Bifaciale solpaneler giver øget potentiale for udgangseffekt

Fra: 9. maj 2018, Udgivet i artikler: Energize, af Mike Rycroft, EE Publishers

Reflekteret og diffust stråling på bagsiden af solmoduler kan øge solfangermodulernes effekt uden større effektivitetsforbedringer.

Historisk set var bifacial (BF) solceller rettet mod at bygge integrerede PV-applikationer eller i områder hvor meget af den tilgængelige solenergi er diffust sollys, der har skubbet væk fra jorden og omgivende objekter, dvs. ekstreme breddegrader og snedrevne regioner. Kombinationen af plateauing peak effektivitet fra standard screen-trykte solceller og betydelige reduktioner i prisen på solglas i de senere år, der gør brug af dobbeltglas (DG) indkapsling levedygtig har dog skubbet bifacial solmoduler tilbage i spotlightet [2] .

Målet med BF-teknologien er ikke at øge solfangermodulets eller panelets effektivitet, men at indsamle mere solenergi pr. Modul. Gevinster på op til 30% projiceres afhængigt af faktorer som reflektiviteten af jordoverfladen, højden over jorden, vippevinklen og flere andre. Strålingen modtaget af modulet består af flere komponenter:

1. Direkte stråling fra solen.

2. Indirekte diffus stråling forårsaget af luftpartikler, skyer og andre.

3. Reflekteret stråling fra overflader tæt på solmodulet.

Reflekteret stråling tages generelt ikke i betragtning ved beregning af solenergi. Diffuse strålingsmålinger refererer til strålekilder over vandret plan. Den sædvanlige metode til måling af solstråling bruger et pyranometer, der monteres vandret og kun måler stråling over vandret plan. Selv i en skrå konfiguration måler pyranometeret ikke stråling under måleplanet (se figur 1).

Figur 1: Måling af solstråling med pyranometer.

Diffus stråling kan bidrage med en betydelig mængde af den samlede stråling, men meget af dette vil ikke blive fanget i et hældende eller vandret monteret modul. Tiltning af modulet øger intensiteten af den direkte stråling, men blokerer for en stor del af den indirekte stråling. Diffus stråling er isoptropisk i naturen, dvs. den har samme værdi uanset kilden, mens reflekteret stråling vil afhænge af arten af overfladen omkring solfangeren, vinklen på arrayet og andre faktorer. Frontpanelet modtager både direkte og diffus stråling, forholdet afhænger af panelets hældningsvinkel.

Bagsiden af modulet modtager lys fra to kilder:

·          Nær felt scatter: afspejles direkte og diffust stråling.

·          Diffus stråling: Ikke-reflekteret stråling direkte fra diffuse kilder.

Forskellige overflader reflekterer lys ved forskellige hastigheder, og de reflekterende egenskaber beskrives af albedofaktoren. Albedo beskriver refleksiviteten af en ikke-lysende overflade - den bestemmes af forholdet mellem det reflekterede lys fra overfladen og den uhensigtsmæssige stråling. Se tabel 1 for nogle værdier af albedo målt [2]

Forholdet mellem diffust lys og direkte lys vil variere under forholdene. Under lav udstråling på grund af skyen vil procentdelen af diffust lys være højere end under solrige forhold, og gevinsten i forhold til monofacial PV kan derfor være højere end under solrige forhold [5].

Konstruktion af BF moduler

Cellekonstruktion

Monofaciale PV-celler er normalt konstrueret med et reflekterende lag på cellens bagside for at muliggøre en bedre optagelse af lys, som falder på forreste overflade. Fotoner, der ikke absorberes i det forreste lag, kan absorberes på returflyvningen, hvilket øger effektiviteten af cellen. Det betyder, at fotoner, der bevæger sig i modsat retning til det normale, kan generere elektricitet, og hvis fotoner, der falder på bagsiden, kan komme ind i cellen, kan de bruges effektivt til at generere elektricitet. Dette opnås ved delvist at fjerne det reflekterende lag, som også virker som en leder (se fig. 2).

Figur 2: Reflekteret lys på bagsiden af panelet [3].

Reduktion af det ledende lag på bagsiden af cellen øger modstanden, og flere ledere er påkrævet på bagsiden af cellen end på forsiden for at kompensere for dette. Dette reducerer området af bagsiden af cellen til rådighed for stråling.

Opbygningen af de forskellige typer af PV-celler er mere kompleks end den viste og omstillingen er ikke helt så enkel. Der er andre trin, der kræves for at lave en BF-celle, som virker effektivt. Flere designs er opstået, der bruger BF-princippet. De fleste involverer ændring af eksisterende celler, men der er flere, der er designet specifikt som BF celler.

