Bifacial Saules paneļi dod lielāku jaudas potenciālu

No: Maijs 9, 2018, Publicēts Raksti: Energize, ko Mike Rycroft, EE Publishers

Atstarots un izkliedēts starojums saules moduļu otrā pusē var palielināt saules moduļu jaudas izlaidi bez lieliem efektivitātes uzlabojumiem.

Vēsturiski bifacial (BF) saules baterijas bija vērstas uz integrētu PV lietojumprogrammu izveidi vai vietās, kur liela daļa pieejamo saules enerģijas ir izkliedēta saules gaisma, kas ir atlecusi no zemes un apkārtējiem objektiem, ti, ekstremāliem platuma grādiem un sniega noslogotiem reģioniem. Tomēr kombinācija ar standarta ekrāna drukātajām saules baterijām un lielo saules stikla izmaksu samazinājumu, kas nodrošina divkārša stikla (DG) iekapsulēšanas izmantošanu, kombinācija ar bifacial saules moduļiem atgriezās uzmanības centrā [2]. .

BF tehnoloģijas mērķis nav palielināt saules moduļa vai paneļa efektivitāti, bet gan iegūt vairāk saules enerģijas uz moduli. Tiek prognozēts pieaugums līdz pat 30% atkarībā no tādiem faktoriem kā zemes virsmas atstarošanas, augstums virs zemes, slīpuma leņķis un vairāki citi. Moduļa saņemtais starojums sastāv no vairākiem komponentiem:

1. Tiešais starojums no saules.

2. Netiešs difūzais starojums, ko izraisa gaisa daļiņas, mākoņi un citi.

3. Atstarots starojums no virsmām, kas atrodas tuvu saules modulim.

Saules enerģijas aprēķinos parasti neņem vērā atstaroto starojumu. Difūzā starojuma mērījumi attiecas uz starojuma avotiem virs horizontālās plaknes. Parastā saules starojuma mērīšanas metode izmanto piranometru, kas ir uzstādīts horizontāli, un tikai mēra starojumu virs horizontālās plaknes. Pat sasvērtajā konfigurācijā piranometrs neizmēra starojumu zem mērījuma plaknes (sk. 1. att.).

1. attēls. Saules starojuma mērīšana ar piranometru.

Difūzais starojums var dot ievērojamu kopējo starojuma daudzumu, taču lielākā daļa no tā netiks uztverta slīpā vai horizontāli uzstādītā modulī. Moduļa noliekšana palielina tiešā starojuma intensitāti, bet bloķē lielu daļu netiešā starojuma. Difūzais starojums pēc būtības ir izoptrisks, ti, tam ir tāda pati vērtība neatkarīgi no avota, bet atstarotais starojums būs atkarīgs no virsmas, kas ap saules bloku, masīva leņķi un citiem faktoriem. Priekšējais panelis saņems gan tiešo, gan difūzo starojumu, atkarībā no paneļa slīpuma leņķa.

Moduļa aizmugurējā daļa saņems gaismas avotu no diviem avotiem:

·          Blakus lauka izkliede: atspoguļoja tiešu un difūzu starojumu.

·          Difūzais starojums: neatstarots starojums tieši no difūzajiem avotiem.

Dažādas virsmas atspoguļo gaismu dažādos ātrumos, un atstarojošās īpašības apraksta albedo faktors. Albedo apraksta ne-gaismas gaismas atstarošanu - to nosaka attiecība starp gaismu, kas atstarota no virsmas, un nejaušo starojumu. Skatiet 1. tabulu, lai novērtētu dažas albedo vērtības [2]

Difūzās gaismas un tiešās gaismas attiecība mainīsies atkarībā no apstākļiem. Zema spožuma dēļ mākoņa dēļ difūzās gaismas procentuālais daudzums būs augstāks nekā saulainos apstākļos, un pieaugums, salīdzinot ar monofacial PV, var būt augstāks nekā saulainos apstākļos [5].

BF moduļu būvniecība

Šūnu konstrukcija

Monofacial PV šūnas parasti tiek izgatavotas ar atstarojošu slāni uz kameras aizmugurējās virsmas, lai labāk apgaismotu gaismu, kas nokrīt uz priekšējās virsmas. Fotonus, kas nesakrūst priekšējā slānī, var absorbēt atpakaļceļa braucienā, tādējādi palielinot šūnas efektivitāti. Tas nozīmē, ka fotoni, kas ceļo pretēji normālam virzienam, var radīt elektroenerģiju, un, ja fotoniem, kas nokrīt uz aizmugures, var ļaut iekļūt šūnā, tos var efektīvi izmantot elektroenerģijas ražošanai. Tas tiek panākts, daļēji noņemot atstarojošo slāni, kas arī darbojas kā vadītājs (skat. 2. att.).

