Od: 9. svibnja 2018., objavljeno u člancima: Energize, autora Mikea Rycrofta, izdavača EE
Reflektirano i difuzno zračenje na poleđini solarnih modula može povećati izlaznu snagu solarnih modula bez većih poboljšanja učinkovitosti.
Povijesno gledano, bifacial (BF) solarne ćelije bile su usmjerene na izgradnju integriranih fotonaponskih sustava ili u područjima gdje je većina dostupne solarne energije raspršena sunčeva svjetlost koja se odbija od tla i okolnih objekata, tj. Ekstremnih geografskih širina i područja podložnih snijegu. Međutim, kombinacija vršnih stupnjeva učinkovitosti od standardnih solarnih ćelija i značajnog smanjenja troškova solarnog stakla u posljednjih nekoliko godina, uz upotrebu dvostrukog staklenog (DG) enkapsulacijskog materijala, vratila je bifacijalne solarne module u središte pozornosti [2] ,
Cilj BF tehnologije nije povećanje učinkovitosti solarnog modula ili panela, već hvatanje više solarne energije po modulu. Predviđaju se dobitci do 30%, ovisno o faktorima kao što su reflektivnost površine tla, visina iznad zemlje, kut nagiba i nekoliko drugih. Radijacija koju modul prima sastoji se od nekoliko komponenti:
1. Izravno zračenje od sunca.
2. Neizravno difuzno zračenje uzrokovano zračnim česticama, oblacima i drugima.
3. Reflektirano zračenje s površina u blizini solarnog modula.
Reflektirano zračenje se općenito 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 pridonijeti znatnoj količini ukupnog zračenja, ali većina toga neće biti zahvaćena u nagnutom ili horizontalno montiranom modulu. Naginjanje modula povećava intenzitet izravnog zračenja, ali blokira veliki dio neizravnog zračenja. Difuzno zračenje je po svojoj prirodi isoptropno, tj. Ima istu vrijednost bez obzira na izvor, dok će reflektirano zračenje ovisiti o prirodi površine oko solarnog polja, kutu polja i drugim čimbenicima. Prednja ploča će primati i izravno i difuzno zračenje, omjer ovisno o kutu nagiba panela.
Stražnja strana modula prima svjetlo iz dva izvora:
· Raspršivanje blizu polja: reflektirano izravno i difuzno zračenje.
· Difuzno zračenje: neizraženo zračenje izravno iz difuznih izvora.
Različite površine reflektiraju svjetlost različitim brzinama, a svojstva refleksije opisuje albedo faktor. Albedo opisuje reflektivnost ne-svjetleće površine - ona je određena omjerom između reflektirane svjetlosti od površine i slučajnog zračenja. Vidi tablicu 1 za neke vrijednosti izmjerenih albeda [2]
Tablica 1: Albedo vrijednosti za različite površine [4]. | |
Vrsta površine | albedo |
Zeleno polje (trava) | 10 - 25% |
beton | 20 - 40% |
Beton bijele boje | 60 - 80% |
Bijeli šljunak | 27% |
Bijeli krovni materijal | 56% |
Siva krovna membrana | 62% |
Bijela krovna membrana | 80% |
Pijesak | 20 - 40% |
Bijeli pijesak | 60% |
Snijeg | 45 - 95% |
Voda | 8% |
Omjer difuznog svjetla i izravnog svjetla ovisi o uvjetima. Pod niskim zračenjem zbog oblaka postotak difuznog svjetla bit će veći nego u sunčanim uvjetima, a dobit u usporedbi s monofacijalnom PV može biti viša nego u sunčanim uvjetima [5].