To typer bifacialcellekonstruktion er almindeligt anvendt på markedet: heterojunction og den passiverede emitter-bagcelle (PERC). Heteroktionsceller bruger monokrystallinsk silicium, mens PERC-cellen er tilgængelig i både mono- og polykrystallinske siliciumversioner. Bifacialceller er mere komplekse at fremstille og dette øger omkostningerne ved modulet.

Effektiviteten af den bageste belysning er lavere end den forreste belysning, som vist i tabel 2. Dette skyldes i høj grad det øgede areal, der optages af ledere bag på cellen sammenlignet med fronten.

Modul konstruktion

Monofaciale (MF) krystallinske siliciumpaneler er normalt indkapslet i uigennemsigtig indkapsling bagud, men denne metode kan ikke anvendes med BF-systemer. Modulet skal have transparente bagside og frontflader, som giver mekanisk styrke. Desuden skal cellerne være indesluttet i et lag af beskyttende materiale. Den mest almindelige konfiguration er et dobbeltlag af fotovoltaisk glas, der omslutter cellerne, der er indkapslet i et beskyttende polymermateriale.

Der kræves enten et UV-resistent gennemsigtigt bagsidelagsmateriale eller et yderligere lag solglas til at tillade lys at skinne på bagsiden af en bifacialcelle. I de fleste tilfælde vælger producenterne, som vist i figur 4, en glas-på-glaspakke, der generelt forbedrer feltets holdbarhed sammenlignet med optagelser på glas-til-film. Glas-på-glaspakken er mere stiv, hvilket reducerer mekanisk belastning på celler under transport, håndtering og installation samt stress på grund af miljømæssige forhold som vind eller sne. Konfigurationen er også mindre gennemtrængelig for vand, hvilket kan reducere årlige nedbrydningshastigheder. Bifacial moduler er rammeløse. Eliminering af aluminiumrammen reducerer effektivt mulighederne for potentielt induceret nedbrydning (PID) [3].

Figur 3: Forskellen mellem mono-facial og bi-facial PV celler.

Dobbelglas (DG) montering har en række fordele:

·          Reduktion i microcracking, delaminering og fugtkorrosion.

·          Nedre celletemperatur.

·          Ingen potentielt induceret nedbrydning, da der ikke er nogen metalramme, der kræver jordforbindelse.

·          Lavere nedbrydningshastighed.

·          Højere flameproof rating.

·          Højere mekanisk styrke og mindre bøjning.

Markedsvarer

Tabel 3 viser nogle af de BF-systemer, der er tilgængelige på markedet i øjeblikket, med deres egenskaber.

Peformance parametre

Flere parametre anvendes i branchen til at beskrive egenskaberne ved BF solmoduler.

Bifacialitetsfaktor

Dette er forholdet mellem effekten på bagsiden og forsiden, eller forholdet mellem forreste og bageste effekt målt under standard testbetingelser.

Bifacial gevinst

Dette er yderligere strøm opnået fra bagsiden af modulet i forhold til strømmen fra forsiden af modulet ved standard testbetingelser. Den bifaciale gevinst afhænger af monteringen (struktur, højde, vippevinkel og andre) og jordoverfladen albedo.

Figur 4: Konstruktion af et dobbeltglas BF modul.

Bifacial gain = ( 𝑌𝐵𝑖 - 𝑌 ) / 𝑌𝑀𝑜

hvor:

YB _i = Strømmen fra BF-modulet.

YM _o = Strømmen fra et MF-modul under de samme forhold.

albedo

Dette er forholdet mellem lys reflekteret fra en overflade til det indfaldende lys og varierer med forskellige overfladetyper.

Figur 5: Effekt af højde på BF gain. Albedo 80%, rækkehøjde 2,5 m [4].

Jorddækningsforhold

Dette er forholdet mellem det jordareal, der er dækket af PV-modulerne, til det samlede areal, som anlægget anvender. Dette forhold har en effekt på det reflekterede lys og kan påvirke BF-panelets ydeevne.

Optimal montering af BF moduler

Da bifacialmoduler absorberer solstråling fra begge sider, tillader de en lang række tilt- og installationsmuligheder og er ideelle til installationer til forhøjede områder, tagterrasser, ørkener og sneområder eller på vand applikationer. Montering systemer designet til at optimere backscatter og refleksion fra tage og jordmonterede installationer hæve strukturen over jorden eller taget for at fange mere spredt eller reflekteret lys.

Strukturhøjde og afstand

Ved at hæve strukturen over jorden øges mængden af stråling, der når bagsiden af panelet og forbedrer således ydeevnen og bifacial gevinst. Forøgelse af afstanden mellem rækker forbedrer også den bifaciale forstærkning (se figur 6).

Figur 6: Stråling på vertikalt monteret BF panel (Sanyo).

