Bifaciala solpaneler ger ökad effektutgångspotential

Från: 9 maj 2018, Publicerad i artiklar: Energize, av Mike Rycroft, EE Publishers

Reflekterad och diffus strålning på baksidan av solmoduler kan öka effekten av solmoduler utan större effektivitetsförbättringar.

Historiskt var solcellerna bifacial (BF) riktade till att bygga integrerade PV-applikationer eller i områden där mycket av den tillgängliga solenergin är diffus solljus som har stött på marken och omgivande föremål, dvs extrema breddgrader och snö utsatta regioner. Kombinationen av platåhöjande toppeffektivitet från standardskärmtryckta solceller och betydande minskningar av kostnaden för solglasögon de senaste åren, vilket gör användning av dubbelglas (DG) inkapsling livskraftigt, har dock tryckt bifacial solmoduler tillbaka i rampljuset [2] .

Syftet med BF-tekniken är inte att öka solcellsmodulens eller panelens effektivitet utan att fånga mer solenergi per modul. Vinster på upp till 30% projiceras beroende på faktorer som markytans reflektivitet, höjd över marken, lutningsvinkel och flera andra. Den strålning som modulen mottar består av flera komponenter:

1. Direkt strålning från solen.

2. Indirekt diffus strålning orsakad av luftpartiklar, moln och andra.

3. Reflekterad strålning från ytor nära solmodulen.

Reflekterad strålning beaktas generellt inte i solenergibalanser. Diffus strålningsmätning avser strålkällor över horisontalplanet. Den vanliga metoden för mätning av solstrålning använder en pyranometer som monteras horisontellt och mäter endast strålning över horisontalplanet. Även i en lutad konfiguration kommer pyranometern inte att mäta strålning under mätplanet (se figur 1).

Fig. 1: Mätning av solstrålning med pyranometer.

Diffus strålning kan bidra med en betydande mängd av den totala strålningen, men mycket av detta kommer inte att fångas i en lutande eller horisontellt monterad modul. Att luta modulen ökar intensiteten hos den direkta strålningen men blockerar en stor del av den indirekta strålningen. Diffus strålning är isoptropisk, dvs det har samma värde oberoende av källan, medan reflekterad strålning kommer att bero på naturen hos ytan som omger solens matris, vinkeln på matrisen och andra faktorer. Frontpanelen kommer att få både direkt och diffus strålning, förhållandet beroende på lutningsvinkeln på panelen.

Modulens baksida kommer att få ljus från två källor:

·          Nära fältets spridning: reflekterad direkt och diffus strålning.

·          Diffus strålning: reflekterad strålning direkt från diffusa källor.

Olika ytor reflekterar ljus vid olika hastigheter och de reflekterande egenskaperna beskrivs av albedofaktorn. Albedo beskriver reflektiviteten hos en icke-lysande yta - den bestäms av förhållandet mellan det reflekterade ljuset från ytan och den incidentala strålningen. Se tabell 1 för några värden av albedo som mäts [2]

Förhållandet mellan diffus ljus och direkt ljus varierar med förhållandena. Under låg utstrålning på grund av moln kommer andelen diffus ljus att vara högre än under soliga förhållanden och vinsten jämfört med monofacial PV kan därför vara högre än under soliga förhållanden [5].

Konstruktion av BF-moduler

Cellkonstruktion

Monofaciala PV-celler är vanligtvis konstruerade med ett reflekterande skikt på cellens baksida för att möjliggöra bättre absorption av ljus som faller på frontytan. Fotoner som inte absorberas i främre skiktet kan absorberas på returresa, vilket ökar effektiviteten hos cellen. Detta betyder att fotoner som reser i motsatt riktning mot normalt kan generera el och om fotoner som faller på baksidan kan tillåtas komma in i cellen, kan de användas effektivt för att generera el. Detta uppnås genom att delvis avlägsna det reflekterande skiktet, som också fungerar som en ledare (se fig 2).

Fig. 2: Reflekterat ljus på baksidan av panelen [3].

Reduktion av det ledande lagret bakom cellen ökar motståndet och mer ledare krävs på baksidan av cellen än på framsidan för att kompensera för detta. Detta minskar området på baksidan av cellen som är tillgänglig för strålning.

Konstruktionen av de olika typerna av PV-celler är mer komplex än vad som visas och omvandlingen är inte så enkel. Det finns andra steg som krävs för att göra en BF-cell som fungerar effektivt. Flera mönster har uppstått som använder BF-principen. De flesta innefattar modifiering av befintliga celler, men det finns flera som har utformats specifikt som BF-celler.

