Bifacial-aurinkopaneelit antavat tehostetun tehon

Alkaen: 9. toukokuuta, 2018, julkaistu artikkelissa: Energize, julkaisija Mike Rycroft, EE Publishers

Aurinkomoduulien kääntöpuolella heijastunut ja hajaantunut säteily voi lisätä aurinkomoduulien tehoa ilman suuria tehokkuuden parantamista.

Historiallisesti bifakiaaliset (BF) aurinkokennot suunnattiin integroitujen PV-sovellusten rakentamiseen tai alueisiin, joissa suuri osa käytettävissä olevasta aurinkoenergiasta on hajakuiva auringonvalo, joka on pomppinut maasta ja ympäröivistä esineistä, eli äärimmäisistä leveysasteista ja lumipitoisista alueista. Kuitenkin tavanomaisen näytön painallisten aurinkokennojen huippuluokan tehokkuuden yhdistäminen ja aurinkolasin kustannusten huomattava väheneminen viime vuosina, mikä tekee kaksoislasin (DG) kapseloinnista käyttökelpoiseksi, on tuonut bifaciaaliset aurinkomoduulit takaisin valokeilaan [2] .

BF-tekniikan tavoitteena ei ole lisätä aurinkomoduulin tai -paneelin tehokkuutta, vaan ottaa enemmän aurinkoenergiaa moduulia kohti. Ennustetaan jopa 30 prosentin voittoja riippuen sellaisista tekijöistä kuin maanpinnan heijastavuus, maanpinnan korkeus, kallistuskulma ja useat muut. Moduulin vastaanottama säteily koostuu useista osista:

1. Suora auringon säteily.

2. Ilman hiukkasten, pilvien ja muiden aiheuttama epäsuora hajakuormitus.

3. Heijastunut säteily aurinkomoduulin lähellä olevista pinnoista.

Heijastettua säteilyä ei yleensä oteta huomioon aurinkoenergian laskennassa. Diffuusiosäteilyn mittaukset viittaavat säteilylähteisiin vaakatason yläpuolella. Auringon säteilyn tavanomainen mittausmenetelmä käyttää pyranometriä, joka on asennettu vaakasuoraan ja mittaa vain säteilyä vaakatason yläpuolella. Jopa kallistetussa kokoonpanossa pyranometri ei mittaa säteilyä mittaustason alapuolella (katso kuva 1).

Kuva 1: Auringon säteilyn mittaaminen pyranometrillä.

Diffuusi säteily voi lisätä huomattavan määrän säteilyä, mutta suurta osaa tästä ei oteta kallistettuun tai vaakasuoraan asennettuun moduuliin. Moduulin kallistus lisää suoran säteilyn voimakkuutta, mutta estää suuren osan epäsuorasta säteilystä. Diffuusi-säteily on luonteeltaan isoptropinen, eli sillä on sama arvo lähteestä riippumatta, kun taas heijastunut säteily riippuu aurinkopiiriä ympäröivän pinnan luonteesta, taulukon kulmasta ja muista tekijöistä. Etupaneeli saa sekä suoraa että hajakuormitusta, suhde riippuen paneelin kallistuskulmasta.

Moduulin takaosa saa valoa kahdesta lähteestä:

·          Lähellä kentän hajonta: heijastaa suoraa ja hajakuormitusta.

·          Hajotettu säteily: ei-heijastunut säteily suoraan hajalähteistä.

Eri pinnat heijastavat valoa eri nopeuksilla ja heijastavat ominaisuudet kuvataan albedon tekijällä. Albedo kuvaa ei-valaisevan pinnan heijastavuutta - se määräytyy pinnan heijastuneen valon ja satunnaisen säteilyn välisen suhteen perusteella. Katso taulukossa 1 joitakin mitattuja albedon arvoja [2]

Hajavalon ja suoran valon suhde vaihtelee olosuhteiden mukaan. Pilvestä johtuvassa alhaisessa säteilyssä diffuusisen valon prosenttiosuus on korkeampi kuin aurinkoisissa olosuhteissa, ja vahvistus verrattuna monofaasiseen PV: hen voi siis olla suurempi kuin aurinkoisissa olosuhteissa [5].

