Panourile solare bifacial oferă un potențial crescut de ieșire a puterii

Din: 9 mai, 2018, Publicat în articole: Energize, de Mike Rycroft, EE Publishers

Radiațiile reflectate și difuze pe partea inversă a modulelor solare pot crește puterea de ieșire a modulelor solare fără îmbunătățiri majore de eficiență.

Din punct de vedere istoric, celulele solare bifacial (BF) au fost orientate către construirea de aplicații PV integrate sau în zone în care o mare parte din energia solară disponibilă este lumina soarelui difuză care a ronțăit de la sol și obiectele din jur, adică latitudini extreme și zone predispuse la zăpadă. Cu toate acestea, combinarea eficienței maxime de platou față de celulele solare tipărite în serii standard și reducerile semnificative ale costului sticlei solare în ultimii ani, făcând viabilă încapsularea dublă de sticlă (DG), a împins înapoi lumina solară bifacială [2] .

Scopul tehnologiei BF nu este de a crește eficiența modulului solar sau de panou, ci de a capta mai multă energie solară pe modul. Sunt proiectate câștiguri de până la 30%, în funcție de factori precum reflexia suprafeței solului, înălțimea deasupra solului, unghiul de înclinare și altele. Radiația primită de modul constă în mai multe componente:

1. Radiații directe de la soare.

2. radiații difuze indirecte cauzate de particule de aer, nori și altele.

3. Radiații reflectate de la suprafețe apropiate de modulul solar.

Radiațiile reflectate nu sunt, în general, luate în considerare în calculele de energie solară. Măsurătorile radiațiilor difuze se referă la sursele de radiație deasupra planului orizontal. Metoda obișnuită de măsurare a radiației solare utilizează un piranometru care este montat orizontal și măsoară doar radiația deasupra planului orizontal. Chiar și într-o configurație înclinată, pirranometrul nu va măsura radiația sub planul de măsurare (vezi figura 1).

Figura 1: Măsurarea radiației solare cu un piranometru.

Radiațiile difuze pot contribui la o cantitate substanțială de radiație totală, dar o mare parte din acestea nu vor fi capturate într-un modul înclinat sau orizontal. Înclinarea modulului crește intensitatea radiației directe, dar blochează o mare parte a radiației indirecte. Radiația difuză are o natură isoptropică, adică are aceeași valoare indiferent de sursă, în timp ce radiația reflectată va depinde de natura suprafeței din jurul matricei solare, de unghiul matricei și de alți factori. Panoul frontal va primi radiații directe și difuze, raportul depinzând de unghiul de înclinare al panoului.

Partea posterioară a modulului va primi lumină din două surse:

·          Lungimea împrăștiată a câmpului: reflectă radiația directă și difuză.

·          Radiații difuze: radiații nerefleșite direct din surse difuze.

Diferitele suprafețe reflectă lumina la viteze diferite, iar proprietățile reflexive sunt descrise de factorul albedo. Albedo descrie reflexia unei suprafețe ne-luminoase - este determinată de raportul dintre lumina reflectată de suprafață și radiația incidentală. Vezi tabelul 1 pentru unele valori ale măsurătorilor albedo [2]

Raportul dintre lumina difuză și lumina directă variază în funcție de condiții. În condiții de luminozitate scăzută din cauza norului, procentul de lumină difuză va fi mai mare decât în condiții insorite, iar câștigul comparativ cu PV monofacial poate fi, prin urmare, mai mare decât în condiții insorite [5].

Construirea modulelor BF

Construcția de celule

Celulele PV monofacial sunt de obicei construite cu un strat reflectorizant pe fața posterioară a celulei pentru a permite o absorbție mai bună a luminii care se încadrează pe suprafața frontală. Fotonii care nu sunt absorbiți în stratul frontal pot fi absorbiți în călătoria de întoarcere, crescând astfel eficiența celulei. Acest lucru înseamnă că fotonii care călătoresc în direcția opusă față de normal pot genera energie electrică și dacă fotonii care intră pe fața posterioară pot fi lăsați să intre în celulă, pot fi utilizați eficient pentru a genera energie electrică. Acest lucru se realizează prin îndepărtarea parțială a stratului reflectorizant, care acționează și ca un conductor (vezi figura 2).

Figura 2: Lumină reflectată pe partea din spate a panoului [3].

Reducerea stratului conductiv din spatele celulei mărește rezistența și sunt necesare mai multe conductori în partea din spate a celulei decât în partea frontală pentru a compensa acest lucru. Aceasta reduce zona din spatele celulei disponibile pentru radiații.

Construcția diferitelor tipuri de celule fotovoltaice este mai complexă decât cea prezentată, iar conversia nu este la fel de simplă. Există și alți pași necesari pentru a face o celulă BF care să funcționeze eficient. Au apărut mai multe modele care utilizează principiul BF. Majoritatea implică modificarea celulelor existente, dar există mai multe care au fost proiectate în mod specific ca celule BF.