Gevinstforøgelsen ser ud til at udglatte i en højde på ca. 1 m. Forøgelse af strukturens højde har en meget udtalt effekt på tagmonteringsarrayer, især hvor der er tale om flade tage. Faren for øget vindbelastning kan være et problem. Flere montagefabrikanter har produceret forhøjede konstruktioner til både jord- og taginstallationer.

De gevinster, der opnås med øget højde, kan anvendes til brug i bygninger med åben kasteform, såsom parkeringspladser og opbevaringsrum til udendørs rum samt underholdnings- og gæstfrihedsområder. Det gennemsigtige indkapslingsmiddel giver noget lys til at filtrere gennem modulet.

Lodret orienterede BF paneler

Et af de mest interessante applikationer, der kommer fra BF-arrayet, er muligheden for et lodret monteret array. Lodret monterede BF paneler har tidligere været brugt som lyd- og lysbarrierer på motorveje. Et vertikalt monteret panel indtager meget mindre plads end en vandret eller vippet plade. Der findes to muligheder, klassisk nord-syd orientering og alternativ øst-vestvendt.

For bedre at kunne matche onsite efterspørgslen med PV generationsprofiler i løbet af dagen, er der en tendens til at bruge en øst-vest panelorientering, hvor halvdelen af panelerne vippes mod øst for at skabe en generationstopp om morgenen og den resterende halvdel er vippet vestpå til tillade en anden generationstopp om eftermiddagen (se figur 7). Denne dobbelte topprofil kan bedre matche onsite elbrug, især til boliger og kommercielle installationer.

Figur 7: Dagligt strålingsmønster på øst-vest-BF-moduler [5].

Denne ukonventionelle tilgang kan gå et skridt videre, hvis der monteres vertikalt monterede øst-vestvendte bifaciale moduler, hvilket mere end halverer antallet af moduler, der er nødvendige for en tilsvarende installation. Denne konfiguration ville igen producere to generationstoppe, men ville også have gavn af det ekstra diffuse lys, der kom ind i modulet. BF-paneler muliggør en lodret monteret øst-vest orientering med potentiale til at tilvejebringe højere energiproduktion end monofaciale paneler.

I nord-syd orientering modtager frontpanelet direkte og diffus stråling, og bagsiden af panelet modtager diffus stråling. I øst-vest orientering med modsatte sider mod øst og vest modtager begge sider direkte og reflekteret stråling på forskellige tidspunkter af dagen (se figur 7). På første side synes monteringsmetoden at være ineffektiv, da solen er vinkelret på panelerne, og der skal ikke være nogen udgang. Væsentlig produktion skyldes, at både for- og bagfladerne modtager den maksimale mængde diffus og reflekteret stråling.

Strålingen modtaget af et modul afhænger i vid udstrækning af reflektiviteten (albedo) af nærliggende objekter og jorden. Dette er især vigtigt for vertikale moduler omkring middagstid om sommeren, når stråle solskin er mest intens, men når solens vinkel betyder, at sollyset modtaget af modulerne er relativt lille. Et vertikalt bifacialpanel reducerer støv- og snøakkumulering og giver to udgangstoppe om dagen, med den anden top justeret til elforbruget (se figur 8).

Figur 8: Sammenligning mellem monteringsmuligheder [5].

En af grundene til større energiproduktion er, at temperaturen i øst-vest-modulet er lavere i løbet af maksimal bestråling sammenlignet med det sydorienterede modul. Mange netværk med høje gennemtrængninger af sol har overskud af energi i løbet af middagstiden og en mangel i lavtiderne. Skiftning af toppe ved hjælp af lodret montage øst-vest orientering til ny PV giver en mere jævn energiproduktionskurve (se figur 9).

Fremtidsudsigter

Selv om der er flere projekter, der bruger BF moduler, er procentdelen af BF moduler på markedet i øjeblikket meget lille, men forventes at stige betydeligt i fremtiden, da flere produkter kommer på markedet og flere installationer gøres. Den mulige forbedring på op til 30% i produktionen forventes at være langt mere attraktiv end de få procentpoint stigning i effektivitet, der kunne opnås med teknologisk udvikling.

Figur 9: Forventet vækst i BF-celleforbrug [1].

Referencer

[1] T Dullweber et al .: "Bifacial PERC + solceller: status for industriel implementering og fremtidsperspektiver",     bifiPV2017 workshop, Konstanz, oktober 2017.
[2] W Herman: "Funktionsegenskaber ved bifacial PV-moduler og strømmærkning " , bifiPV2017 workshop, Konstanz, oktober 2017.
[3] D Brearly: "Bifacial PV Systems", Solarpro magazine Issue 10.2, marts / april '17
[4] Solarworld: " Hvordan maksimere energiudbytte med bifacialteknologi", hvidbog SW9001US 160729
[5] EPRI: "Bifacial solar PV modules", www.epri.com