Alates: 9. mai 2018, avaldatud artiklites: Energize, autor Mike Rycroft, EE Publishers
Päikesemoodulite tagaküljel peegeldunud ja hajutatud kiirgus võib päikesemoodulite võimsust suurendada ilma suuremate tõhususe parandamisteta.
Ajalooliselt olid bifaasilised (BF) päikesepatareid suunatud integreeritud PV rakenduste loomisele või piirkondadele, kus suur osa olemasolevast päikeseenergiast on hajus päikesevalgus, mis on põrandast ja ümbritsevatest esemetest, st äärmuslikest laiuskraadidest ja lumekindlatest piirkondadest põrkas. Siiski on standardse ekraaniga trükitud päikesepatareide tasapinnalise tipptõhususe kombinatsioon ja päikeseklaasi maksumuse märkimisväärne vähenemine viimastel aastatel kahekordse klaasi (DG) kapseldamise elujõulisuse tõttu viinud bifaasilised päikesemoodulid tagasi tähelepanu keskpunkti [2] .
BF-tehnoloogia eesmärk ei ole päikesemooduli või paneeli tõhususe suurendamine, vaid rohkem päikeseenergia kogumine mooduli kohta. Prognoositakse kasumit kuni 30%, sõltuvalt sellistest teguritest nagu maapinna peegelduvus, kõrgus maapinnast, kaldenurk ja mitmed teised. Mooduli poolt vastu võetud kiirgus koosneb mitmest komponendist:
1. Otsene päikesekiirgus.
2. õhuosakeste, pilvede ja teiste poolt põhjustatud kaudne hajutatud kiirgus.
3. Päikesemooduli lähedal olevate pindade peegeldunud kiirgus.
Päikeseenergia arvutamisel ei võeta üldjuhul arvesse peegeldunud kiirgust. Difuusse kiirguse mõõtmised viitavad kiirgusallikatele horisontaaltasapinna kohal. Päikesekiirguse tavaliseks mõõtmiseks kasutatakse püranomeetrit, mis on paigaldatud horisontaalselt ja mõõdab ainult kiirgust üle horisontaaltasapinna. Isegi kallutatud konfiguratsioonis ei mõõda püranomeeter kiirgust mõõtmistasandi all (vt joonis 1).
Joonis 1: Päikesekiirguse mõõtmine püranomeetriga.
Difuusne kiirgus võib kaasa tuua olulise koguse kiirguse, kuid suur osa sellest ei võta kaldu või horisontaalselt paigaldatud moodulisse. Mooduli kallutamine suurendab otsese kiirguse intensiivsust, kuid blokeerib suure osa kaudsest kiirgusest. Difuusne kiirgus on olemuselt isoptropiline, st see on samast väärtusest olenemata allikast, samas kui peegeldunud kiirgus sõltub päikesekiiret ümbritseva pinna iseloomust, massiivi nurkast ja muudest teguritest. Esipaneel saab nii otsese kui ka hajusa kiirguse, sõltuvalt paneeli kaldenurgast.
Mooduli tagumine külg saab valgust kahest allikast:
· Põldvälja hajumine: peegeldas otsest ja hajusat kiirgust.
· Difuusne kiirgus: mitte peegeldunud kiirgus otse hajusallikatest.
Erinevad pinnad peegeldavad valgust erinevatel kiirustel ja peegeldavaid omadusi kirjeldab albedo faktor. Albedo kirjeldab mittevalguva pinna peegelduvust - selle määrab pinnalt peegelduva valguse ja juhusliku kiirguse suhe. Albeedi mõningate väärtuste kohta vaata tabelit 1. [2]
Tabel 1: Albedo väärtused erinevatele pindadele [4]. | |
Pinna tüüp | Albedo |
Roheline väli (rohi) | 10–25% |
Betoon | 20–40% |
Valge värvusega betoon | 60–80% |
Valge kruus | 27% |
Valge katusematerjal | 56% |
Hall katusemembraan | 62% |
Valge katusemembraan | 80% |
Liiv | 20–40% |
Valge liiv | 60% |
Lumi | 45 - 95% |
Vesi | 8% |
Difuusse valguse ja otsese valguse suhe sõltub tingimustest. Vähese kiirguse tõttu on pilvest tingitud hajutatud valguse protsent kõrgem kui päikesepaistelistes tingimustes ja monofaasilise PV-ga võrreldes võib suurenemine olla suurem kui päikesepaistelistes tingimustes [5].