Två typer av bifacialcellskonstruktion är vanligt förekommande på marknaden: heterojunction och passivated emitter rear cell (PERC). Heterojunktionsceller använder monokristallint kisel medan PERC-cellen är tillgänglig i både mono- och polykristallina kiselversioner. Bifacialceller är mer komplexa att tillverka och detta bidrar till kostnaden för modulen.

Effektiviteten hos den bakre belysningen är lägre än den främre belysningen, som visas i Tabell 2. Detta beror huvudsakligen på det ökade området som upptas av ledare på baksidan av cellen jämfört med framsidan.

Modulskonstruktion

Monofaciala (MF) kristallina kiselplattor är vanligtvis omslutna i ogenomskinlig inkapsling bakom men denna metod kan inte användas med BF-system. Modulen måste ha transparenta bak- och frontytor som ger mekanisk styrka. Dessutom måste cellerna vara inneslutna i ett skikt av skyddande material. Den vanligaste konfigurationen som antagits är ett dubbelskikt av fotovoltaiskt glas som omsluter cellerna som inkapslas i ett skyddande polymermaterial.

Antingen krävs ett UV-resistent transparent bakre arkmaterial eller ett extra lager av solglas för att tillåta ljus att lysa på baksidan av en bifacialcell. I de flesta fall väljer tillverkare, som visas i figur 4, ett glas-på-glas-paket som i allmänhet förbättrar fälthållbarhet jämfört med glas-till-film-alternativ. Glas-på-glas-paketet är hårdare vilket minskar mekanisk spänning på cellerna vid transport, hantering och installation samt stress på grund av miljöförhållanden som vind eller snö. Konfigurationen är också mindre permeabel för vatten, vilket kan minska årliga nedbrytningshastigheter. Bifacialmoduler är ramlösa. Att eliminera aluminiumramen reducerar effektivt möjligheterna till potentiellt inducerad nedbrytning (PID) [3].

Fig. 3: Skillnaden mellan mono-ansikts- och bi-ansikts-PV-celler.

Dubbelglas (DG) montering har ett antal fördelar:

·          Minskning av mikrokretsning, delaminering och fuktkorrosion.

·          Lägre celltemperatur.

·          Ingen potentiellt inducerad nedbrytning eftersom det inte finns någon metallram som kräver jordning.

·          Lägre nedbrytningshastighet.

·          Högre flamprovning.

·          Högre mekanisk styrka och mindre böjning.

Marknadsprodukter

Tabell 3 visar några av de BF-system som finns tillgängliga på marknaden för närvarande, med deras egenskaper.

Peformance parametrar

Flera parametrar används i branschen för att beskriva egenskaperna hos BF solmoduler.

Bifacialitetsfaktor

Detta är förhållandet mellan baksidans och framsidans effektivitet, eller förhållandet mellan fram- och bakre effekt mätt under normala testförhållanden.

Bifacial vinning

Detta är ytterligare effekt som uppnåtts från modulens baksida jämfört med effekten från modulens framsida vid normala testförhållanden. Den bifaciala vinsten beror på monteringen (struktur, höjd, lutningsvinkel och andra) och markytans albedo.

Fig. 4: Konstruktion av en dubbel glas BF-modul.

Bifacial gain = ( 𝑌𝐵𝑖 - 𝑌 ) / 𝑌𝑀𝑜

var:

YB _i = Strömmen från BF-modulen.

YM _o = Strömmen från en MF-modul under samma förhållanden.

albedo

Detta är förhållandet mellan ljus som reflekteras från en yta till det infallande ljuset och varierar med olika yttyper.

Fig. 5: Effekt av höjd på BF förstärkning. Albedo 80%, radhöjd 2,5 m [4].

Markdäckförhållande

Detta är förhållandet mellan markytan som omfattas av PV-modulerna och den totala markytan som upptagits av anläggningen. Detta förhållande har en effekt på det reflekterade ljuset och kan påverka BF-panelens prestanda.

Optimal montering av BF-moduler

Eftersom bifacialmodulerna absorberar solstrålning från båda sidor, tillåter de en mängd olika tilt- och installationsalternativ och är idealiska för installationer för höjd, tak, öken och snöytor eller applikationer på vattnet. Monteringssystem konstruerade för att optimera backscatteringen och reflektion från tak och jordmonterade installationer höjer strukturen ovanför marken eller taket för att fånga mer spridd eller reflekterad ljus.

Strukturhöjd och avstånd

Genom att höja strukturen ovanför marken ökar mängden strålning som når baksidan av panelen och förbättrar sålunda prestanda och bifacial förstärkning. Öka avståndet mellan raderna förbättrar också bifacialförstärkningen (se bild 6).

Fig. 6: Strålning på vertikalt monterad BF-panel (Sanyo).