2. attēls: atstarotā gaisma paneļa aizmugurē [3].

Vadītāja slāņa samazināšana šūnas aizmugurē palielina pretestību, un šūnu aizmugurē ir nepieciešami vairāki vadītāji, nekā tas ir priekšā, lai kompensētu šo. Tas samazina radiācijas kameras aizmugures laukumu.

Dažādu veidu PV šūnu būvniecība ir sarežģītāka, nekā parādīts, un konversija nav tik vienkārša. Lai veiktu efektīvu BF šūnu, ir nepieciešamas arī citas darbības. Ir radušies vairāki modeļi, kas izmanto BF principu. Lielākā daļa ietver esošo šūnu modifikāciju, bet ir vairāki, kas ir īpaši izstrādāti kā BF šūnas.

Tirgū parasti tiek izmantoti divi bifaciālo šūnu konstrukciju veidi: heterojunkcija un pasivētais emittera aizmugures elements (PERC). Heterojunkcijas šūnas izmanto monokristālu silīciju, kamēr PERC šūna ir pieejama gan mono-, gan polikristāliskā silīcija versijās. Bifacial šūnas ir sarežģītākas ražot, un tas palielina moduļa izmaksas.

Aizmugurējā apgaismojuma efektivitāte ir zemāka nekā priekšējais apgaismojums, kā parādīts 2. tabulā. Tas lielā mērā ir saistīts ar palielināto laukumu, ko aizņem vadītāji aizmugurē, salīdzinot ar priekšējo.

Moduļu konstrukcija

Monofacial (MF) kristāliskie silīcija paneļi parasti ir pārklāti ar necaurspīdīgu apvalku, bet šo metodi nevar izmantot ar BF sistēmām. Modulim jābūt pārredzamām aizmugurējām un priekšējām virsmām, kas nodrošina mehānisku izturību. Turklāt šūnas jāiekļauj aizsargājošā materiāla slānī. Visbiežāk izmantotā konfigurācija ir divkāršs fotoelementu stikla slānis, kas ietver kameras, kas ir iekapsulētas aizsargājošā polimēra materiālā.

Lai bifacial šūnas aizmugurē spīdētu gaisma, ir nepieciešams vai nu UV stariem izturīgs caurspīdīgs aizmugures materiāls, vai arī papildu saules stikla slānis. Vairumā gadījumu, kā parādīts 4. attēlā, ražotāji izvēlas stikla uz stikla paketi, kas parasti uzlabo lauka izturību, salīdzinot ar stikla plēves opcijām. Stikla uz stikla iepakojums ir stingrāks, kas samazina mehānisko slodzi uz šūnām transportēšanas, apstrādes un uzstādīšanas laikā, kā arī stresu vides apstākļu, piemēram, vēja vai sniega dēļ. Konfigurācija ir arī mazāk ūdens caurlaidīga, kas var samazināt gada degradācijas ātrumu. Bifacial moduļi ir bezrāmju. Alumīnija rāmja novēršana efektīvi samazina potenciālās degradācijas iespējas (PID) [3].

3. attēls: atšķirība starp mono-sejas un divu seju PV šūnām.

Dual glass (DG) stiprinājumam ir vairākas priekšrocības:

·          Mikrokrekinga, delaminācijas un mitruma korozijas samazināšana.

·          Zemāka šūnu temperatūra.

·          Potenciāli neizraisa degradāciju, jo nav metāla rāmja, kas prasa iezemēšanu.

·          Zemāks noārdīšanās ātrums.

·          Augstāks ugunsdrošības novērtējums.

·          Lielāka mehāniskā izturība un mazāk lokanība.

Tirgus produkti

3. tabulā ir uzskaitītas dažas no BF sistēmām, kas pašlaik ir pieejamas tirgū, ar to īpašībām.

Pārejas parametri

BF saules moduļu raksturlielumu raksturošanai nozarē tiek izmantoti vairāki parametri.

