Des del: 9 de maig de 2018, publicat a Articles: Energize, de Mike Rycroft, EE Publishers
La radiació reflectida i difusa al revers dels mòduls solars pot augmentar la potència de sortida dels mòduls solars sense millorar la eficiència.
Històricament, les cèl·lules solars bifacials (BF) estaven dirigides a la construcció d’aplicacions fotovoltaiques integrades o en zones on gran part de l’energia solar disponible és la llum solar difusa que ha rebotat al terra i als objectes circumdants, és a dir, a latituds extremes i a regions nevades. No obstant això, la combinació d’eficiències màximes del planell de cèl·lules solars estàndard impreses i una reducció significativa del cost del vidre solar en els darrers anys, fent viable l’ús de l’envasament de doble vidre (DG) ha permès que els mòduls solars bifacials tornessin a la llum [2]. .
L’objectiu de la tecnologia BF no és augmentar l’eficiència del mòdul o panell solar, sinó captar més energia solar per mòdul. Es projecten guanys de fins al 30%, depenent de factors com la reflectivitat de la superfície del sòl, l’altura sobre el terra, l’angle d’inclinació i diversos altres. La radiació rebuda pel mòdul consta de diversos components:
1. Radiació directa del sol.
2. Radiació difusa indirecta causada per partícules d'aire, núvols i altres.
3. Radiació reflectida de superfícies properes al mòdul solar.
La radiació reflectida generalment no es té en compte als càlculs d’energia solar. Les mesures de radiació difusa es refereixen a fonts de radiació per sobre del pla horitzontal. El mètode habitual de mesurar la radiació solar utilitza un piranòmetre muntat horitzontalment i només mesura la radiació per sobre del pla horitzontal. Fins i tot en una configuració inclinada, el piranòmetre no mesurarà la radiació per sota del pla de mesura (vegeu la figura 1).
Fig. 1: Mesura de la radiació solar amb un piranòmetre.
La radiació difusa pot aportar una quantitat substancial de la radiació total, però gran part d’aquest no es capturarà en un mòdul inclinat o inclinat. La inclinació del mòdul augmenta la intensitat de la radiació directa però bloqueja una gran part de la radiació indirecta. La radiació difusa és de naturalesa isoptròpica, és a dir, té el mateix valor independentment de la font mentre que la radiació reflectida dependrà de la naturalesa de la superfície que envolta la matriu solar, l'angle de la matriu i altres factors. El panell frontal rebrà la radiació directa i difusa, la proporció en funció de l’angle d’inclinació del panell.
La part posterior del mòdul rebrà llum de dues fonts:
· Dispersió a prop del camp: reflectida radiació directa i difusa.
· Radiació difusa: radiació no reflectida directament de fonts difuses.
Les diferents superfícies reflecteixen la llum a diferents velocitats i les propietats reflexives es descriuen pel factor albedo. L’albedo descriu la reflectivitat d’una superfície no lluminosa: està determinada per la relació entre la llum reflectida per la superfície i la radiació incidental. Vegeu la Taula 1 per a alguns valors d'albedo mesurats [2]
Taula 1: Valors d'Albedo per a diverses superfícies [4]. | |
Tipus de superfície | Albedo |
Camp verd (herba) | 10 - 25% |
Formigó | 20 - 40% |
Formigó blanc pintat | 60 - 80% |
Grava blanca | 27% |
Material de sostre blanc | 56% |
Membrana de coberta grisa | 62% |
Membrana de teulada blanca | 80% |
Sorra | 20 - 40% |
Sorra blanca | 60% |
Neu | 45 - 95% |
Aigua | 8% |
La relació de llum difusa amb llum directa variarà segons les condicions. Sota una radiació baixa a causa del núvol, el percentatge de llum difusa serà superior a les condicions assolellades i, per tant, el guany en comparació amb el fotovoltaic monofacial pot ser superior a les condicions assolellades [5].
Construcció de mòduls BF
Construcció de cèl·lules
Les cèl·lules fotovoltaiques monofacials normalment es construeixen amb una capa reflectant a la cara posterior de la cèl·lula per permetre una millor absorció de la llum que cau a la superfície frontal. Els fotons que no s’absorbeixen a la capa frontal poden absorbir-se en el viatge de tornada, de manera que augmenten l’eficiència de la cèl·lula. Això significa que els fotons que viatgen en sentit oposat a la normalitat poden generar electricitat i si els fotons que cauen a la cara posterior poden entrar a la cèl·lula, es poden utilitzar eficaçment per generar electricitat. Això s'aconsegueix eliminant parcialment la capa reflectant, que també actua com a conductor (vegeu la figura 2).
Fig. 2: llum reflectida a la part posterior del panell [3].
