Двухфазные солнечные панели дают повышенный потенциал выходной мощности

От: 9 мая 2018, Опубликовано в статьях: Energize, Майк Райкрофт, EE Publishers

Отраженное и рассеянное излучение на обратной стороне солнечных модулей может увеличить выходную мощность солнечных модулей без значительного повышения эффективности.

Исторически, бифациальные (BF) солнечные элементы предназначались для создания интегрированных фотоэлектрических приложений или в областях, где большая часть доступной солнечной энергии представляет собой рассеянный солнечный свет, отражающийся от земли и окружающих объектов, то есть в экстремальных широтах и подверженных снегу регионах. Однако сочетание пиковой эффективности плато от стандартных солнечных батарей с трафаретной печатью и значительного снижения стоимости солнечного стекла в последние годы, делающего возможным использование инкапсуляции двойного стекла (DG), привело к тому, что двухфазные солнечные модули снова оказались в центре внимания [2] ,

Целью технологии BF является не повышение эффективности солнечного модуля или панели, а захват большего количества солнечной энергии на модуль. Прогнозируется усиление до 30% в зависимости от таких факторов, как отражающая способность поверхности земли, высота над землей, угол наклона и ряд других. Полученное модулем излучение состоит из нескольких компонентов:

1. Прямое излучение от солнца.

2. Косвенное диффузное излучение, вызванное частицами воздуха, облаками и другими.

3. Отраженное излучение от поверхностей, близких к солнечному модулю.

Отраженное излучение обычно не учитывается в расчетах солнечной энергии. Измерения диффузного излучения относятся к источникам излучения выше горизонтальной плоскости. Обычный метод измерения солнечного излучения использует пиранометр, который установлен горизонтально и измеряет только излучение выше горизонтальной плоскости. Даже в наклонной конфигурации пиранометр не будет измерять излучение ниже плоскости измерения (см. Рис. 1).

Рис. 1: Измерение солнечного излучения с помощью пиранометра.

Рассеянное излучение может вносить значительную часть общего излучения, но большая часть этого не будет захвачена в наклонном или горизонтально установленном модуле. Наклон модуля увеличивает интенсивность прямого излучения, но блокирует большую часть косвенного излучения. Диффузное излучение имеет изоптропную природу, то есть оно имеет одинаковое значение независимо от источника, тогда как отраженное излучение будет зависеть от характера поверхности, окружающей солнечную решетку, угла ее расположения и других факторов. На переднюю панель будет поступать как прямое, так и рассеянное излучение, соотношение в зависимости от угла наклона панели.

Задняя сторона модуля будет получать свет от двух источников:

·          Рассеяние в ближнем поле: отраженное прямое и рассеянное излучение.

·          Диффузное излучение: неотраженное излучение непосредственно от диффузных источников.

Разные поверхности отражают свет с разной скоростью, а отражающие свойства описываются фактором альбедо. Альбедо описывает отражательную способность несветящейся поверхности - она определяется соотношением света, отраженного от поверхности, и падающего излучения. См. Таблицу 1 для некоторых измеренных значений альбедо [2]

Соотношение рассеянного и прямого света зависит от условий. При низкой яркости из-за облачности процент рассеянного света будет выше, чем в солнечных условиях, и поэтому усиление по сравнению с однофазным PV может поэтому быть выше, чем в солнечных условиях [5].

Строительство BF модулей

Сотовая конструкция

Монофациальные фотоэлементы обычно имеют отражающий слой на задней поверхности, чтобы лучше поглощать свет, падающий на лицевую поверхность. Фотоны, которые не поглощаются в переднем слое, могут поглощаться при обратном отключении, что повышает эффективность работы ячейки. Это означает, что фотоны, движущиеся в направлении, противоположном нормальному, могут генерировать электричество, и если фотонам, попадающим на заднюю поверхность, можно позволить войти в клетку, они могут эффективно использоваться для генерации электричества. Это достигается за счет частичного удаления отражающего слоя, который также выступает в качестве проводника (см. Рис. 2).

Рис. 2: Отраженный свет на задней панели [3].

Уменьшение проводящего слоя в задней части ячейки увеличивает сопротивление, и для задней части ячейки требуется больше проводников, чем спереди, чтобы компенсировать это. Это уменьшает площадь задней части ячейки, доступной для излучения.

Конструкция фотоэлемента различных типов более сложна, чем показано, и преобразование не так просто. Существуют и другие шаги, необходимые для создания ячейки BF, которая работает эффективно. Появилось несколько проектов, в которых используется принцип BF. Большинство из них связаны с модификацией существующих клеток, но есть несколько, которые были разработаны специально как клетки BF.

