Bifacial solpaneler gir økt potensialutgang

Fra: 9 mai 2018, Publisert i artikler: Energize, av Mike Rycroft, EE Publishers

Reflektert og diffus stråling på baksiden av solmoduler kan øke effekten av solmoduler uten større effektivitetsforbedringer.

Historisk sett var bifacial (BF) solceller rettet mot å bygge integrerte PV-applikasjoner eller i områder der mye av den tilgjengelige solenergi er diffust sollys som har hoppet av bakken og omkringliggende objekter, dvs. ekstreme breddegrader og snøstrekkende områder. Imidlertid har kombinasjonen av plateauing topp effektivitet fra standard skjerm-trykte solceller og betydelige reduksjoner i kostnaden av solglass de senere årene som gjør bruk av dobbelt glass (DG) innkapsling levedyktig, presset bifacial solmoduler tilbake i rampelyset [2] .

Målet med BF-teknologien er ikke å øke effektiviteten til solpanelet eller panelet, men å fange opp mer solenergi per modul. Gevinst på opptil 30% projiseres, avhengig av faktorer som reflektiviteten til bakken, høyden over bakken, vippevinkelen og flere andre. Strålingen mottatt av modulen består av flere komponenter:

1. Direkte stråling fra solen.

2. Indirekte diffus stråling forårsaket av luftpartikler, skyer og andre.

3. Reflektert stråling fra overflater nær solmodulen.

Reflektert stråling er generelt ikke tatt i betraktning i solenergiberegninger. Diffuse strålingsmålinger refererer til strålekilder over horisontalplanet. Den vanlige metoden for måling av solstråling bruker et pyranometer som er montert horisontalt og kun måler stråling over horisontalplanet. Selv i en skråstilling vil pyranometeret ikke måle stråling under måleplanet (se figur 1).

Fig. 1: Måling av solstråling med pyranometer.

Diffus stråling kan bidra med en betydelig mengde av den totale strålingen, men mye av dette vil ikke bli tatt i en kantet eller horisontalt montert modul. Tilting av modulen øker intensiteten til den direkte strålingen, men blokkerer en stor del av den indirekte strålingen. Diffus stråling er isoptropisk i naturen, dvs. den har samme verdi uavhengig av kilden, mens reflektert stråling vil avhenge av naturen på overflaten som omgir solarammen, vinkelen av matrisen og andre faktorer. Frontpanelet vil motta både direkte og diffus stråling, forholdet avhenger av tiltvinkelen til panelet.

Baksiden av modulen vil motta lys fra to kilder:

·          Nær feltpredning: gjenspeilet direkte og diffus stråling.

·          Diffus stråling: Ikke reflektert stråling direkte fra diffuse kilder.

Ulike flater reflekterer lys ved forskjellige hastigheter, og de reflekterende egenskapene er beskrevet av albedofaktoren. Albedo beskriver reflektiviteten av en ikke-lysende overflate - den bestemmes av forholdet mellom det reflekterte lyset fra overflaten og den tilfeldige strålingen. Se tabell 1 for noen verdier av albedo målt [2]

Forholdet mellom diffus lys og direkte lys vil variere med forholdene. Under lav utstråling på grunn av sky vil prosentandelen diffust lys være høyere enn under solrige forhold, og gevinsten i forhold til monofacial PV kan derfor være høyere enn under solrike forhold [5].

Bygging av BF moduler

Cell konstruksjon

Monofaciale PV-celler er vanligvis konstruert med et reflekterende lag på baksiden av cellen for å muliggjøre bedre absorpsjon av lys som faller på frontflaten. Fotoner som ikke blir absorbert i frontlaget, kan absorberes på returflyvningen, noe som øker effektiviteten til cellen. Dette betyr at fotoner som går i motsatt retning til normalt, kan generere elektrisitet, og hvis fotoner som faller på baksiden, kan få lov til å komme inn i cellen, kan de brukes effektivt til å generere elektrisitet. Dette oppnås ved delvis å fjerne det reflekterende laget, som også virker som en leder (se figur 2).

Fig. 2: Reflektert lys på baksiden av panelet [3].

Reduksjon av det ledende laget på baksiden av cellen øker motstanden, og flere ledere kreves på baksiden av cellen enn på forsiden for å kompensere for dette. Dette reduserer området på baksiden av cellen som er tilgjengelig for stråling.

Konstruksjonen av de forskjellige typene PV-celler er mer kompleks enn det som er vist, og konverteringen er ikke så enkel. Det er andre trinn som kreves for å lage en BF-celle som fungerer effektivt. Flere design har dukket opp som bruker BF-prinsippet. De fleste involverer modifisering av eksisterende celler, men det er flere som er designet spesielt som BF-celler.