BF moodulite ehitus
Rakkude konstruktsioon
Monofaasilised PV-rakud on tavaliselt konstrueeritud peegeldava kihiga, mis paikneb raku tagaküljel, et võimaldada esipinnale langeva valguse paremat imendumist. Fotoneid, mis ei imendu esikihis, saab absorbeerida tagasipöördumisel, suurendades seeläbi raku tõhusust. See tähendab, et fotonid, mis liiguvad normaalsesse vastassuunas, võivad tekitada elektrit ja kui tagaküljele langevatel fotonitel lubatakse rakku siseneda, saab neid tõhusalt kasutada elektri tootmiseks. See saavutatakse peegeldava kihi osaliselt eemaldamisega, mis toimib ka juhina (vt joonis 2).
Joonis 2: Peegeldatud valgus paneeli tagaküljel [3].
Juhtiva kihi vähendamine raku tagaosas suurendab vastupanuvõimet ja selle kompenseerimiseks on raku tagaosas vaja rohkem juhtmeid kui ees. See vähendab kiirgust võimaldava raku tagaosa pindala.
Erinevate PV-rakkude konstrueerimine on keerulisem kui näidatud ja konversioon ei ole päris nii lihtne. Tõhusalt töötava BF-raku tegemiseks on vaja ka muid samme. On ilmnenud mitu kujundust, mis kasutavad BF põhimõtet. Enamik neist hõlmab olemasolevate rakkude modifitseerimist, kuid on mitmeid, mis on spetsiaalselt kavandatud BF-rakkudeks.
Turul on tavapäraselt kasutusel kaks tüüpi bifaciaalse raku konstruktsiooni: heterojunktsioon ja passiivne emitteri tagumine rakk (PERC). Heterojunktsionaalsed rakud kasutavad monokristallilist räni, samas kui PERC-rakk on saadaval nii mono- kui ka polükristallilistes räni versioonides. Bifacial rakud on valmistamisel keerulisemad ja see lisab mooduli maksumust.
Tagumise valgustuse efektiivsus on madalam kui eesmine valgustus, nagu on näidatud tabelis 2. See on suuresti tingitud suurenenud pindalast, mida rakkude tagaosas olevad juhid kasutavad võrreldes esiosaga.
Tabel 2: Mitmete BF päikesemoodulite ees ja taga olevad tõhusused [1]. | ||
Toode | Eesmise efektiivsus% | Tagumine efektiivsus% |
ISFH | 21,5 | 16,7 |
Jinko päikeseenergia | 20,7 | 13,9 |
Longi päikeseenergia | 21,6 | 17,3 |
Suur päikeseenergia | 20,7 | 13,9 |
Mooduli ehitus
Monofaasilised (MF) kristalsed ränipaneelid on tavaliselt tagaküljel läbipaistmatu kapslisse, kuid seda meetodit ei saa kasutada BF süsteemide puhul. Moodulil peab olema läbipaistev taga- ja esipind, mis tagavad mehaanilise tugevuse. Lisaks peavad rakud olema kaitstud kaitsekihti. Kõige sagedamini kasutatav konfiguratsioon on kahekihiline fotogalvaanilise klaasi kiht, mis ümbritseb kaitsva polümeermaterjali kapseldatud rakke.
Valguse sära tagamiseks bifaciaalse raku tagaküljel on nõutav kas UV-kiirguskindel läbipaistev tagakülje materjal või täiendav päikeseklaasi kiht. Enamikel juhtudel, nagu on näidatud joonisel fig 4, valivad tootjad klaasist klaasist pakendi, mis üldiselt parandab põllu vastupidavust võrreldes klaas-filmi valikuga. Klaasist klaasist pakend on jäigem, mis vähendab rakkude mehaanilist koormust transpordi, käitlemise ja paigaldamise ajal, samuti keskkonnatingimuste, näiteks tuule või lume tõttu. Konfiguratsioon on ka veele vähem läbilaskev, mis võib vähendada iga-aastast degradatsioonikiirust. Bifacial moodulid on raamita. Alumiiniumraami kõrvaldamine vähendab tõhusalt potentsiaalse lagunemise võimalusi (PID) [3].
Joonis 3: Erinevus mono- ja kahe näo PV rakkude vahel.
Kahe klaasi (DG) paigaldusel on mitmeid eeliseid:
· Mikrokraavimise, delaminatsiooni ja niiskuse korrosiooni vähendamine.
· Madalam raku temperatuur.
· Potentsiaalse degradeerumise puudumine, kuna puudub metallkarkass, mis vajab maandamist.
· Madalam lagunemiskiirus.
· Kõrgem leegikindlus.
· Suurem mehaaniline tugevus ja vähem painduvad.