На рынке широко используются два типа конструкции бифациальных ячеек: гетеропереход и задняя ячейка пассивированного излучателя (PERC). Ячейки с гетеропереходом используют монокристаллический кремний, тогда как ячейка PERC доступна как в моно, так и в поликристаллическом кремнии. Двусторонние клетки более сложны в изготовлении, что увеличивает стоимость модуля.

Эффективность заднего освещения ниже, чем переднего освещения, как показано в Таблице 2. Это в значительной степени связано с увеличением площади, занимаемой проводниками на задней части ячейки по сравнению с передней.

Модульная конструкция

Монофазные (MF) панели из кристаллического кремния обычно заключают в непрозрачный герметик сзади, но этот метод нельзя использовать с системами BF. Модуль должен иметь прозрачные заднюю и переднюю поверхности, обеспечивающие механическую прочность. Кроме того, ячейки должны быть заключены в слой защитного материала. Наиболее распространенная конфигурация - это двойной слой фотоэлектрического стекла, охватывающий элементы, которые заключены в защитный полимерный материал.

Требуется либо устойчивый к ультрафиолетовому излучению прозрачный материал заднего листа, либо дополнительный слой солнечного стекла, чтобы позволить свету сиять на задней части бифациальной ячейки. В большинстве случаев, как показано на рис. 4, производители выбирают упаковку «стекло на стекле», которая обычно повышает долговечность в полевых условиях по сравнению с вариантами «стекло на пленке». Упаковка «стекло на стекле» является более жесткой, что снижает механические нагрузки на элементы во время транспортировки, погрузочно-разгрузочных работ и монтажа, а также нагрузку из-за условий окружающей среды, таких как ветер или снег. Конфигурация также менее проницаема для воды, что может снизить ежегодные темпы деградации. Двусторонние модули безрамные. Устранение алюминиевой рамы эффективно уменьшает возможности для потенциальной деградации (PID) [3].

Рис. 3: Разница между однолицевыми и двуликими фотоэлементами.

Двойное стекло (DG) имеет ряд преимуществ:

·          Снижение микротрещины, расслоения и коррозии влаги.

·          Понизьте температуру в ячейке.

·          Потенциальная деградация отсутствует, так как нет металлического каркаса, требующего заземления.

·          Более низкая скорость деградации.

·          Более высокая огнестойкость.

·          Более высокая механическая прочность и меньшее изгибание.

Рынок продуктов

В таблице 3 перечислены некоторые системы BF, доступные на рынке в настоящее время, с их характеристиками.

Параметры производительности

Несколько параметров используются в промышленности для описания характеристик солнечных модулей BF.

Фактор бифациальности

Это отношение эффективности задней и передней сторон или отношение мощности передней и задней части, измеренное в стандартных условиях испытаний.

Двустороннее усиление

Это дополнительная мощность, получаемая от задней части модуля по сравнению с мощностью от передней части модуля при стандартных условиях испытаний. Двойное усиление зависит от установки (структура, высота, угол наклона и др.) И альбедо поверхности земли.

Рис. 4: Конструкция двойного стеклянного модуля BF.

Двустороннее усиление = ( 𝑌𝐵𝑖 - 𝑌 ) / 𝑌𝑀𝑜

где:

YB _i = мощность от модуля BF.

YM _o = мощность от модуля MF при тех же условиях.

Альбедо

Это отношение света, отраженного от поверхности, к падающему свету и варьируется в зависимости от типа поверхности.

Рис. 5: Влияние высоты на усиление BF. Альбедо 80%, шаг поля 2,5 м [4].

Коэффициент покрытия земли

Это отношение площади земли, покрытой фотоэлектрическими модулями, к общей площади земли, занимаемой установкой. Это соотношение влияет на отраженный свет и может повлиять на производительность панели BF.

Оптимальный монтаж модулей BF

Поскольку бифациальные модули поглощают солнечное излучение с обеих сторон, они допускают различные варианты наклона и установки и идеально подходят для установки на возвышенности, на крыше, в пустыне и на заснеженной местности, а также для применения на воде. Монтажные системы, предназначенные для оптимизации обратного рассеяния и отражения от крыш, а также наземные установки поднимают конструкцию над землей или крышей для захвата большего количества рассеянного или отраженного света.

Высота конструкции и расстояние

Поднятие конструкции над землей увеличивает количество радиации, достигающей задней части панели, и, таким образом, повышает производительность и усиление бифациального усиления. Увеличение расстояния между рядами также улучшает двухстороннее усиление (см. Рис. 6).

Рис. 6: Излучение на вертикально установленной панели BF (Sanyo).

Увеличение усиления, кажется, сглаживается на высоте около 1 м. Увеличение высоты конструкции очень сильно сказывается на массивах для монтажа на крышу, особенно там, где речь идет о плоских крышах. Опасность повышенной ветровой нагрузки может быть проблемой. Несколько производителей монтажных конструкций изготовили надземные конструкции как для наземного, так и для кровельного монтажа.