Bifacialitātes faktors

Tā ir attiecība starp aizmugurējo un priekšējo sānu efektivitāti un priekšējās un aizmugurējās jaudas attiecību, ko mēra standarta testa apstākļos.

Bifacial pieaugums

Tā ir papildu jauda, kas iegūta no moduļa aizmugures, salīdzinot ar jaudu no moduļa priekšpuses standarta testēšanas apstākļos. Bifakālais pieaugums ir atkarīgs no montāžas (struktūra, augstums, slīpuma leņķis uc) un zemes virsmas albedo.

4. attēls. Divkārša stikla BF moduļa konstrukcija.

Bifacial gain = ( 𝑌𝐵𝑖 - 𝑌 ) / 𝑌𝑀𝑜

kur:

YB _i = BF moduļa jauda.

YM _o = jauda no MF moduļa tādos pašos apstākļos.

Albedo

Tā ir attiecība starp gaismu, kas atstarota no virsmas līdz gaismas signālam, un mainās atkarībā no dažādiem virsmas tipiem.

5. att. Augstuma ietekme uz BF pastiprinājumu. Albedo 80%, rindas piķis 2,5 m [4].

Zemes pārklājuma attiecība

Tā ir attiecība starp zemes moduļiem, uz kuriem attiecas PV moduļi, un kopējo zemes platību, ko aizņem iekārta. Šī attiecība ietekmē atstaroto gaismu un var ietekmēt BF paneļa veiktspēju.

BF moduļu optimāla montāža

Tā kā bifaciālie moduļi absorbē saules starojumu no abām pusēm, tie nodrošina dažādus slīpuma un uzstādīšanas variantus, un tie ir ideāli piemēroti paaugstinātām grunts, jumta, tuksneša un sniega teritorijas instalācijām vai lietojumam ūdenī. Uzstādīšanas sistēmas, kas paredzētas, lai optimizētu aizmugures izkliedēšanu un atstarošanu no jumtiem un uz zemes uzstādītajām iekārtām, paaugstina struktūru virs zemes vai jumta, lai iegūtu vairāk izkliedētu vai atstarotu gaismu.

Struktūras augstums un atstatums

Struktūras paaugstināšana virs zemes palielina starojuma daudzumu, kas sasniedz paneļa aizmuguri un tādējādi uzlabo veiktspēju un bifakālo pastiprinājumu. Attāluma palielināšana starp rindām arī uzlabo bifakālo pastiprinājumu (sk. 6. att.).

6. attēls: starojums uz vertikāli uzstādītiem BF paneļiem (Sanyo).

Šķiet, ka palielināšanās palielinās aptuveni 1 m augstumā. Struktūras augstuma palielināšanai ir ļoti izteikta ietekme uz jumta stiprinājuma blokiem, īpaši, ja ir iesaistīti plakani jumti. Iespējams, ka problēma ir palielināta vēja slodzes risks. Vairāki montāžas konstrukciju ražotāji ir ražojuši paaugstinātas konstrukcijas gan zemes, gan jumta iekārtām.

Paaugstināta augstuma gūto labumu var izmantot labi izmantojamās ēkās, piemēram, stāvvietās un brīvdabas krātuvēs, kā arī izklaides un viesmīlības zonās. Caurspīdīgais iekapsulētājs ļauj dažu gaismu filtrēt caur moduli.

Vertikāli orientēti BF paneļi

Viena no interesantākajām lietojumprogrammām, kas rodas no BF masīva, ir vertikāli uzstādīta masīva iespēja. Vertikāli uzstādīti BF paneļi ir efektīvi izmantoti kā skaņas un gaismas barjeras automaģistrālēs. Vertikāli uzstādīts panelis aizņem daudz mazāk vietas nekā horizontāls vai slīps panelis. Pastāv divas iespējas: klasisks ziemeļu-dienvidu virziens un alternatīvs austrumu-rietumu virziens.

Lai labāk pielāgotu vietējo pieprasījumu pēc PV ražošanas profiliem visas dienas garumā, ir tendence izmantot austrumu-rietumu paneļa orientāciju, kur puse no paneļiem tiek pagriezta uz austrumiem, lai radītu paaudzes maksimumu no rīta un atlikušo pusi pagrieztu uz rietumiem uz pēcpusdienā pieļauj citu paaudzes pīķi (sk. 7. att.). Šis dubultpīķa profils var labāk pielāgot elektroenerģijas izmantošanu uz vietas, īpaši dzīvojamām un komerciālām iekārtām.