Două tipuri de construcție celulară bifacială sunt utilizate în mod obișnuit pe piață: heterojuncția și celula posterioară emițătoare pasivată (PERC). Celulele Heterojunction utilizează siliciu monocristalin, în timp ce celula PERC este disponibilă atât în versiunile de siliciu monociclic cât și în policristalin. Celulele bifacial sunt mai complexe pentru a fi fabricate și acest lucru adaugă la costul modulului.

Eficiența iluminării din spate este mai mică decât iluminarea din față, așa cum se arată în tabelul 2. Acest lucru se datorează în mare parte zonei crescute ocupate de conductorii din spatele celulei față de față.

Construcția modulelor

Monofacial (MF), panourile cristaline de siliciu sunt de obicei încapsulate în încapsulant opac în spate, dar această metodă nu poate fi utilizată cu sistemele BF. Modulul trebuie să aibă suprafețe transparente și spate transparente care să asigure o rezistență mecanică. În plus, celulele trebuie închise într-un strat de material de protecție. Cea mai obișnuită configurație adoptată este un strat dublu de sticlă fotovoltaică ce acoperă celulele care sunt încapsulate într-un material polimeric de protecție.

Fie este necesar un material din spate transparent transparent rezistent la UV sau un strat suplimentar de sticlă solară pentru a permite lumina să strălucească pe spatele unei celule bifacial. În cele mai multe cazuri, așa cum se arată în figura 4, producătorii optează pentru un pachet de sticlă pe sticlă care, în general, îmbunătățește durabilitatea câmpului în comparație cu opțiunile de sticlă pe film. Pachetul de sticlă pe sticlă este mai rigid, ceea ce reduce stresul mecanic asupra celulelor în timpul transportului, manipulării și instalării, precum și stresul datorat condițiilor de mediu cum ar fi vântul sau zăpada. De asemenea, configurația este mai puțin permeabilă la apă, ceea ce poate reduce ratele de degradare anuale. Modulele bifacial sunt fără rama. Eliminarea cadrului de aluminiu reduce în mod eficient oportunitățile de degradare indusă de potențial (PID) [3].

Figura 3: Diferența dintre celulele PV mono-facial și bi-faciale.

Montarea din sticlă dublă (DG) are o serie de avantaje:

·          Reducerea microcracării, delaminării și coroziunii umidității.

·          Temperatură scăzută a celulei.

·          Nu există o degradare indusă de potențial deoarece nu există cadru metalic care să necesite legarea la pământ.

·          Rata de degradare mai mică.

·          Valoare mai înaltă a flăcării.

·          Rezistenta mecanica mai mare si mai putin flexibila.

Produse de piață

Tabelul 3 prezintă câteva dintre sistemele BF disponibile pe piață în prezent, cu caracteristicile acestora.

Parametrii de performanță

Mai mulți parametri sunt utilizați în industrie pentru a descrie caracteristicile modulelor solare BF.

Factorul bifacialității

Acesta este raportul dintre eficiența din partea din spate și partea din față sau raportul dintre puterea din față și cea din spate măsurată în condiții standard de testare.

Câștig bifacial

Aceasta este o putere suplimentară obținută din partea din spate a modulului în comparație cu puterea din partea frontală a modulului în condiții standard de testare. Câștigul bifacial depinde de montaj (structura, înălțimea, unghiul de înclinare și altele) și albedo-ul suprafeței solului.

Figura 4: Construcția unui modul dual BF de sticlă.

Câștig bifacial = ( 𝑌𝐵𝑖 - 𝑌 ) / 𝑌𝑀𝑜

Unde:

YB _i = Puterea din modulul BF.

YM _o = Puterea de la un modul MF în aceleași condiții.

albeață

Acesta este raportul luminii reflectate de la o suprafață la lumina incidentă și variază în funcție de diferitele tipuri de suprafețe.

Figura 5: Efectul înălțimii asupra câștigului BF. Albedo 80%, înălțimea rândului 2,5 m [4].

Raportul de acoperire a terenului

Acesta este raportul dintre suprafața terenului acoperită de modulele PV și suprafața totală a terenului ocupată de instalație. Acest raport are un efect asupra luminii reflectate și poate influența performanța panoului BF.

Montare optimă a modulelor BF

Deoarece modulele bifacial absoarbe radiațiile solare de pe ambele părți, ele permit o varietate de opțiuni de înclinare și de instalare și sunt ideale pentru instalări de sol la sol, pe acoperiș, în deșert și în zone cu zăpadă sau pe aplicații pe apă. Sistemele de montare concepute pentru a optimiza spatele și reflexia din acoperișuri și instalațiile de montare pe sol ridică structura deasupra solului sau a acoperișului pentru a capta lumină mai dispersată sau mai reflectată.

Structura înălțime și spațiere

Ridicarea structurii deasupra solului mărește cantitatea de radiație care ajunge la partea din spate a panoului și îmbunătățește astfel performanța și câștigul bifacial. Creșterea distanței dintre rânduri îmbunătățește, de asemenea, câștigul bifacial (vezi figura 6).

Figura 6: Radiație pe panoul BF montat vertical (Sanyo).