Turutooted
Tabelis 3 on loetletud mõned praegu turul kättesaadavad BF-süsteemid koos nende omadustega.
Tabel 3: BF päikese PV mooduli omadused . | ||||
Toode | Tüüp | Hinnang (Wp) | Tõhusus null BF võimenduse juures (%) | Tõhusus 30% BF võimendusega (%) |
Jinko päikese Eagle Dual 72 | Polükristall | 315 | 16,13 | 20,969 |
Kanada Solar BiKu | Polükristall | 350 | 17,54 | 22,8 |
JA solar JAN60D00 | Monokristall | 290 | 17,3 | 22,49 |
Trina päikese Duomax | Monokristall | 285 | 17,2 | 22,36 |
Yingli Panda 144HCF | Monokristall | 360 | 17,6 | 22,88 |
Peeterance parameetrid
BF päikesemoodulite omaduste kirjeldamiseks kasutatakse tööstuses mitmeid parameetreid.
Bifaciality tegur
See on suhe tagumise külg- ja esiserva efektiivsuse vahel või eesmise ja tagumise võimsuse suhe, mida mõõdetakse standardsetes katsetingimustes.
Bifaciaalne tõus
See on mooduli tagaküljelt saadud täiendav võimsus võrreldes mooduli esiosa võimsusega standardsetes katsetingimustes. Bifaaltugevus sõltub paigaldusest (struktuur, kõrgus, kaldenurk ja teised) ning maapinna albedoonist.
Joonis 4: Kahe klaasi BF mooduli konstrueerimine.
Bifaciaalne tõus = ( 𝑌𝐵𝑖 - 𝑌 ) / 𝑌𝑀𝑜
kus:
YB i = BF-mooduli võimsus.
YM o = MF mooduli võimsus samadel tingimustel.
Albedo
See on pinnalt peegelduva valguse suhtes peegelduva valguse suhe ja varieerub erineva pinnatüübiga.
Joonis 5: Kõrguse mõju BF võimendusele. Albedo 80%, rea pigi 2,5 m [4].
Maapinna katvuse suhe
See on PV-moodulitega kaetud maa-ala suhe käitise poolt hõivatud üldpinnaga. See suhe mõjutab peegeldunud valgust ja võib mõjutada BF paneeli jõudlust.
BF moodulite optimaalne paigaldamine
Kuna bifacialmoodulid neelavad päikesekiirgust mõlemalt poolt, võimaldavad nad erinevaid kallutus- ja paigaldusvõimalusi ning sobivad ideaalselt kõrgendatud maapinnale, katusele, kõrbele ja lume piirkondadele või vees kasutatavatele rakendustele. Paigaldussüsteemid, mis on ette nähtud katuse ja maapinnal asuvate paigaldiste tagasilöögi ja peegelduse optimeerimiseks, tõstavad maapinnast või katust ülespoole ehitatud struktuuri, et võtta rohkem hajutatud või peegeldunud valgust.
Struktuuri kõrgus ja vahekaugus
Maapinna kohal oleva struktuuri tõstmine suurendab paneeli tagaküljele jõudva kiirguse kogust ja parandab nii jõudlust kui ka kaheosalist võimendust. Ridade vahe suurendamine parandab ka bifaasilist võimendust (vt joonis 6).
Joonis 6: Kiirgus vertikaalselt paigaldatud BF paneelil (Sanyo).
Tugevuse suurenemine näib libisevat umbes 1 m kõrgusel. Struktuuri kõrguse suurendamisel on väga tugev mõju katusekonstruktsioonidele, eriti kui tegemist on lamedate katustega. Probleemiks võib olla tuuleenergia suurenemise oht. Mitmed paigalduskonstruktsioonide tootjad on valmistanud kõrgendatud struktuure nii maapinnale kui ka katusele.
Suurenenud kõrgusega saadud kasu saab kasutada hästi avatud tüüpi ehitistes, nagu parkimiskohad ja vabaõhu hoidlad, samuti meelelahutus- ja toitlustuspiirkondades. Läbipaistev kapseldaja võimaldab mõningast valgust filtreerida läbi mooduli.
Vertikaalselt orienteeritud BF-paneelid
Üks huvitavamaid rakendusi BF-i massiivi kohta on vertikaalselt monteeritud massiivi võimalus. Vertikaalselt monteeritud BF-paneele on minevikus efektiivselt kasutatud heli- ja valgusbarjääridena maanteedel. Vertikaalselt paigaldatud paneel võtab palju vähem ruumi kui horisontaalne või kallutatud paneel. Olemas on kaks võimalust: klassikaline põhja-lõuna suund ja alternatiivne ida-lääne pool.
