Двофазні сонячні панелі дають підвищений потенціал виходу потужності

Від: 9 травня 2018 року, опубліковано у статтях: Енергійно, Майком Рікрофтом, видавцями EE

Відбите та дифузне випромінювання на зворотному боці сонячних модулів може збільшити потужність сонячних модулів без значних підвищення ефективності.

Історично, двофазні сонячні батареї (BF) були спрямовані на створення інтегрованих фотоелектричних додатків або в районах, де значна частина наявної сонячної енергії є дифузним сонячним світлом, яке відштовхується від землі та навколишніх об'єктів, тобто крайніх широт та схильних до снігу областей. Однак поєднання пікових показників ефективності від стандартних сонячних батарей та значного зниження вартості сонячного скла в останні роки завдяки використанню життєдіяльності подвійного скла (DG) повернуло двофазні сонячні модулі назад у центр уваги [2] .

Мета технології BF полягає не в підвищенні ефективності сонячного модуля або панелі, а в захопі більше сонячної енергії на модуль. Забезпечується посилення до 30%, залежно від таких факторів, як відбивна здатність поверхні землі, висота над землею, кут нахилу та кілька інших. Випромінювання, отримане модулем, складається з декількох компонентів:

1. Пряме випромінювання від сонця.

2. Непряме дифузне випромінювання, спричинене частинками повітря, хмарами та ін.

3. Відбите випромінювання від поверхонь, близьких до сонячного модуля.

Відбита радіація, як правило, не враховується при розрахунках сонячної енергії. Дифузні вимірювання випромінювання стосуються джерел випромінювання над горизонтальною площиною. Звичайний метод вимірювання сонячного випромінювання використовує піранометр, який встановлюється горизонтально і вимірює випромінювання лише над горизонтальною площиною. Навіть у нахиленій конфігурації піранометр не вимірюватиме випромінювання нижче площини вимірювання (див. Рис. 1).

Рис. 1: Вимірювання сонячної радіації за допомогою піранометра.

Дифузне випромінювання може внести значну кількість загального випромінювання, але значна частина цього не буде зафіксована в нахиленому або горизонтально встановленому модулі. Нахил модуля збільшує інтенсивність прямого випромінювання, але блокує значну частину непрямого випромінювання. Дифузне випромінювання має ізоптропний характер, тобто має однакове значення незалежно від джерела, тоді як відбите випромінювання буде залежати від природи поверхні, що оточує сонячний масив, кута масиву та інших факторів. Передня панель буде отримувати як пряме, так і дифузне випромінювання, співвідношення залежно від кута нахилу панелі.

Задня сторона модуля буде отримувати світло від двох джерел:

·          Розсіювання поблизу поля: відбите пряме та дифузне випромінювання.

·          Дифузне випромінювання: невідбиване випромінювання безпосередньо з дифузних джерел.

Різні поверхні відбивають світло з різною швидкістю, а відбивні властивості описуються коефіцієнтом альбедо. Альбедо описує відбивальну здатність неосвіченої поверхні - вона визначається співвідношенням світла, відбитого від поверхні, та випадкового випромінювання. Див. Таблицю 1 для деяких значень вимірюваних альбедо [2]

Співвідношення дифузного світла до прямого світла буде залежати від умов. При низькому сяйві через хмару відсоток розсіяного світла буде вищим, ніж при сонячних умовах, і тому коефіцієнт посилення порівняно з однофазним ПВ може бути більшим, ніж при сонячних умовах [5].

Побудова модулів BF

Будівництво клітин

Монофаціальні фотоклітини зазвичай побудовані зі світловідбиваючим шаром на задній грані клітини, що дозволяє краще поглинати світло, що падає на передню поверхню. Фотони, які не поглинаються в передньому шарі, можуть бути поглинені під час зворотного відключення, таким чином підвищуючи ефективність клітини. Це означає, що фотони, що рухаються у зворотному напрямку до нормального, можуть генерувати електроенергію, і якщо фотонам, що падають на задню поверхню, можна дозволити проникнути в камеру, їх можна ефективно використовувати для отримання електроенергії. Це досягається шляхом часткового видалення відбивного шару, який також виконує роль провідника (див. Рис. 2).

Рис. 2: Відбите світло на задній панелі панелі [3].

Зниження провідного шару в задній частині стільника збільшує опір і для компенсації цього потрібно більше провідників ззаду клітини, ніж спереду. Це зменшує площу тилу клітини, доступну для випромінювання.

Побудова різних типів фотоелементів є більш складною, ніж показана, і перетворення не так просто. Існують інші кроки, необхідні для створення клітини BF, яка працює ефективно. З'явилося кілька конструкцій, які використовують принцип BF. Більшість передбачає модифікацію існуючих комірок, але є кілька, які були розроблені спеціально як клітини BF.