Creșterea câștigului pare să se aplatizeze la o înălțime de aproximativ 1 m. Creșterea înălțimii structurii are un efect foarte pronunțat asupra rețelelor de montare pe acoperiș, în special în cazul în care sunt implicate acoperișuri plate. Pericolul de încărcare a vântului poate fi o problemă. Mai mulți producători de structuri de montaj au realizat structuri înalte pentru instalațiile de la sol și la acoperiș.

Câștigurile obținute cu o înălțime mai mare pot fi utilizate în structuri deschise, cum ar fi locuri de parcare și depozite de aer liber, precum și zone de divertisment și ospitalitate. Capacul transparent permite o anumită lumină să filtreze modulul.

Panouri BF orientate vertical

Una dintre cele mai interesante aplicații de a ieși din matricea BF este posibilitatea unei matrice montate vertical. Panourile BF montate pe verticală au fost utilizate în trecut în mod eficient ca bariere de zgomot și lumină pe autostrăzi. Un panou montat vertical ocupă mult mai puțin spațiu decât un panou orizontal sau înclinat. Există două opțiuni, orientarea nord-sud clasică și orientarea alternativă spre est-vest.

Pentru a se potrivi mai bine cererea la fața locului cu profiluri de generare PV pe parcursul zilei, există o tendință de a utiliza o orientare orientată spre est-vest, unde jumătate din panouri sunt înclinate spre est pentru a crea un vârf de generație dimineața, iar jumătatea rămasă este înclinată spre vest permiteți un alt vârf de generație în după-amiaza (a se vedea figura 7). Acest profil dublu-vârf poate fi mai potrivit pentru utilizarea electricității la fața locului, în special pentru instalațiile rezidențiale și comerciale.

Figura 7: Modelul zilnic de radiații pentru modulele BF est-vest [5].

Această abordare neconvențională poate merge cu un pas mai departe dacă se utilizează module bifacial orientate vertical spre vest, ceea ce ar reduce mai mult decât jumătate numărul de module necesare unei instalații echivalente. Această configurație ar produce din nou vârfuri de două generații, dar ar beneficia de asemenea de lumina difuză suplimentară care intră în modul. Panourile BF permit o orientare verticală orientată spre est-vest, cu potențial de a furniza o producție mai mare de energie decât panourile monofacial.

În orientarea nord-sud, panoul frontal primește radiații directe și difuze, iar partea din spate a panoului primește radiații difuze. În orientarea est-vest cu fețe opuse orientate către est și vest, ambele părți primesc radiații directe și reflectate în momente diferite ale zilei (vezi figura 7). La prima locație, metoda de montare pare a fi ineficientă, la ora 12:00, soarele este în unghi drept față de panouri și nu ar trebui să existe nicio ieșire. Puterea semnificativă se datorează faptului că ambele suprafețe față și spate primesc cantitatea maximă de radiații difuze și reflectate.

Radiația primită de un modul va depinde în mare măsură de reflexia (albedo) a obiectelor din apropiere și de sol. Acest lucru este deosebit de important pentru modulele verticale în jurul verii în timpul verii, când radiația directă este cea mai intensă, dar când unghiul soarelui înseamnă că lumina directă a fasciculului luminos primită de module este relativ mică. Un panou bifacial vertical reduce acumularea de praf și zăpadă și oferă două vârfuri de ieșire în timpul zilei, al doilea vârf fiind aliniat la cererea de vârf a electricității (a se vedea figura 8).

Figura 8: Comparație între opțiunile de montare [5].

Unul dintre motivele pentru o producție mai mare de energie este că temperatura modulului est-vest este mai mică în timpul perioadei de iradiere maximă, comparativ cu modulul orientat spre sud. Multe rețele cu penetrații mari de energie solară au surplus de energie în timpul perioadelor de producție de vârf de la amiază și de o lipsă în timpul perioadei de vârf. Schimbarea vârfurilor prin orientarea verticală orientată spre est-vest pentru noul PV oferă o curbă mai productivă a producției de energie (vezi figura 9).

Perspective de viitor

Deși există mai multe proiecte care utilizează modulele BF, procentul de module BF de pe piață este foarte mic în prezent, dar se așteaptă să crească semnificativ în viitor, deoarece mai multe produse vin pe piață și se realizează mai multe instalații. Posibila îmbunătățire a producției de până la 30% este de așteptat să fie mult mai atractivă decât creșterea cu câteva procente a eficienței care ar putea fi obținută odată cu dezvoltarea tehnologică.

Figura 9: Creșterea estimată a utilizării celulelor BF [1].

Referințe

[1] T Dullweber, et al: "Bifacial PERC + celule solare: stadiul implementării industriale și perspectivele viitoare";     bifiPV2017 atelier, Konstanz, octombrie 2017.
[2] W Herman: "Caracteristicile de performanță ale modulelor fotovoltaice bifacial și etichetarea de putere" , atelier bifiPV2017, Konstanz, octombrie 2017.
[3] D Brearly: "Sistemele fotovoltaice bifacial", revista Solarpro Ediția 10.2, Mar / Apr '17
[4] Solarworld: " Cum se maximizează randamentul energetic cu tehnologia bifacială", hârtie albă SW9001US 160729
[5] EPRI: "Module PV solare bifacial", www.epri.com