Förhöjningsökningen verkar flata ut i en höjd av ca 1 m. Att öka höjden på strukturen har en mycket uttalad effekt på takmonteringsarrayer, speciellt där platta tak är inblandade. Risken för ökad vindbelastning kan vara ett problem. Flera monteringsstrukturer har producerat förhöjda konstruktioner för både mark- och takinstallationer.

De vinster som erhålls med ökad höjd kan användas bra i byggnader med öppen skurstyp, såsom parkeringsplatser och friluftsförvaringsplatser, samt underhållnings- och gästfrihetsområden. Det transparenta inkapslingsmedlet tillåter lite ljus att filtrera genom modulen.

Vertikalt orienterade BF paneler

En av de mest intressanta applikationerna som kommer fram från BF-matrisen är möjligheten till en vertikal monterad matris. Vertikalt monterade BF-paneler har tidigare använts som ljud- och ljusbarriärer på motorvägar. En vertikalt monterad panel upptar mycket mindre utrymme än en horisontell eller lutad panel. Det finns två alternativ, klassisk nord-syd orientering och alternativ öst-väst.

För att bättre matcha on-demand-efterfrågan med PV-generationsprofiler under hela dagen finns det en trend att använda en öst-västlig panelorientering, där hälften av panelerna lutas österut för att skapa en generationstopp på morgonen och den återstående halvan lutas västerut till tillåta en annan generationens topp på eftermiddagen (se figur 7). Denna dubbla toppprofil kan bättre matcha elanvändningen på plats, särskilt för bostads- och kommersiella installationer.

Fig. 7: Dagligt strålningsmönster på öst-västliga BF-moduler [5].

Detta okonventionella tillvägagångssätt kan gå ett steg längre om vertikalt monterade öst-västliga bifacialmoduler används, vilket skulle mer än halvera antalet moduler som behövs för en motsvarande installation. Denna konfiguration skulle återigen producera två generationstoppar men skulle också dra nytta av det ytterligare diffusa ljuset som kommer in i modulen. BF-paneler möjliggör en vertikal monterad öst-västlig orientering med potential att ge högre energiproduktion än monofacialpaneler.

I nord-syd-orienteringen mottar frontpanelen direkt och diffus strålning och baksidan av panelen tar emot diffus strålning. I öst-väst orientering med motsatta sidor mot öst och väst mottar båda sidor direkt och reflekterad strålning vid olika tidpunkter på dagen (se fig 7). Vid första platsen verkar monteringsmetoden vara ineffektiv, som vid middagstid ligger solen vinkelrätt mot panelerna och det ska inte finnas någon utgång. Betydande produktion beror på att både främre och bakre ytor mottar maximal mängd diffus och reflekterad strålning.

Den strålning som mottas av en modul beror i stor utsträckning på reflektiviteten (albedo) hos närliggande föremål och marken. Detta är särskilt viktigt för vertikala moduler vid middagstid på sommaren, när strålkastarsolen är mest intensiv men när solens vinkel innebär att direktstrålens solsken som mottas av modulerna är relativt liten. En vertikal bifacialpanel reducerar damm- och snöackumulering och ger två utgångstoppar under dagen, med den andra toppen anpassad till elbehovet (se bild 8).

Fig. 8: Jämförelse mellan monteringsalternativ [5].

En av anledningarna till ökad energiproduktion är att temperaturen i öster-västmodulen är lägre under tiden för maximal bestrålning jämfört med den sydinriktade modulen. Många nätverk med höga genomträngningar av sol har överskott av energi under produktionstidstiden på morgonen och en brist under lågtrafikperioden. Byte av toppar genom att använda vertikal monterad öst-väst orientering för ny PV ger en jämnare energiproduktionskurva (se figur 9).

Framtida prospekt

Även om det finns flera projekt som använder BF-moduler, är andelen BF-moduler på marknaden för närvarande mycket liten, men förväntas öka betydligt i framtiden när fler produkter kommer på marknaden och fler installationer görs. Den möjliga förbättringen på upp till 30% i produktionen förväntas vara mycket mer attraktiv än de få procentenheter ökade effektiviteten som kan uppnås med teknologisk utveckling.

Fig. 9: Förväntad tillväxt i BF-cellanvändning [1].

referenser

[1] T Dullweber et al: "Bifacial PERC + solceller: status för industriell implementering och framtida perspektiv",     bifiPV2017 workshop, Konstanz, oktober 2017.
[2] W Herman: "Prestanda egenskaper av bifacial PV-moduler och energimärkning" , bifiPV2017 workshop, Konstanz, oktober 2017.
[3] D Brearly: "Bifacial PV Systems", Solarpro Magazine Issue 10.2, Mar / Apr '17
[4] Solarworld: " Hur maximerar du energiutbytet med bifacialteknik", Vitbok SW9001US 160729
[5] EPRI: "Bifacial solar PV modules", www.epri.com