Усиления, полученные при увеличении высоты, могут найти хорошее применение в конструкциях с открытым навесом, таких как парковки и отсеки для хранения под открытым небом, а также в зонах развлечений и гостеприимства. Прозрачный герметик позволяет некоторому свету проходить через модуль.

Вертикально ориентированные панели BF

Одним из наиболее интересных приложений для массива BF является возможность вертикального монтажа массива. Вертикально установленные панели BF эффективно использовались в прошлом как звуковые и световые барьеры на шоссе. Вертикально установленная панель занимает гораздо меньше места, чем горизонтальная или наклонная панель. Существуют два варианта: классическая ориентация север-юг и альтернативная ориентация восток-запад.

Чтобы лучше согласовать спрос на месте с профилями генерации PV в течение дня, существует тенденция использовать ориентацию панелей восток-запад, когда половина панелей наклонена на восток, чтобы создать пик генерации утром, а оставшаяся половина - на запад, чтобы учитывайте еще один пик генерации во второй половине дня (см. рис. 7). Этот двухпиковый профиль может лучше соответствовать потреблению электроэнергии на месте, особенно для жилых и коммерческих объектов.

Рис. 7: Дневная диаграмма направленности на модулях BF восток-запад [5].

Этот нетрадиционный подход может пойти еще дальше, если использовать вертикально расположенные двухсторонние модули, ориентированные на восток-запад, что увеличит вдвое количество модулей, необходимых для эквивалентной установки. Эта конфигурация снова создаст два пика генерации, но также выиграет от дополнительного рассеянного света, поступающего в модуль. Панели BF обеспечивают вертикальную ориентацию восток-запад с потенциалом для обеспечения более высокой выработки энергии, чем у монофазных панелей.

В ориентации север-юг передняя панель получает прямое и рассеянное излучение, а задняя часть панели получает рассеянное излучение. В ориентации восток-запад с противоположными сторонами, обращенными на восток и запад, обе стороны получают прямое и отраженное излучение в разное время суток (см. Рис. 7). На первом месте способ монтажа кажется неэффективным, так как в полдень солнце находится под прямым углом к панелям, и выход не должен быть. Значительная мощность обусловлена тем, что как передняя, так и задняя поверхности получают максимальное количество рассеянного и отраженного излучения.

Излучение, полученное модулем, будет в значительной степени зависеть от отражательной способности (альбедо) близлежащих объектов и земли. Это особенно важно для вертикальных модулей около полудня летом, когда прямое солнечное излучение наиболее интенсивно, но когда угол солнца означает, что прямое солнечное излучение, полученное модулями, относительно мало. Вертикальная двухсторонняя панель уменьшает накопление пыли и снега и обеспечивает два выходных пика в течение дня, причем второй пик выровнен с пиковым потреблением электроэнергии (см. Рис. 8).

Рис. 8: Сравнение вариантов монтажа [5].

Одна из причин увеличения производства энергии заключается в том, что температура модуля восток-запад ниже во время максимальной освещенности по сравнению с модулем, ориентированным на юг. Многие сети с высоким проникновением солнечной энергии имеют избыток энергии во время пикового производства в полдень и дефицит в непиковый период. Сдвиг пиков с использованием вертикальной ориентации восток-запад для нового PV дает более равномерную кривую производства энергии (см. Рис. 9).

Будущие перспективы

Хотя существует несколько проектов, использующих модули BF, доля модулей BF на рынке в настоящее время очень мала, но ожидается, что в будущем она значительно возрастет, так как на рынок выходит все больше продуктов и выполняется больше установок. Ожидается, что возможное повышение производительности до 30% будет гораздо более привлекательным, чем повышение эффективности на несколько процентных пунктов, которое может быть достигнуто с развитием технологий.

Рис. 9: Ожидаемый рост использования клеток BF [1].

Рекомендации

[1] Т. Dullweber и др .: «Двухфазные солнечные элементы PERC +: состояние промышленной реализации и перспективы на будущее»,     Семинар bifiPV2017, Констанц, октябрь 2017.
[2] У Херман: «Рабочие характеристики двухфазных фотоэлектрических модулей и маркировка мощности» , семинар bifiPV2017, Констанц, октябрь 2017 г.
[3] D Brearly: «Двухфазные фотоэлектрические системы», журнал Solarpro, выпуск 10.2, март / апрель 17 года.
[4] Solarworld: « Как максимизировать выход энергии с помощью двухсторонней технологии», Белая книга SW9001US 160729
[5] EPRI: «Двухфазные солнечные фотоэлектрические модули», www.epri.com