Izgradnja BF modula
Konstrukcija ćelija
Monofacialne PV stanice su obično konstruirane s reflektirajućim slojem na stražnjoj strani ćelije kako bi se omogućila bolja apsorpcija svjetlosti koja pada na prednju površinu. Fotoni koji se ne apsorbiraju u prednjem sloju mogu se apsorbirati na povratnom putu, čime se povećava učinkovitost ćelije. To znači da fotoni koji putuju u suprotnom smjeru od normalnog mogu generirati električnu energiju i ako fotoni koji padaju na stražnje lice mogu dopustiti da uđu u stanicu, mogu se učinkovito koristiti za proizvodnju električne energije. To se postiže djelomičnim uklanjanjem reflektirajućeg sloja, koji također djeluje kao vodič (vidi sliku 2).
Slika 2: Reflektirano svjetlo na stražnjoj strani ploče [3].
Smanjenje vodljivog sloja na stražnjoj strani ćelije povećava otpornost, a na stražnjoj strani ćelije je potrebno više vodiča nego na prednjoj strani kako bi se to kompenziralo. Time se smanjuje područje stražnjeg dijela ćelije raspoloživo za zračenje.
Konstrukcija različitih tipova fotonaponskih ćelija je složenija od prikazane i konverzija nije tako jednostavna. Postoje drugi koraci potrebni za stvaranje BF ćelije koja radi učinkovito. Pojavilo se nekoliko dizajna koji koriste BF princip. Većina uključuje modifikaciju postojećih stanica, ali postoji nekoliko koji su posebno dizajnirani kao BF stanice.
Na tržištu se uobičajeno koriste dvije vrste bifacialnih ćelijskih konstrukcija: heterosigurnost i pasivirana emiter zadnja stanica (PERC). Heterojne stanice koriste monokristalni silicij dok je PERC stanica dostupna u verzijama mono i polikristalnog silicija. Bifacijalne stanice su složenije za proizvodnju i to povećava cijenu modula.
Učinkovitost stražnjeg osvjetljenja je niža od prednjeg osvjetljenja, kao što je prikazano u tablici 2. To je uglavnom zbog povećanog područja koje zauzimaju vodiči na stražnjoj strani ćelije u usporedbi s prednjim.
Tablica 2: Prednja i stražnja učinkovitost nekoliko BF solarnih modula [1]. | ||
Proizvod | Prednja učinkovitost% | Stražnja učinkovitost% |
ISFH | 21,5 | 16,7 |
Jinko solar | 20,7 | 13,9 |
Longi solar | 21,6 | 17,3 |
Velika sunčeva energija | 20,7 | 13,9 |
Konstrukcija modula
Monofacialne (MF) kristalne silicijeve ploče su obično zatvorene u neprozirnom enkapsulantu na stražnjoj strani, ali se ova metoda ne može koristiti s BF sustavima. Modul mora imati prozirne stražnje i prednje površine koje osiguravaju mehaničku čvrstoću. Osim toga, stanice moraju biti zatvorene u sloj zaštitnog materijala. Najčešće prihvaćena konfiguracija je dvostruki sloj fotonaponskog stakla koji okružuje stanice 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 staklo-na-staklu koji općenito poboljšava trajnost polja u usporedbi s opcijama stakla na filmu. Paket od stakla na staklu je krutiji, što smanjuje mehaničko opterećenje stanica tijekom transporta, rukovanja i instalacije, kao i naprezanja zbog uvjeta okoliša kao što su vjetar ili snijeg. Konfiguracija je također manje propusna za vodu, što može smanjiti godišnje stope razgradnje. Bifacialni moduli su bez okvira. Uklanjanjem aluminijskog okvira učinkovito se smanjuju mogućnosti za potencijalno izazvanu degradaciju (PID) [3].
Slika 3: Razlika između mono-facial i bi-facial PV stanica.
Montaža s dvostrukim staklom (DG) ima brojne prednosti:
· Smanjenje mikročestica, raslojavanja i korozije vlage.
· Niža temperatura stanice.
· Nema oštećenja izazvanog potencijalom jer nema metalnog okvira koji zahtijeva uzemljenje.