7. attēls: Ikdienas starojuma modelis uz austrumu-rietumu BF moduļiem [5].

Šī netradicionālā pieeja var iet vienu soli tālāk, ja tiek izmantoti vertikāli uzstādītie bifacial austrumu-rietumu moduļi, kas vairāk nekā uz pusi samazinātu moduļu skaitu, kas vajadzīgi līdzvērtīgai instalācijai. Šī konfigurācija atkal radītu divas paaudzes virsotnes, bet arī labumu no papildu difūzās gaismas, kas ienāk modulī. BF paneļi ļauj vertikāli uzstādīt austrumu-rietumu orientāciju, kas spēj nodrošināt lielāku enerģijas ražošanu nekā monofacial paneļi.

Ziemeļu-dienvidu virzienā priekšējais panelis saņem tiešu un izkliedētu starojumu, un paneļa aizmugure saņem difūzu starojumu. Austrumu un rietumu virzienā ar pretējām pusēm, kas vērstas uz austrumiem un rietumiem, abas puses saņem tiešu un atstarotu starojumu dažādos dienas laikos (sk. 7. att.). Pirmajā vietā montāžas metode, šķiet, ir neefektīva, jo pusdienlaikā saule ir taisnā leņķī pret paneļiem, un izejai nevajadzētu būt. Ievērojama izlaide ir saistīta ar to, ka gan priekšējās, gan aizmugurējās virsmas saņem maksimālo izkliedētā un atstarotā starojuma daudzumu.

Moduļa saņemtais starojums lielā mērā būs atkarīgs no tuvējo objektu un zemes atstarošanas (albedo). Tas ir īpaši svarīgi attiecībā uz vertikāliem moduļiem vasaras pusdienlaikā, kad tiešās gaismas saule ir visintensīvākā, bet, ja saules leņķis nozīmē, ka moduļu saņemtais tiešais gaismas saules starojums ir salīdzinoši neliels. Vertikāls bifacial panelis samazina putekļu un sniega uzkrāšanos un nodrošina divus izejas maksimumus dienas laikā, otrais maksimums tiek pieskaņots maksimālajam elektroenerģijas pieprasījumam (sk. 8. att.).

8. attēls. Montāžas iespēju salīdzinājums [5].

Viens no iemesliem lielākai enerģijas ražošanai ir tas, ka austrumu-rietumu moduļa temperatūra maksimālā izstarojuma laikā ir zemāka, salīdzinot ar dienvidu orientēto moduli. Daudziem tīkliem ar augstu saules caurlaidību vidējā maksimuma ražošanas laikā ir enerģijas pārpalikums un trūkums pīķa periodā. Pīķu novirzīšana, izmantojot vertikālās montāžas austrumu-rietumu orientāciju jaunam PV, dod vienmērīgāku enerģijas ražošanas līkni (sk. 9. att.).

Nākotnes perspektīvas

Lai gan ir vairāki projekti, kas izmanto BF moduļus, BF moduļu īpatsvars tirgū pašlaik ir ļoti mazs, bet paredzams, ka nākotnē tas ievērojami palielināsies, jo tirgū nonāk vairāk produktu un tiek veikti vairāk iekārtu. Paredzams, ka produkcijas izlaide līdz pat 30% būs daudz pievilcīgāka par dažu procentu punktu pieaugumu, ko varētu panākt ar tehnoloģiju attīstību.

9. attēls: Paredzamais BF šūnu lietošanas pieaugums [1].

Atsauces

[1] T Dullweber et al: „Bifacial PERC + saules baterijas: rūpnieciskās īstenošanas statuss un nākotnes perspektīvas”,     bifiPV2017 darbnīca, Konstanz, 2017. gada oktobris.
[2] W Herman: „Bifacial PV moduļu un enerģijas marķējuma veiktspējas raksturlielumi” , darbnīca „ bifiPV2017”, Konstanz, 2017. gada oktobris.
[3] D Brearly: “Bifacial PV Systems”, žurnāls Solarpro 10.2.
[4] Solarworld: „ Kā maksimāli palielināt enerģijas daudzumu ar bifacial tehnoloģiju”, Baltā grāmata SW9001US 160729
[5] EPRI: “Bifacial solar PV moduļi”, www.epri.com