To typer bifacialcellekonstruksjon er i vanlig bruk på markedet: heterojunksjonen og den passiverte emitter-bakcellen (PERC). Heterokjeksjonsceller bruker monokrystallinsk silisium mens PERC-cellen er tilgjengelig i både mono- og polykrystallinske silikonversjoner. Bifacialceller er mer komplekse å produsere og dette bidrar til kostnaden av modulen.

Effektiviteten til den bakre belysningen er lavere enn frontbelysningen, som vist i tabell 2. Dette skyldes i stor grad det økte arealet okkupert av ledere på baksiden av cellen sammenlignet med fronten.

Modul konstruksjon

Monofaciale (MF) krystallinske silisiumpaneler er vanligvis innkapslet i ugjennomsiktig innkapsling bak, men denne metoden kan ikke brukes med BF-systemer. Modulen må ha gjennomsiktige bak- og frontflater som gir mekanisk styrke. I tillegg må cellene være innelukket i et lag av beskyttende materiale. Den vanligste konfigurasjonen er et dobbeltlag av fotovoltaisk glass som omslutter cellene som er innkapslet i et beskyttende polymermateriale.

Det kreves enten et UV-motstandsdyktig gjennomsiktig baksjiktmateriale eller et ekstra lag med solglass for å tillate lys å skinne på baksiden av en bifacialcelle. I de fleste tilfeller, som vist i figur 4, velger produsenter en glass-på-glasspakke som generelt forbedrer feltets holdbarhet sammenlignet med glass-på-film-alternativer. Glass-på-glasspakken er mer stiv, noe som reduserer mekanisk stress på cellene under transport, håndtering og installasjon, samt stress på grunn av miljøforhold som vind eller snø. Konfigurasjonen er også mindre gjennomtrengelig for vann, noe som kan redusere årlige nedbrytningshastigheter. Bifacial moduler er frameløse. Eliminering av aluminiumsrammen reduserer effektivt mulighetene for potensielt indusert nedbrytning (PID) [3].

Fig. 3: Forskjellen mellom mono-ansikts- og bi-ansikts-PV-celler.

Dobbel glass (DG) montering har flere fordeler:

·          Reduksjon i microcracking, delaminering og fuktkorrosjon.

·          Lavere celletemperatur.

·          Ingen potensiell innusert nedbrytning, da det ikke er noen metallramme som krever jording.

·          Lavere nedbrytningshastighet.

·          Høyere flammesikker vurdering.

·          Høyere mekanisk styrke og mindre bøyning.

Markedsprodukter

Tabell 3 viser noen av de BF-systemene som er tilgjengelige på markedet for øyeblikket, med sine egenskaper.

Peformance parametere

Flere parametere brukes i bransjen for å beskrive egenskapene til BF solmoduler.

Bifacialitetsfaktor

Dette er forholdet mellom effektene på baksiden og på forsiden, eller forholdet mellom fronten og den bakre kraften målt under standard testbetingelser.

Bifacial gevinst

Dette er ekstra kraft som er oppnådd fra baksiden av modulen, sammenlignet med strømmen fra forsiden av modulen ved standard testbetingelser. Den bifaciale gevinst avhenger av montering (struktur, høyde, tiltvinkel og andre) og jordoverflaten albedo.

Fig. 4: Konstruksjon av en dobbelt glass BF modul.

Bifacial gain = ( 𝑌𝐵𝑖 - 𝑌 ) / 𝑌𝑀𝑜

hvor:

YB _i = Strømmen fra BF-modulen.

YM _o = Strømmen fra en MF-modul under de samme forholdene.

albedo

Dette er forholdet mellom lys reflektert fra en overflate til hendelseslyset og varierer med forskjellige overflatetyper.

Fig. 5: Effekt av høyde på BF gevinst. Albedo 80%, radhøyde 2,5 m [4].

Jorddekningsforhold

Dette er forholdet mellom bakken som dekkes av PV-modulene, til det totale bakkenivået som installeres. Dette forholdet har en effekt på reflektert lys og kan påvirke ytelsen til BF-panelet.

Optimal montering av BF moduler

Siden bifacialmoduler absorberer solstråling fra begge sider, tillater de en rekke tilt- og installasjonsalternativer, og er ideelle for installasjoner for forhøyet grunnlag, tak, ørken og snødekte installasjoner eller på vannet. Monteringssystemer som er utformet for å optimalisere backscatter og refleksjon fra tak og jordmonterte installasjoner, øker strukturen over bakken eller taket for å fange mer spredt eller reflektert lys.

Strukturhøyde og avstand

Ved å heve strukturen over bakken økes mengden stråling som kommer til baksiden av panelet og forbedrer dermed ytelsen og bifacial forsterkningen. Økning av avstanden mellom rader forbedrer også bifaksforsterkningen (se figur 6).

Fig. 6: Stråling på vertikalt montert BF panel (Sanyo).