La reducció de la capa conductora a la part posterior de la cel·la augmenta la resistència i calen més conductors a la part posterior de la cèl·lula que a la part davantera per compensar-ho. Això redueix l’àrea de la part posterior de la cèl·lula a la radiació.
La construcció dels diferents tipus de cel·les fotovoltaiques és més complexa que la que es mostra i la conversió no és tan senzilla. Hi ha altres passos necessaris per fer una cel·la BF que funcioni eficientment. Han sorgit diversos dissenys que utilitzen el principi BF. La majoria implica modificació de cèl·lules existents, però hi ha diverses que s'han dissenyat específicament com a cèl·lules BF.
Al mercat es fan servir dos tipus de construcció de cèl·lules bifacials: l'heterojuntiu i la cèl·lula posterior de l'emissor passivat (PERC). Les cèl·lules heterojuntives usen silici monocristal·lí mentre que la cèl·lula PERC està disponible en versions de silici mono i policristal. Les cèl·lules bifacials són més complexes de fabricar i això augmenta el cost del mòdul.
L'eficiència de la il·luminació posterior és inferior a la il·luminació frontal, tal com es mostra a la Taula 2. Això es deu en gran part a l'augment de la superfície ocupada pels conductors a la part posterior de la cèl·lula en comparació amb el frontal.
Taula 2: Eficiències anteriors i posteriors de diversos mòduls solars BF [1]. | ||
Producte | Eficiència frontal% | Eficiència posterior% |
ISFH | 21,5 | 16,7 |
Jinko solar | 20,7 | 13,9 |
Longi solar | 21,6 | 17,3 |
Gran energia solar | 20,7 | 13,9 |
Construcció de mòduls
Els panells monofacials de silici cristal·lí (MF) solen quedar tancats en un encapsulant opac a la part posterior, però aquest mètode no es pot utilitzar amb sistemes BF. El mòdul ha de tenir superfícies transparents posterior i posterior que proporcionin resistència mecànica. A més, les cèl·lules han d’estar tancades en una capa de material protector. La configuració més comuna adoptada és una doble capa de vidre fotovoltaic que envolta les cèl·lules que es troben encapsulades en un material de polímer protector.
Es necessita un material de fulla de darrere transparent resistent als raigs UV o una capa addicional de vidre solar per permetre que la llum brilli a la part posterior d’una cèl·lula bifacial. En la majoria dels casos, com es mostra a la figura 4, els fabricants opten per un paquet de vidre en vidre que, en general, millora la durabilitat del camp en comparació amb les opcions de vidre en film. El paquet de vidre sobre vidre és més rígid, cosa que redueix les tensions mecàniques a les cèl·lules durant el transport, manipulació i instal·lació, així com l'estrès a causa de condicions ambientals com el vent o la neu. La configuració també és menys permeable a l’aigua, la qual cosa pot reduir les taxes de degradació anuals. Els mòduls bifacials són sense marc. L’eliminació del marc d’alumini redueix de manera efectiva les oportunitats de degradació induïda pel potencial (PID) [3].
Fig. 3: La diferència entre les cèl·lules fotovoltaiques monofacials i bidimensionals.
El muntatge de vidre doble (DG) té diversos avantatges:
· Reducció de microcrocs, delaminació i corrosió de la humitat.
· Baixa temperatura de la cel·la.
· No hi ha degradació induïda pel potencial, ja que no hi ha cap marc de metall que requereixi la posada a terra.
· Baixa taxa de degradació.
· Major qualificació antideflagrant.
· Major resistència mecànica i menys flexió.
Productes de mercat
La taula 3 mostra alguns dels sistemes BF disponibles actualment al mercat, amb les seves característiques.
Taula 3: Característiques del mòdul fotovoltaic BF . | ||||
Producte | Escriviu | Valoració (Wp) | Eficiència a zero guany de BF (%) | Eficiència en un 30% de guany de BF (%) |
Jinko solar Eagle Dual 72 | Policristal·lina | 315 | 16,13 | 20.969 |
Canadian Solar BiKu | Policristal·lina | 350 | 17,54 | 22,8 |
JA solar JAN60D00 | Monocristal | 290 | 17,3 | 22,49 |
Trina solar Duomax | Monocristal | 285 | 17,2 | 22,36 |
Yingli Panda 144HCF | Monocristal | 360 | 17,6 | 22,88 |
Paràmetres de rendiment
A la indústria s’utilitzen diversos paràmetres per descriure les característiques dels mòduls solars BF.
Factor de bifacialitat
Aquesta és la relació entre les eficiències de la part posterior i la del frontal, o la relació entre la part frontal i la posterior de la potència mesurada en condicions de prova estàndard.
Guany bifacial
Es tracta d’un poder addicional obtingut des de la part posterior del mòdul en comparació amb l’alimentació de la part frontal del mòdul en condicions de prova estàndard. El guany bifacial depèn del muntatge (estructura, alçada, angle d'inclinació i altres) i l'albedo de la superfície del sòl.
