От: 9 май, 2018, публикуван в статии: Energize, от Майк Рикрофт, EE Publishers
Отразената и дифузната радиация на обратната страна на соларните модули може да увеличи мощността на соларните модули без големи подобрения на ефективността.
Исторически, двуфазовите слънчеви клетки бяха насочени към изграждане на интегрирани фотоволтаични приложения или в райони, където голяма част от слънчевата енергия е дифузна слънчева светлина, която отскочи от земята и околните обекти, т.е. Въпреки това, комбинацията от ефективност на върховете на плата от стандартните слънчеви батерии и значително намаляване на цената на слънчевото стъкло през последните години, при което използването на капсулиране с двойно стъкло (DG) е приложимо, изтласква двуфазни соларни модули обратно в светлината на прожекторите [2] ,
Целта на BF технологията не е да се повиши ефективността на соларния модул или панел, а да се улови повече слънчева енергия на модул. Прогнозира се увеличение до 30% в зависимост от фактори като отражателна способност на земната повърхност, височина над земята, ъгъл на наклон и няколко други. Полученото от модула излъчване се състои от няколко компонента:
1. Директно излъчване от слънцето.
2. Индиректно дифузно излъчване, причинено от въздушни частици, облаци и др.
3. Отразена радиация от повърхности в близост до слънчевия модул.
Отразената радиация обикновено не се взема предвид при изчисленията на слънчевата енергия. Измерванията на дифузната радиация се отнасят за източници на излъчване над хоризонталната равнина. Обичайният метод за измерване на слънчевата радиация използва пиранометър, който се монтира хоризонтално и измерва само радиацията над хоризонталната равнина. Дори в наклонена конфигурация пиранометърът няма да измери радиацията под равнината на измерване (виж фиг. 1).
Фиг. 1: Измерване на слънчевата радиация с пиранометър.
Дифузната радиация може да допринесе значително количество от общата радиация, но голяма част от това няма да бъде уловена в наклонен или хоризонтално монтиран модул. Накланянето на модула увеличава интензивността на директното излъчване, но блокира голяма част от индиректната радиация. Дифузната радиация е изоптропна по природа, т.е. има същата стойност независимо от източника, докато отразеното лъчение ще зависи от естеството на повърхността около слънчевата решетка, ъгъла на решетката и други фактори. Предният панел ще получава както пряка, така и дифузна радиация, като съотношението зависи от ъгъла на наклона на панела.
Задната страна на модула ще получи светлина от два източника:
· Разпръскване на близко поле: отразено директно и дифузно излъчване.
· Дифузна радиация: неотразено излъчване директно от дифузни източници.
Различните повърхности отразяват светлината с различни скорости и отразяващи свойства се описват чрез албедо фактора. Албедото описва отражателната способност на не-светлинна повърхност - тя се определя от съотношението между отразената от повърхността светлина и случайната радиация. Виж Таблица 1 за някои стойности на измерените албедо [2]
Таблица 1: Стойности на албедо за различни повърхности [4]. | |
Тип повърхност | Албедо |
Зелено поле (трева) | 10 - 25% |
бетон | 20 - 40% |
Бели боядисани бетони | 60 - 80% |
Бял чакъл | 27% |
Бял покривен материал | 56% |
Сива покривна мембрана | 62% |
Бяла покривна мембрана | 80% |
Пясък | 20 - 40% |
Бял пясък | 60% |
сняг | 45 - 95% |
вода | 8% |
Съотношението на дифузната светлина към директната светлина ще варира в зависимост от условията. При ниско излъчване, дължащо се на облака, процентът на дифузната светлина ще бъде по-висок, отколкото при слънчеви условия, и печалбата в сравнение с монофациалната PV може да бъде по-висока, отколкото при слънчеви условия [5].