BF-moduulien rakentaminen

Solurakenne

Monofacial PV-solut rakennetaan yleensä heijastavalla kerroksella solun takapinnalla, jotta etupinnalle putoava valo voisi paremmin imeytyä. Fotonit, jotka eivät imeydy etukerrokseen, voidaan imeytyä paluumatkalle, mikä lisää solun tehokkuutta. Tämä tarkoittaa sitä, että fotonit, jotka kulkevat vastakkaiseen suuntaan normaaliin suuntaan, voivat tuottaa sähköä ja jos takapinnalle putoavat fotonit voivat päästää soluun, niitä voidaan käyttää tehokkaasti sähkön tuottamiseen. Tämä saavutetaan poistamalla osittain heijastava kerros, joka toimii myös johtimena (katso kuvio 2).

Kuva 2: Heijastunut valo paneelin takana [3].

Kennon takana olevan johtavan kerroksen pienentäminen lisää vastusta ja tarvitaan lisää johtimia solun takaosassa kuin etupuolella tämän kompensoimiseksi. Tämä vähentää säteilylle käytettävissä olevan solun takaosan aluetta.

Eri PV-solutyyppien rakentaminen on monimutkaisempi kuin esitetty ja muuntaminen ei ole aivan yhtä yksinkertaista. Tehokkaasti toimivan BF-solun tekemiseen tarvitaan muita vaiheita. Useita malleja on syntynyt, jotka käyttävät BF-periaatetta. Useimmissa tapauksissa modifioidaan olemassa olevia soluja, mutta on useita, jotka on suunniteltu erityisesti BF-soluiksi.

Markkinoilla on yleisesti käytössä kaksi erilaista kaksisuuntaista solurakennetta: heterojunktio ja passivoitu emitterin takasolu (PERC). Heterojunction-solut käyttävät monokiteistä piitä, kun taas PERC-solu on saatavilla sekä mono- että monikiteisissä pii-versioissa. Bifacial solut ovat monimutkaisempia valmistaa ja tämä lisää moduulin kustannuksia.

Taka-valaistuksen tehokkuus on pienempi kuin etuvalaisin, kuten taulukossa 2 on esitetty. Tämä johtuu suurelta osin solun takana olevista johtimista, jotka ovat ylhäällä edestä.

Moduulin rakentaminen

Monofakiaaliset (MF) kiteiset piipaneelit on yleensä päällystetty läpinäkymättömään kapselointiaineeseen, mutta tätä menetelmää ei voida käyttää BF-järjestelmien kanssa. Moduulissa on oltava läpinäkyvät selkä- ja etupinnat, jotka takaavat mekaanisen lujuuden. Lisäksi solut on suljettava suojamateriaalikerrokseen. Yleisimmin hyväksytty konfiguraatio on kaksikerroksinen aurinkokenno, joka ympäröi suojaavia polymeerimateriaaleja sisältäviä soluja.

Joko UV-säteilylle läpinäkyvä selkälevy-materiaali tai uusi kerros aurinkolasia tarvitaan valon loistamiseksi bifakiaalisen solun takana. Useimmissa tapauksissa, kuten kuviossa 4 on esitetty, valmistajat valitsevat lasista lasipakkauksen, joka yleensä parantaa kentän kestävyyttä verrattuna lasikalvo-valintoihin. Lasi-lasipakkaus on jäykempi, mikä vähentää solujen mekaanista rasitusta kuljetuksen, käsittelyn ja asennuksen aikana sekä ympäristöolosuhteiden, kuten tuulen tai lumen, aiheuttamaa rasitusta. Konfigurointi on myös vähemmän vettä läpäisevä, mikä voi vähentää vuotuisia hajoamisnopeuksia. Bifacial-moduulit ovat kehyksetön. Alumiinikehyksen poistaminen vähentää tehokkaasti potentiaalisen hajoamisen mahdollisuuksia (PID) [3].

Kuvio 3: Ero kasvojen ja kahden kasvojen PV-solujen välillä.

Dual glass (DG) -asennuksessa on useita etuja:

·          Mikrokrakkauksen vähentäminen, delaminaatio ja kosteuden korroosio.

·          Alempi solun lämpötila.

·          Mahdollista hajoamista ei ole, koska ei ole maadoitusta vaativaa metallirunkoa.

·          Pienempi hajoamisnopeus.

·          Korkeampi paloturvallisuus.

·          Suurempi mekaaninen lujuus ja vähemmän taipuminen.

Markkinatuotteet

Taulukossa 3 on lueteltu joitakin markkinoilla tällä hetkellä saatavilla olevista BF-järjestelmistä ja niiden ominaisuuksista.

Peeteranssiparametrit

Teollisuudessa käytetään useita parametreja BF-aurinkomoduulien ominaisuuksien kuvaamiseksi.