На ринку загальноприйняті два типи двофазних клітинних конструкцій: гетероперехід та задня клітина пасивованого випромінювача (PERC). Клітини гетеромонтажу використовують монокристалічний кремній, тоді як клітина PERC доступна як у моно, так і в полікристалічному кремнієвому варіанті. Двофазні клітини більш складні у виробництві, і це збільшує вартість модуля.

ККД заднього освітлення нижчий, ніж переднього освітлення, як показано в таблиці 2. Це значною мірою пояснюється збільшеною площею, яку займають провідники на задній панелі комірки порівняно з передньою.

Побудова модуля

Кристалічні кремнієві панелі з однофазними (MF) зазвичай укладені в непрозору капсулу ззаду, але цей метод не може бути використаний для систем BF. Модуль повинен мати прозору задню і передню поверхні, що забезпечують механічну міцність. Крім того, клітини повинні бути укладені в шар захисного матеріалу. Найчастіша прийнята конфігурація - це подвійний шар фотоелектричного скла, що охоплює осередки, укладені в захисний полімерний матеріал.

Потрібен або стійкий до ультрафіолетового світла прозорий матеріал, або додатковий шар сонячного скла, щоб світло могло світити на задній частині двофазної клітини. У більшості випадків, як показано на фіг. 4, виробники вибирають упаковку "скло на склі", яка, як правило, покращує довговічність поля в порівнянні з варіантами "скло на плівці". Упаковка зі скла на склі є більш жорсткою, що зменшує механічне навантаження на стільники під час транспортування, обробки та встановлення, а також напруга через екологічні умови, такі як вітер чи сніг. Конфігурація також менш проникна для води, що може знизити річну швидкість деградації. Двофазні модулі безкаркасні. Елімінація алюмінієвої рами ефективно знижує можливості для потенціальної деградації (PID) [3].

Рис. 3: Різниця між моно-лицьовими та двофасциальними PV-клітинами.

Монтаж подвійного скла (DG) має ряд переваг:

·          Зниження мікротріщин, розшарування та корозії вологи.

·          Зниження температури клітини.

·          Немає потенціальної деградації, оскільки немає металевого каркаса, який вимагав би заземлення.

·          Нижча швидкість деградації.

·          Більш високий показник вогнестійкості.

·          Більш висока механічна міцність і менше згинання.

Ринкова продукція

У таблиці 3 перераховані деякі системи BF, доступні на ринку на даний момент, з їх характеристиками.

Параметри відповідності

У галузі використовується кілька параметрів для опису характеристик сонячних модулів BF.

Коефіцієнт двоякості

Це співвідношення ефективності задньої та передньої сторони або відношення потужності передньої та задньої частин, виміряне в стандартних умовах тестування.

Двофазова вигода

Це додаткова потужність, отримана з тильної сторони модуля порівняно з потужністю з передньої частини модуля при стандартних тестових умовах. Коефіцієнт посилення залежить від кріплення (конструкція, висота, кут нахилу та інших) та альбедо поверхні землі.

Рис. 4: Побудова подвійного скляного модуля BF.

Двозначне посилення = ( 𝑌𝐵𝑖 - 𝑌 ) / 𝑌𝑀𝑜

де:

YB _i = Потужність від модуля BF.

YM _o = Потужність від модуля MF за тих же умов.

Альбедо

Це відношення світла, відбитого від поверхні до падаючого світла, і змінюється в залежності від різних типів поверхні.

Рис. 5: Вплив висоти на посилення BF. Альбедо 80%, крок рядка 2,5 м [4].

Коефіцієнт покриття ґрунту

Це відношення площі землі, охопленої фотомодулями, до загальної площі землі, зайнятої установкою. Це співвідношення впливає на відбите світло і може впливати на продуктивність панелі BF.

Оптимальне кріплення модулів BF

Оскільки двофазні модулі поглинають сонячне випромінювання з обох сторін, вони дозволяють здійснювати різноманітні варіанти нахилу та установки та ідеально підходять для встановлених наземних, дахових, пустельних та снігових областей або для застосування на воді. Системи кріплення, розроблені для оптимізації зворотного розбиття та відбиття від покрівель та наземних установок, піднімають конструкцію над землею або дахом, щоб захопити більше розсіяного або відбитого світла.

Висота конструкції та відстань

Підняття структури над землею збільшує кількість випромінювання, що надходить на тильну сторону панелі, і таким чином покращує продуктивність та двофазний посилення. Збільшення інтервалу між рядками також покращує двофазний посилення (див. Рис. 6).

Рис. 6: Випромінювання на вертикально встановленій панелі BF (Sanyo).

Зростання посилення, схоже, вирівнюється на висоті близько 1 м. Збільшення висоти конструкції має дуже виражений вплив на масиви кріплення на даху, особливо там, де задіяні плоскі дахи. Небезпека посилення навантаження на вітер може бути проблемою. Кілька виробників монтажних конструкцій виготовили підвищені конструкції як для наземних, так і для покрівельних установок.