Изграждане на модули BF
Клетъчна конструкция
Монофациалните PV клетки обикновено са конструирани с отразяващ слой на задната страна на клетката, за да позволят по-добра абсорбция на светлината, падаща върху предната повърхност. Фотоните, които не се абсорбират в предния слой, могат да се абсорбират при връщане, което увеличава ефективността на клетката. Това означава, че фотоните, които пътуват в обратна посока към нормалното, могат да генерират електричество и ако фотоните, които попадат на задната повърхност, могат да влязат в клетката, те могат да се използват ефективно за генериране на електричество. Това се постига чрез частично отстраняване на отразяващия слой, който също действа като проводник (виж фиг. 2).
Фиг. 2: Отразена светлина отзад на панела [3].
Намаляването на проводящия слой в задната част на клетката увеличава съпротивлението и са необходими повече проводници в задната част на клетката, отколкото в предната част, за да се компенсира това. Това намалява площта на задната част на клетката, достъпна за излъчване.
Конструкцията на различните типове фотоволтаични клетки е по-сложна от показаната и преобразуването не е толкова просто. Има и други стъпки, необходими, за да се направи BF клетка, която работи ефективно. Появиха се няколко проекта, които използват принципа BF. Повечето включват модификация на съществуващи клетки, но има няколко, които са проектирани специално като BF клетки.
На пазара се използват два вида двуфазови клетъчни конструкции: хетеросъобщението и пасивираната излъчваща задна клетка (PERC). Клетките с хетеросъобщения използват монокристален силиций, докато PERC клетката се предлага в моно- и поликристални силициеви версии. Бифациалните клетки са по-сложни за производство и това увеличава цената на модула.
Ефективността на задното осветление е по-ниска от предната осветеност, както е показано в таблица 2. Това се дължи до голяма степен на увеличената площ, заета от проводници в задната част на клетката в сравнение с предната.
Таблица 2: Ефективност отпред и отзад на няколко BF соларни модула [1]. | ||
продукт | Ефективност отпред% | Задна ефективност% |
ISFH | 21,5 | 16,7 |
Джинко слънчева | 20,7 | 13,9 |
Longi слънчева | 21,6 | 17,3 |
Голяма слънчева енергия | 20,7 | 13,9 |
Модулна конструкция
Еднофасните (MF) кристални силициеви панели обикновено са обвити в непрозрачен капсулиращ елемент отзад, но този метод не може да се използва с BF системи. Модулът трябва да има прозрачни задни и предни повърхности, които осигуряват механична якост. Освен това клетките трябва да бъдат затворени в слой от защитен материал. Най-често използваната конфигурация е двойният слой от фотоволтаично стъкло, обхващащо клетките, които са капсулирани в защитен полимерен материал.
Изисква се UV-устойчив прозрачен материал или допълнителен слой слънчево стъкло, за да може светлината да свети на задната страна на двуфазната клетка. В повечето случаи, както е показано на фиг. 4, производителите избират пакет от стъкло върху стъкло, който по принцип подобрява дълготрайността на полето в сравнение с опциите от стъкло върху филм. Пакетът от стъкло върху стъкло е по-твърд, което намалява механичното натоварване на клетките по време на транспортиране, манипулиране и монтаж, както и напрежение, дължащо се на условия на околната среда като вятър или сняг. Конфигурацията също така е по-малко пропусклива за водата, което може да намали годишните нива на разграждане. Bifacial модулите са без рамки. Елиминирането на алуминиевата рамка ефективно намалява възможностите за потенциално предизвикано разграждане (PID) [3].
Фиг. 3: Разликата между моно-лицеви и дву-лицеви PV клетки.
Монтажът с двойно стъкло (DG) има редица предимства:
· Намаляване на микрокрекинг, разслояване и корозия на влагата.
· По-ниска температура на клетката.
· Няма разрушаване, предизвикано от потенциал, тъй като няма метална рамка, която да изисква заземяване.
· По-ниска скорост на разграждане.
· По-висока огнеустойчивост.