Gevinstøkningen ser ut til å flate ut i en høyde på ca 1 m. Å øke strukturenes høyde har en svært uttalt effekt på takmonteringsarrayer, spesielt der flattak er involvert. Faren for økt vindbelastning kan være et problem. Flere montasjestrukturprodusenter har produsert forhøyede konstruksjoner for både jord- og takinstallasjoner.

Gevinstene som er oppnådd med økt høyde, kan benyttes til god bruk i konstruksjoner av åpen skurstype, som parkeringsplasser og friluftsbåter, samt underholdnings- og gjestfrihetsområder. Den gjennomsiktige innkapslingen gir noe lys å filtrere gjennom modulen.

Vertikalt orienterte BF paneler

En av de mest interessante applikasjonene som kommer fra BF-arrayet, er muligheten for et vertikalt montert array. Vertikalt monterte BF-paneler har tidligere vært brukt som lyd- og lysbarrierer på motorveier. Et vertikalt montert panel opptar mye mindre plass enn et horisontalt eller skråt panel. Det finnes to alternativer, klassisk nord-sør orientering og alternativ øst-vestvendt.

For bedre å passe på forespørselen på stedet med PV-generasjonsprofiler gjennom dagen, er det en trend å bruke en øst-vest panelretning, hvor halvparten av panelene er skråstilt østover for å skape en generasjonstopp om morgenen og den resterende halvdelen er skråstilt vestover til tillate en annen generasjon topp på ettermiddagen (se figur 7). Denne dobbelte toppprofilen kan bedre passe på stedet for strømforbruk, spesielt for boliger og kommersielle installasjoner.

Fig. 7: Daglig strålingsmønster på øst-vest-BF-moduler [5].

Denne ukonvensjonelle tilnærmingen kan gå et skritt videre dersom vertikalt monterte øst-vestvendte bifacialmoduler blir brukt, noe som ville mer enn halvere antall moduler som trengs for en tilsvarende installasjon. Denne konfigurasjonen vil igjen produsere to generasjonstopper, men vil også ha nytte av det ekstra diffuse lyset som kommer inn i modulen. BF-paneler gir en vertikal montert øst-vest orientering med potensial for å gi høyere energiproduksjon enn monofaciale paneler.

I nord-sør-orienteringen mottar frontpanelet direkte og diffus stråling, og baksiden av panelet mottar diffus stråling. I øst-vest orientering med motsatte sider mot øst og vest mottar begge sider direkte og reflektert stråling på forskjellige tider av dagen (se figur 7). På første side synes monteringsmetoden å være ineffektiv, som om dagen er solen rett på panelene, og det skal ikke være noe utgang. Vesentlig produksjon skyldes at både front og bakflater mottar maksimal mengde diffus og reflektert stråling.

Strålingen mottatt av en modul vil i stor grad avhenge av reflektiviteten (albedo) av nærliggende objekter og bakken. Dette er spesielt viktig for vertikale moduler rundt middagstid om sommeren, når stråle solskinn er mest intens, men når solens vinkel betyr at stråle solskinn mottatt av modulene er relativt liten. Et vertikalt bifacialpanel reduserer støv- og snøakkumulering og gir to utgangstopper i løpet av dagen, med den andre toppen justert til maksimal strømforbruk (se figur 8).

Fig. 8: Sammenligning mellom monteringsalternativer [5].

En av årsakene til større energiproduksjon er at temperaturen i øst-vest-modulen er lavere i løpet av maksimal bestråling, sammenlignet med den sør-orienterte modulen. Mange nettverk med høye gjennomtrengninger av solenergi har overskudd av energi i løpet av middagstidsproduksjonstiden og en mangel i lavtider. Bytte toppene ved å bruke vertikal montering øst-vest orientering for ny PV gir en mer jevn energiproduksjonskurve (se figur 9).

Framtidige mål

Selv om det er flere prosjekter som bruker BF-moduler, er andelen BF-moduler i markedet svært liten for øyeblikket, men forventes å øke betydelig i fremtiden, ettersom flere produkter kommer på markedet og flere installasjoner gjøres. Den mulige forbedringen på opptil 30% i produksjonen forventes å være langt mer attraktiv enn noen få prosentpoeng økning i effektivitet som kan oppnås med teknologiutvikling.

Fig. 9: Forventet vekst i BF-cellebruk [1].

referanser

[1] T Dullweber, et al: "Bifacial PERC + solceller: status for industriell implementering og fremtidsperspektiv",     bifiPV2017 verksted, Konstanz, oktober 2017.
[2] W Herman: " Ytelsesegenskaper for bifacial PV-moduler og kraftmerking " , bifiPV2017 verksted, Konstanz, oktober 2017.
[3] D Brearly: "Bifacial PV Systems", Solarpro Magazine Utgave 10.2, Mar / Apr '17
[4] Solarworld: " Hvordan maksimere energiutbyttet med bifacialteknologi", Hvit papir SW9001US 160729
[5] EPRI: "Bifacial solar PV modules", www.epri.com