Прибутки, отримані із збільшенням висоти, можуть бути корисними у відкритих спорудах, таких як парковки та приміщення для зберігання під відкритим небом, а також у зонах розваг та гостинності. Прозорий інкапсулянт дозволяє трохи світла фільтрувати через модуль.

Вертикально орієнтовані панелі BF

Одне з найцікавіших застосувань для виходу з масиву BF - це можливість вертикально встановленого масиву. Вертикально встановлені панелі BF у минулому ефективно використовувались як звукові та світлові бар'єри на шосе. Вертикально встановлена панель займає набагато менше місця, ніж горизонтальна або нахилена панель. Існує два варіанти - класична орієнтація на північ - південь та альтернатива схід - захід.

Щоб краще відповідати попиту на місці з профілями генерації ПВ протягом дня, існує тенденція використовувати орієнтацію панелі схід-захід, де половина панелей нахилена на схід, щоб створити пік генерації вранці, а решта половина нахилена на захід до дозволяють отримати пік іншого покоління в другій половині дня (див. рис. 7). Цей подвійний пік профіль може краще відповідати використанню електроенергії на місці, особливо для житлових та комерційних установок.

Рис. 7: Щоденна схема випромінювання на модулях ПЧ Схід-Захід [5].

Цей нетрадиційний підхід може піти на крок далі, якщо використовуються двофазні модулі, спрямовані на схід-захід, вертикально встановлені, що більше ніж удвічі зменшить кількість модулів, необхідних для еквівалентної установки. Ця конфігурація знову призведе до піків двох поколінь, але також виграє додатковий дифузне світло, що надходить у модуль. Панелі BF дозволяють встановити вертикальну орієнтацію схід-захід з можливістю забезпечити вищу енергію, ніж однофазні панелі.

У орієнтації північ на південь передня панель отримує пряме і дифузне випромінювання, а задня панель отримує дифузне випромінювання. У орієнтації схід-захід з протилежними сторонами, що виходять на схід і захід, обидві сторони отримують пряме і відбите випромінювання в різний час доби (див. Рис. 7). На першому майданчику спосіб кріплення здається неефективним, оскільки в полудень сонце знаходиться під прямим кутом до панелей і виходу не повинно бути. Значний вихід обумовлений тим, що і передня, і задня поверхні отримують максимальну кількість дифузного та відбитого випромінювання.

Випромінювання, отримане модулем, буде значною мірою залежати від відбивної здатності (альбедо) довколишніх предметів і землі. Це особливо важливо для вертикальних модулів близько полудня влітку, коли сонячне пряме проміння є найбільш інтенсивним, але коли кут сонця означає, що сонячне світло прямих променів, отримане модулями, порівняно невелике. Вертикальна двофазна панель зменшує накопичення пилу та снігу та забезпечує дві пікові потужності протягом дня, при цьому другий пік вирівнюється до пікової потреби в електроенергії (див. Рис. 8).

Рис. 8: Порівняння між варіантами кріплення [5].

Однією з причин більшого виробництва енергії є те, що температура модуля схід-захід нижче за час максимального опромінення, порівняно з модулем, орієнтованим на південь. У багатьох мережах з високим проникненням сонячної енергії надлишок енергії у найвищий час полуденного виробництва і дефіцит у період піку. Зсув вершин за допомогою вертикальної орієнтації на схід-захід для нового ПВ дає більш рівну криву виробництва енергії (див. Рис. 9).

Майбутні перспективи

Хоча існує декілька проектів, що використовують модулі BF, на сьогодні відсоток модулів BF на ринку дуже малий, але, як очікується, в майбутньому значно збільшиться, оскільки все більше продукції вийде на ринок і зробиться більше встановлення. Очікується, що можливе поліпшення виробництва до 30% буде набагато привабливішим, ніж підвищення ефективності на кілька відсоткових пунктів, що може бути досягнуто при розвитку технології.

Рис. 9: Очікуване зростання використання BF-клітин [1].

Список літератури

[1] T Dullweber та ін: "Двофазні сонячні батареї PERC +: стан промислового впровадження та перспективи в майбутньому",     семінар bifiPV2017, Констанц, жовтень 2017 року.
[2] W Herman: "Характеристики продуктивності двофазних фотомодулів та маркування живлення" , семінар bifiPV2017, Констанц, жовтень 2017 року.
[3] D Brearly: “Двофазні PV-системи”, журнал Solarpro, випуск 10.2, березень / квітень 17
[4] Сонячний світ: " Як досягти максимальної віддачі енергії двофазними технологіями", Біла книга SW9001US 160729
[5] EPRI: “Двофазні сонячні модулі PV”, www.epri.com