· По-висока механична якост и по-малко огъване.
Пазарни продукти
В таблица 3 са изброени някои от наличните на пазара в момента BF системи с техните характеристики.
Таблица 3: Характеристики на модула BF за слънчева PV . | ||||
продукт | Тип | Рейтинг (Wp) | Ефективност при нулево усилване на BF (%) | Ефективност при 30% BF печалба (%) |
Jinko слънчев Eagle Dual 72 | Polycrystaline | 315 | 16,13 | 20969 |
Канадска слънчева BiKu | Polycrystaline | 350 | 17,54 | 22,8 |
JA слънчева JAN60D00 | Monocrystaline | 290 | 17,3 | 22,49 |
Trina слънчева Duomax | Monocrystaline | 285 | 17,2 | 22,36 |
Yingli Panda 144HCF | Monocrystaline | 360 | 17,6 | 22,88 |
Параметри на производителност
В индустрията се използват няколко параметъра, за да се опишат характеристиките на слънчевите модули BF.
Бифациален фактор
Това е съотношението между ефективността на задната и предната страна или съотношението на предната към задната мощност, измерено при стандартни условия на изпитване.
Бифациална печалба
Това е допълнителна мощност, получена от гърба на модула в сравнение с мощността от предната част на модула при стандартни условия на изпитване. Двукратната печалба зависи от монтажа (структура, височина, ъгъл на наклон и други) и албедото на земната повърхност.
Фиг. 4: Конструкция на модул с двойно стъкло BF.
Бифациална печалба = ( 𝑌𝐵𝑖 - 𝑌 ) / 𝑌𝑀𝑜
където:
YB i = Захранването от модула BF.
YM o = Захранването от MF модул при същите условия.
Албедо
Това е съотношението на светлината, отразено от повърхността на падащата светлина и варира с различни типове повърхности.
Фиг. 5: Влияние на височината върху BF коефициента. Албедо 80%, височина на реда 2,5 m [4].
Коефициент на покритие на земята
Това е съотношението на земната площ, покрита от фотоволтаичните модули, към общата площ, заета от инсталацията. Това съотношение влияе върху отразената светлина и може да повлияе на работата на панела BF.
Оптимално монтиране на BF модули
Тъй като двуфазовите модули абсорбират слънчева радиация от двете страни, те позволяват разнообразни опции за накланяне и монтаж и са идеални за инсталации на повишени земни, покривни, пустини и снежни зони или приложения във водата. Системите за монтаж, предназначени да оптимизират обратното разсейване и отражението от покриви и наземни инсталации, повишават конструкцията над земята или покрива, за да улавят по-разсеяна или отразена светлина.
Височина на конструкцията и разстояние
Повишаването на конструкцията над земята увеличава количеството радиация, достигащо до задната част на панела, и така подобрява производителността и двустранното усилване. Увеличаването на разстоянието между редовете също подобрява двустранното усилване (виж Фиг. 6).
Фиг. 6: Излъчване на вертикално монтиран BF панел (Sanyo).
Увеличението на усилването изглежда се изравнява на височина от около 1 m. Увеличаването на височината на конструкцията има силно изразено въздействие върху масивите на покрива, особено когато става дума за плоски покриви. Опасността от увеличаване на натоварването с вятър може да бъде проблем. Няколко производители на монтажни конструкции са произвели повишени конструкции за наземни и покривни инсталации.
Получените с повишена височина печалби могат да се използват добре в отворени конструкции, като паркинги и открити складови зали, както и зони за развлечение и гостоприемство. Прозрачният капсулатор позволява на светлината да се филтрира през модула.
Вертикално ориентирани BF панели
Едно от най-интересните приложения от BF масива е възможността за вертикално монтиран масив. Вертикално монтираните BF панели са използвани ефективно в миналото като звукови и светлинни бариери на магистрали. Вертикално монтираният панел заема много по-малко пространство, отколкото хоризонтален или наклонен панел. Съществуват две възможности: класическа ориентация север-юг и алтернативен изток-запад.