Bifaciality-tekijä

Tämä on takasivun ja etupuolen tehokkuuksien suhde tai etuosan ja taka-tehon suhde, joka mitataan vakio-testin olosuhteissa.

Kaksisuuntainen voitto

Tämä on lisäteho, joka saadaan moduulin takaosasta verrattuna moduulin etuosassa olevaan tehoon tavanomaisissa testausolosuhteissa. Kaksivaiheinen vahvistus riippuu asennuksesta (rakenne, korkeus, kallistuskulma ja muut) ja maapinnan albedosta.

Kuva 4: Kaksikerroksisen BF-moduulin rakentaminen.

Kaksisuuntainen vahvistus = ( 𝑌𝐵𝑖 - 𝑌 ) / 𝑌𝑀𝑜

missä:

YB _i = BF-moduulin teho.

YM _o = MF-moduulin teho samoissa olosuhteissa.

albedo

Tämä on pinnan heijastuneen valon suhde ja vaihtelee eri pintatyyppien mukaan.

Kuva 5: Korkeuden vaikutus BF-vahvistukseen. Albedo 80%, rivin pituus 2,5 m [4].

Maaperän peiton suhde

Tämä on PV-moduulien peittoalueen suhde asennuksen käytössä olevaan kokonaispinta-alaan. Tämä suhde vaikuttaa heijastuneeseen valoon ja voi vaikuttaa BF-paneelin suorituskykyyn.

BF-moduulien optimaalinen asennus

Koska kaksisuuntaiset moduulit absorboivat auringon säteilyä molemmilta puolilta, ne mahdollistavat monenlaiset kallistus- ja asennusvaihtoehdot, ja ne sopivat erinomaisesti korkeisiin maa-, katto-, autiomaa- ja lumialueisiin tai vesisovelluksiin. Asennusjärjestelmät, jotka on suunniteltu optimoimaan katon ja heijastuksen katoista ja maadoitetuista asennuksista, nostavat rakenteen maan tai katon yläpuolelle, jotta saadaan enemmän hajallaan tai heijastuneita valoja.

Rakenteen korkeus ja etäisyys

Rakenteen kohottaminen maanpinnan yläpuolelle lisää säteilyn määrää, joka saavuttaa paneelin takaosaan ja parantaa siten suorituskykyä ja kaksisuuntaista vahvistusta. Myös rivien välisen etäisyyden lisääminen parantaa kaksisuuntaista vahvistusta (katso kuvio 6).

Kuva 6: Säteily pystysuunnassa asennetussa BF-paneelissa (Sanyo).

Vahvistuksen kasvu näyttää tasoittuvan noin 1 metrin korkeudessa. Rakenteen korkeuden lisäämisellä on erittäin voimakas vaikutus kattoasennuskokonaisuuksiin, erityisesti kun kyseessä on tasainen katto. Tuulen lisäämisen vaara voi olla ongelma. Useat asennusrakenteiden valmistajat ovat tuottaneet kohonneita rakenteita sekä maahan että kattoon.

Lisäkorkeudessa saavutettuja hyötyjä voidaan käyttää hyväksi avoimissa rakennuksissa, kuten pysäköintialueilla ja ulkoilmapaikoilla, sekä viihde- ja vieraanvaraisuusalueilla. Läpinäkyvä kapselointilaite sallii jonkin verran valoa suodattaa moduulin läpi.

Vertikaalisesti suunnatut BF-paneelit

Yksi mielenkiintoisimmista sovelluksista, joita BF-matriisista tulee, on mahdollisuus pystysuoraan asennettuun ryhmään. Vertikaalisesti asennettuja BF-paneeleja on käytetty aikaisemmin tehokkaasti ääni- ja valoesteinä moottoriteillä. Vertikaalisesti asennettu paneeli vie paljon vähemmän tilaa kuin vaaka- tai kallistettu paneeli. On olemassa kaksi vaihtoehtoa: klassinen pohjois-etelä-suunta ja vaihtoehtoinen itä-länsi.

Jotta paikan päällä tapahtuva kysyntä vastaisi paremmin PV-sukupolven profiileja koko päivän ajan, on suuntaus käyttää itä-länsi-paneelin suuntausta, jossa puolet paneeleista on kallistettu itään päin, jotta luodaan sukupolven huippu aamulla ja loput puolet kallistuu länteen sallia toisen sukupolven huippu iltapäivällä (ks. kuva 7). Tämä kaksoishuippuprofiili soveltuu paremmin paikan päällä käytettävään sähkökäyttöön, erityisesti asuin- ja kaupallisiin laitteisiin.

