví jako neúčinná, jako v poledne, slunce je v pravém úhlu k panelům a neměl by být žádný výstup. Významný výstup je dán tím, že přední i zadní povrch přijímají maximální množství difuzního a odraženého záření.

Záření přijaté modulem bude do značné míry záviset na odrazivosti (albedo) blízkých objektů a země. To je důležité zejména u vertikálních modulů kolem poledne v létě, kdy je přímé sluneční paprsky nejintenzivnější, ale když úhel slunce znamená, že přímé sluneční paprsky, které moduly přijímají, jsou relativně malé. Vertikální bifaciální panel snižuje hromadění prachu a sněhu a během dne poskytuje dva výstupní špičky, přičemž druhý vrchol je přizpůsoben špičkové spotřebě elektřiny (viz obr. 8).

Obr. 8: Porovnání možností montáže [5].

Jedním z důvodů větší výroby energie je, že teplota modulu východ - západ je nižší v době maximálního ozáření ve srovnání s modulem orientovaným na jih. Mnoho sítí s vysokým průnikem slunečního záření má v době výroby v poledních špičkách přebytek energie a nedostatek v období mimo špičku. Posunutí špiček pomocí vertikální orientace na východ a západ pro novou PV poskytuje rovnoměrnější křivku produkce energie (viz obr. 9).

Budoucí prospekty

Ačkoli existuje několik projektů využívajících moduly BF, procento modulů BF na trhu je v současné době velmi malé, ale očekává se, že v budoucnu výrazně vzroste, protože na trh přibude více produktů a provede se více instalací. Očekává se, že možné zlepšení výkonu až o 30% bude mnohem atraktivnější než zvýšení účinnosti o několik procentních bodů, které by bylo možné dosáhnout technologickým rozvojem.

Obr. 9: Očekávaný růst použití BF buněk [1].

Reference

[1] T Dullweber, et al: „Bifacial PERC + solární články: stav průmyslové implementace a budoucí perspektivy“,     bifiPV2017 workshop, Konstanz, říjen 2017.
[2] W Herman: „Výkonnostní charakteristiky bifaciálních FV panelů a štítkování“ , workshop bifiPV2017, Konstanz, říjen 2017.
[3] D Brearly: „Bifacial PV Systems“, časopis Solarpro Vydání 10.2, březen / duben '17
[4] Solarworld: „ Jak maximalizovat energetický výnos bifaciální technologií“, Bílá kniha SW9001US 160729
[5] EPRI: „Bifacial solární fotovoltaické moduly“, www.epri.com