За по-добро съвпадение на търсенето на място с профилите за производство на фотоволтаици през целия ден, има тенденция да се използва ориентация на панела изток-запад, където половината от панелите се накланят на изток, за да се създаде пик от поколение сутрин, а останалата половина се накланя на запад позволете друг пик на поколение в следобедните часове (вж. фиг. 7). Този профил с двоен пик може по-добре да съчетава използването на електричеството на място, особено за жилищни и търговски инсталации.
Фиг. 7: Дневен модел на излъчване на модули BF от изток-запад [5].
Този неконвенционален подход може да отиде още по-далеч, ако се използват вертикално разположени двуфазови модули, ориентирани към изток-запад, което би намалило наполовина броя на модулите, необходими за еквивалентна инсталация. Тази конфигурация отново би произвела пикове от две поколения, но също така би имала полза от допълнителната дифузна светлина, която влиза в модула. Панелите BF позволяват вертикално ориентирана ориентация изток-запад с потенциал за осигуряване на по-високо енергийно производство от монофасните панели.
В посока север-юг предният панел получава директна и дифузна радиация, а задната част на панела получава дифузна радиация. В ориентация изток-запад с противоположни страни, обърнати на изток и запад, двете страни получават директно и отразено лъчение в различни часове на деня (виж фиг. 7). На първо място методът на монтиране изглежда неефективен, тъй като на обяд слънцето е под прав ъгъл към панелите и не трябва да има изход. Значителният изход се дължи на факта, че както предната, така и задната повърхност получават максимално количество дифузно и отразено лъчение.
Получената от модула радиация зависи до голяма степен от отражателната способност (албедо) на близките обекти и земята. Това е особено важно за вертикалните модули около обяд през лятото, когато пряката слънчева светлина е най-интензивна, но когато ъгълът на слънцето означава, че слънчевата светлина, получена от модулите, е сравнително малка. Вертикален двустранен панел намалява натрупването на прах и сняг и осигурява два изходни пика през деня, като вторият пик е съобразен с пиковата електроенергия (виж фиг. 8).
Фиг. 8: Сравнение между опциите за монтиране [5].
Една от причините за по-голямо производство на енергия е, че температурата на модула изток-запад е по-ниска по време на максималното излъчване, в сравнение с южноориентирания модул. Много мрежи с високо проникване на слънчева енергия имат излишък на енергия по време на пиковите часове на производството и недостиг по време на непиковия период. Преместването на върховете чрез използване на вертикална ориентация за изток-запад за нови PV дава по-равномерна крива на производството на енергия (виж Фиг. 9).
Бъдещи перспективи
Въпреки че има няколко проекта, които използват BF модули, процентът на BF модулите на пазара е много малък в момента, но се очаква да се увеличи значително в бъдеще, тъй като все повече продукти идват на пазара и се извършват повече инсталации. Очаква се евентуалното подобрение на продукцията до 30% да бъде много по-привлекателно от увеличението на ефективността от няколко процентни пункта, което може да се постигне с развитието на технологиите.
Фиг. 9: Очакван ръст на използване на BF клетки [1].
Препратки
[1] T Dullweber, et al: "Bifacial PERC + слънчеви клетки: състояние на промишлено прилагане и бъдещи перспективи", семинар bifiPV2017, Констанц, октомври 2017.
[2] W Herman: "Работни характеристики на двуфазни PV модули и етикетиране на мощността" , семинар bifiPV2017, Konstanz, октомври 2017 г.
[3] D Brearly: "Bifacial PV Systems", списание Solarpro Издание 10.2, март / април '17
[4] Solarworld: „ Как да увеличим енергийния добив с двупосочна технология“, Бяла книга SW9001US 160729
[5] EPRI: „Двуфазни слънчеви PV модули“, www.epri.com