Selleks, et kohapealset nõudlust paremini kohandada PV-põlvkonna profiilidega kogu päeva vältel, on tendents kasutada ida-lääne paneelide suunda, kus pooled paneelid on kaldu ida suunas, et tekitada hommikul põlvkonna tipp ja ülejäänud pool kaldub läände pärastlõunal teise põlvkonna tippu (vt joonis 7). See topeltpiirkonna profiil sobib paremini kohapealse elektrienergia kasutamisega, eriti elamu- ja kaubandusrajatiste puhul.
Joonis 7: Igapäevane kiirgusmuster ida-lääne BF moodulites [5].
See ebatavaline lähenemine võib minna sammu võrra kaugemale, kui kasutatakse vertikaalselt paigaldatud ida-lääne suunas asuvaid bifaasilisi mooduleid, mis oleks rohkem kui poole võrra väiksem kui samaväärse paigalduse jaoks vajalike moodulite arv. See konfiguratsioon tooks jälle kaasa kaks põlvkonna piiki, kuid oleks kasulik ka moodulisse sisenevale täiendavale hajutatud valgusele. BF paneelid võimaldavad vertikaalselt paigaldatud ida-lääne suunitlust, mis võib pakkuda suuremat energiatootmist kui monofaasilised paneelid.
Põhja-lõuna suunal saab esipaneel otsest ja hajusat kiirgust ning paneeli tagaosa saab hajusat kiirgust. Idas-lääne suunal, kus vastasküljed on ida ja lääne poole, saavad mõlemad pooled otsese ja peegelduva kiirguse erinevatel päevadel (vt joonis 7). Esimesel saidil näib paigaldusmeetod olevat ebatõhus, sest keskpäeval on päike paneelide suhtes täisnurga all ja väljundit ei tohiks olla. Märkimisväärne väljund on tingitud asjaolust, et nii eesmised kui ka tagumised pinnad saavad maksimaalse hajusa ja peegeldunud kiirguse.
Mooduli poolt vastu võetud kiirgus sõltub suurel määral lähedal asuvate objektide ja maapinna peegeldumisest (albedo). See on eriti oluline suvel keskpäeva keskel paiknevate vertikaalsete moodulite puhul, kui otsese valguse päikesepaiste on kõige intensiivsem, kuid kui päikesekiirus tähendab, et moodulite poolt vastu võetud otsene päikesekiirgus on suhteliselt väike. Vertikaalne kaheosaline paneel vähendab tolmu ja lume kogunemist ning tagab päeva jooksul kaks väljundpiiki, kusjuures teine piik on vastavuses elektrienergia tippnõudlusega (vt joonis 8).
Joonis 8: Paigaldusvõimaluste võrdlus [5].
Suurema energiatootmise üheks põhjuseks on see, et ida-lääne mooduli temperatuur on maksimaalse kiirguse ajal madalam kui lõuna suunalise mooduli puhul. Paljude suurte päikeseenergiatega võrkude ülejääk on keskpäeva tipptundide ajal ja puudus tipp-ajal. Piirkondade nihutamine vertikaalse paigalduse abil ida-lääne suunas uue PV jaoks annab ühtlasema energiatootmise kõvera (vt joonis 9).
Tuleviku väljavaated
Kuigi BF mooduleid kasutatakse mitmetes projektides, on BF moodulite osakaal turul praegu väga väike, kuid eeldatavasti kasvab see tulevikus märkimisväärselt, kuna turule tulevad rohkem tooteid ja tehakse rohkem seadmeid. Võib eeldada, et toodangu kuni 30% -line paranemine on palju atraktiivsem kui paar protsendipunkti suurune tõhususe suurenemine, mida tehnoloogia arenguga võiks saavutada.
Joonis 9: BF-rakkude kasutamise eeldatav kasv [1].
Viited
[1] T Dullweber jt: "Bifacial PERC + päikesepatareid: tööstusliku rakendamise staatus ja tulevikuperspektiivid", bifiPV2017 töökoda, Konstanz, oktoober 2017.
[2] W Herman: „Bifacial PV moodulite ja energiamärgistuse toimivusomadused” , bifiPV2017 töökoda, Konstanz, oktoober 2017.
[3] D Brearly: “Bifacial PV Systems”, ajakiri Solarpro 10.2, märts / aprill '17
[4] Solarworld: „ Kuidas maksimeerida kahepoolsete tehnoloogiate energiakulu”, valge raamat SW9001US 160729
[5] EPRI: „Bifacial päikeseenergia moodulid”, www.epri.com