Kuva 7: Päivittäinen säteilykuvio itä-länsi-BF-moduuleissa [5].

Tämä epätavallinen lähestymistapa voi mennä askeleen pidemmälle, jos käytetään vertikaalisesti asennettuja itä-länteen suuntautuvia kaksisuuntaisia moduuleja, mikä puolestaan pienentää vastaavan asennuksen tarvitsemia moduuleja. Tämä konfiguraatio tuottaisi jälleen kaksi sukupolven piikkiä, mutta hyötyisi myös moduuliin tulevasta lisähajotuksesta. BF-paneelit mahdollistavat pystysuuntaisen asennuksen itä-länsi-suuntaan, joka pystyy tarjoamaan korkeamman energiantuotannon kuin monofaasiset paneelit.

Pohjois- ja etelän suuntaan etupaneeli vastaanottaa suoraa ja hajaantuvaa säteilyä ja paneelin takaosa saa hajakuormitusta. Itä-länsi-suuntaan, jossa vastakkaiset puolet ovat itään ja länteen, molemmat puolet saavat suoran ja heijastuneen säteilyn eri vuorokaudenaikoina (ks. Kuva 7). Ensimmäisessä paikassa asennusmenetelmä näyttää olevan tehotonta, sillä keskipäivällä aurinko on suorassa kulmassa paneeleihin nähden, eikä tuloa pitäisi olla. Merkittävä tulos johtuu siitä, että sekä etu- että takapinnat saavat enimmäismäärän haja- ja heijastettua säteilyä.

Moduulin vastaanottama säteily riippuu suurelta osin lähellä olevien kohteiden ja maan heijastavuudesta (albedo). Tämä on erityisen tärkeää kesän puolenpäivän puolivälissä oleville pystysuuntaisille moduuleille, kun suoran auringonvalo on voimakkainta, mutta kun auringon kulma tarkoittaa, että moduulien vastaanottama suora auringonpaiste on suhteellisen pieni. Vertikaalinen kaksikerroksinen paneeli vähentää pölyn ja lumen kerääntymistä ja tarjoaa kaksi ulostulopiikkiä päivän aikana, jolloin toinen huippu kohdistuu sähkön huippukysyntään (katso kuva 8).

Kuva 8: Asennusvaihtoehtojen vertailu [5].

Yksi syy suurempaan energiantuotantoon on se, että itä-länsi-moduulin lämpötila on alhaisempi suurimman säteilytyksen aikana verrattuna etelään suuntautuneeseen moduuliin. Monet verkot, joissa on suuri aurinkoisuutta, ovat energian ylijäämä keskipäivän huipputuotantoaikojen aikana ja pulaa huipun aikana. Huippujen siirtäminen käyttämällä pystysuuntaista asennusta itä-länsi-suuntaan uuden PV: n osalta tuottaa tasaisemman energiantuotuskäyrän (katso kuva 9).

Tulevaisuuden näkymät

Vaikka BF-moduuleja on useita hankkeita, BF-moduulien prosenttiosuus markkinoilla on tällä hetkellä hyvin pieni, mutta sen odotetaan kasvavan merkittävästi tulevaisuudessa, kun markkinoille tulee lisää tuotteita ja tehdään lisää asennuksia. Tuotannon jopa 30 prosentin mahdollisen paranemisen odotetaan olevan paljon houkuttelevampi kuin muutaman prosenttiyksikön tehokkuuden kasvu, joka voitaisiin saavuttaa teknologian kehittämisellä.

Kuva 9: BF-solujen käytön odotettu kasvu [1].

Viitteet

[1] T Dullweber, et ai: "Bifacial PERC + aurinkokennot: teollisen toteutuksen tila ja tulevaisuuden näkymät",     bifiPV2017-työpaja, Konstanz, lokakuu 2017.
[2] W Herman: ”Bifacial PV -moduulien suorituskykyominaisuudet ja tehomerkintä” , bifiPV2017-työpaja, Konstanz, lokakuu 2017.
[3] D Brearly: "Bifacial PV Systems", Solarpro- lehden numero 10.2, maalis-huhtikuu '17
[4] Solarworld: " Miten maksimoida energiantuotanto kaksivaiheisella tekniikalla", Valkoinen kirja SW9001US 160729
[5] EPRI: ”Bifacial solar PV -moduulit”, www.epri.com