· Niža brzina razgradnje.
· Veća otpornost na plamen.
· Veća mehanička čvrstoća i manje savijanje.
Tržišni proizvodi
U tablici 3 navedeni su neki od BF sustava koji su trenutno dostupni na tržištu, s njihovim karakteristikama.
Tablica 3: Karakteristike BF solarnog PV modula . | ||||
Proizvod | Tip | Ocjena (Wp) | Učinkovitost pri nultom pojačanju BF (%) | Učinkovitost pri povećanju od 30% BF (%) |
Jinko solar Eagle Dual 72 | Polycrystaline | 315 | 16,13 | 20.969 |
Kanadski Solar BiKu | Polycrystaline | 350 | 17,54 | 22,8 |
JA solarni JAN60D00 | Monocrystaline | 290 | 17,3 | 22,49 |
Trina solarna Duomax | Monocrystaline | 285 | 17,2 | 22,36 |
Yingli Panda 144HCF | Monocrystaline | 360 | 17,6 | 22,88 |
Parametri učinkovitosti
U industriji se koristi nekoliko parametara za opisivanje karakteristika BF solarnih modula.
Faktor bifacije
To je omjer između učinkovitosti stražnje i prednje strane ili omjera prednje i stražnje snage izmjerene u standardnim ispitnim uvjetima.
Bifacial dobitak
To je dodatna snaga dobivena od stražnje strane modula u usporedbi s napajanjem s prednje strane modula u standardnim uvjetima ispitivanja. Bifacijalni dobitak ovisi o montaži (konstrukcija, visina, kut nagiba i dr.) I albedu površine tla.
Slika 4: Konstrukcija dvostrukog stakla BF modula.
Bifacialni dobitak = ( 𝑌 - 𝑌 ) / 𝑌𝑀𝑜
gdje:
YB i = Napajanje BF modula.
YM o = Napajanje MF modula pod istim uvjetima.
albedo
To je omjer reflektirane svjetlosti 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 omjer površine zemljišta pokrivene fotonaponskim modulima ukupnom površinom zemljišta koje zauzima instalacija. Ovaj omjer utječe na reflektiranu svjetlost i može utjecati na performanse ploče BF.
Optimalna montaža BF modula
Budući da bifacial moduli apsorbiraju sunčevo zračenje s obje strane, dopuštaju različite mogućnosti nagibanja i ugradnje te su idealni za povišena postrojenja na tlu, na krovu, u pustinji ili na snijegu ili u primjeni na vodi. Sustavi za montažu dizajnirani za optimiziranje povratnog rasipanja i odbijanja od krovova i instalacija na tlo podižu strukturu iznad tla ili krova kako bi se dobilo više raspršene ili reflektirane svjetlosti.
Visina i razmak konstrukcije
Podizanje strukture iznad tla povećava količinu zračenja koja dopire do stražnjeg dijela ploče i tako poboljšava performanse i bifacijalnu dobit. Povećanje razmaka između redova također poboljšava bifacijalni dobitak (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, posebice kada se radi o ravnim krovovima. Opasnost od povećanog opterećenja vjetrom može biti problem. Nekoliko proizvođača montažnih konstrukcija proizveli su povišene konstrukcije za tlo i krovne instalacije.
Dobici koji se postižu povećanom visinom mogu se dobro iskoristiti u otvorenim konstrukcijama kao što su parkirališta i otvoreni prostori za odlaganje zraka, kao i područja za zabavu i ugostiteljstvo. Prozirni enkapsulant dopušta da svjetlo filtrira kroz modul.
VF orijentirane ploče
Jedna od najzanimljivijih aplikacija iz BF polja je mogućnost vertikalno postavljenog polja. Vertikalno postavljene BF ploče u prošlosti su se učinkovito koristile kao zvučne i svjetlosne barijere na autocestama. Vertikalno postavljena ploča zauzima puno manje prostora nego horizontalna ili nagnuta ploča. Postoje dvije mogućnosti: klasična orijentacija sjever-jug i alternativna orijentacija istok-zapad.
Kako bi bolje odgovarali potražnji na licu mjesta s profilima proizvodnje PV-a tijekom dana, postoji trend korištenja orijentacije ploče istok-zapad, gdje je polovica panela nagnuta prema istoku kako bi se stvorio vrhunac generacije ujutro, a preostala polovica nagnuta prema zapadu popodne dopustite još jedan vrh generacije (vidi sliku 7). Ovaj profil s dvostrukim vrhom može bolje odgovarati uporabi električne energije na licu mjesta, posebno za stambene i komercijalne instalacije.
Slika 7: Dnevni uzorak 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 ponovno proizvela vrhunce dvije generacije, ali bi također imala koristi od dodatnog difuznog svjetla koje ulazi u modul. BF paneli omogućuju okomito usmjerenu orijentaciju istok-zapad s mogućnošću proizvodnje veće energije od monofacijalnih panela.
U smjeru sjever-jug, prednja ploča prima izravno i difuzno zračenje, a stražnji dio panela prima difuzno zračenje. U smjeru istok-zapad s suprotnim stranama okrenutim prema istoku i zapadu, obje strane primaju izravno i reflektirano zračenje u različito doba dana (vidi sliku 7). Na prvi se način čini da je metoda montaže neučinkovita, jer je u podne sunce pod pravim kutom u odnosu na panele i ne bi trebalo biti izlaza. Značajan izlaz je zbog činjenice da i prednja i stražnja površina primaju maksimalnu količinu difuznog i reflektiranog zračenja.
Radijacija dobivena modulom uvelike će ovisiti o refleksivnosti (albedo) obližnjih objekata i tla. To je posebno važno za vertikalne module oko ljeta u podne, kada je izravna zračna svjetlost najintenzivnija, ali kada kut sunca znači da je izravna sunčeva svjetlost koju moduli primaju relativno mala. Vertikalna bifacial ploča smanjuje nakupljanje prašine i snijega i osigurava dva izlazna vrha tijekom dana, dok je drugi vrh usklađen s maksimalnom potražnjom električne energije (vidi sliku 8).
Slika 8: Usporedba između mogućnosti ugradnje [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 s visokim prodorima sunčeve energije imaju višak energije tijekom podnevnog vremena proizvodnje pika i nedostatak tijekom razdoblja izvan vršnog opterećenja. Prebacivanje vrhova korištenjem okomite orijentacije za istok-zapad za nove PV daje krivulju ravnomjernije proizvodnje energije (vidi sliku 9).
Buduci izgledi
Iako postoji nekoliko projekata koji koriste BF module, postotak BF modula na tržištu je trenutno vrlo mali, ali se očekuje da će se u budućnosti znatno povećati kako više proizvoda dođe na tržište i bude više instalacija. Očekuje se da će moguće poboljšanje proizvodnje do 30% biti daleko atraktivnije od nekoliko postotnih bodova povećanja učinkovitosti koje se mogu postići razvojem tehnologije.
Slika 9: Očekivani porast korištenja BF stanica [1].
Reference
[1] T Dullweber i suradnici: "Bifacial PERC + solarne ćelije: status industrijske implementacije i buduće perspektive", radionica bifiPV2017, Konstanz, listopad 2017.
[2] W Herman: "Karakteristike izvedbe bifacijalnih fotonaponskih modula i označavanje snage" , radionica bifiPV2017, Konstanz, listopad 2017.
[3] D Brearly: "Bifacial PV Systems", časopis Solarpro , broj 10,2, ožujak / travanj '17.
[4] Solarworld: " Kako maksimizirati energetski prinos s bifacijalnom tehnologijom", Bijela knjiga SW9001US 160729
[5] EPRI: "Bifacialni solarni fotonaponski moduli", www.epri.com