Fig. 4: Construcció d'un mòdul BF de doble vidre.
Guany bifacial = ( 𝑌𝐵𝑖 - 𝑌 ) / 𝑌𝑀𝑜
on:
YB i = La potència del mòdul BF.
YM o = La potència d'un mòdul MF en les mateixes condicions.
Albedo
Aquesta és la relació entre la llum reflectida d'una superfície i la llum incident i varia amb diferents tipus de superfícies.
Fig. 5: Efecte de l'altura en guany de BF. Albedo al 80%, graó de fila de 2,5 m [4].
Relació de cobertura terrestre
Aquesta és la relació de la superfície de terra coberta pels mòduls fotovoltaics a la superfície total de sòl ocupada per la instal·lació. Aquesta relació té un efecte sobre la llum reflectida i pot influir en el rendiment del panell BF.
Muntatge òptim de mòduls BF
Atès que els mòduls bifacials absorbeixen la radiació solar des dels dos costats, permeten una varietat d’opcions d’inclinació i instal·lació i són ideals per a instal·lacions en terrenys elevats, terrats, desertos i nevats o aplicacions en aigua. Els sistemes de muntatge dissenyats per optimitzar la dispersió i la reflexió de les teulades i les instal·lacions de muntatge a terra eleven l'estructura sobre el sòl o el sostre per capturar més llum dispersa o reflectida.
Estructura alçada i espaiat
L’augment de l’estructura per sobre del terra augmenta la quantitat de radiació que arriba a la part posterior del panell i, per tant, millora el rendiment i el guany bifacial. L’augment de l’espai entre files també millora el guany bifacial (vegeu la figura 6).
Fig. 6: Radiació en el panell BF muntat verticalment (Sanyo).
L’augment de guany sembla aplanar a una alçada d’uns 1 m. L’augment de l’altura de l’estructura té un efecte molt pronunciat sobre les matrius de muntatge al sostre, especialment quan hi hagi cobertes planes. El perill d’una major càrrega del vent pot ser un problema. Diversos fabricants d’estructures de muntatge han produït estructures elevades tant per a instal·lacions de terra com de sostre.
Els beneficis obtinguts amb l’augment de l’altura es poden aprofitar en estructures obertes, com ara estacionaments i naus d’emmagatzematge a l’aire lliure, així com àrees d’entreteniment i hospitalitat. L’encapsulant transparent permet filtrar una mica de llum a través del mòdul.
Panells BF orientats verticalment
Una de les aplicacions més interessants per sortir de la matriu BF és la possibilitat d’una matriu muntada verticalment. Els panells BF muntats verticalment s'han utilitzat amb eficàcia en el passat com a barreres de so i llum a les carreteres. Un panell muntat verticalment ocupa molt menys espai que un panell horitzontal o inclinat. Hi ha dues opcions, orientació clàssica nord-sud i alternativa orientació est-oest.
Per adaptar millor la demanda en el lloc amb els perfils de generació fotovoltaica al llarg del dia, hi ha una tendència a utilitzar una orientació panoràmica est-oest, on la meitat dels panells estan inclinats cap a l'est per crear un pic de generació al matí i la meitat restant està inclinada cap a l'oest per permetre un pic de generació a la tarda (vegeu la figura 7). Aquest perfil de doble punta pot adaptar-se millor al consum elèctric en el lloc, especialment per a instal·lacions residencials i comercials.
Fig. 7: Patró de radiació diària als mòduls BF a l'est-oest [5].
Aquest enfocament no convencional pot anar més enllà si s’utilitzen mòduls bifacials orientats cap a l’est i cap a l’altura vertical, la qual cosa reduiria més de la meitat el nombre de mòduls necessaris per a una instal·lació equivalent. Aquesta configuració tornaria a produir dos pics de generació, però també es beneficiaria de la llum difusa addicional que entrava al mòdul. Els panells BF permeten una orientació vertical-oest muntada verticalment amb potencial per proporcionar una major producció d'energia que els panells monofacials.
A l’orientació nord-sud, el panell frontal rep la radiació directa i difusa i la part posterior del panell rep la radiació difusa. A l’orientació est-oest amb costats oposats orientats cap a l’est i l’oest, els dos costats reben una radiació directa i reflectida en diferents moments del dia (vegeu la figura 7). En el primer lloc, el mètode de muntatge sembla ineficient, ja que al migdia, el sol es troba en angle recte amb els panells i no hauria de tenir cap sortida. La producció significativa es deu al fet que les superfícies frontals i posteriors reben la quantitat màxima de radiació difusa i reflectida.
La radiació rebuda per un mòdul dependrà en gran mesura de la reflectivitat (albedo) dels objectes propers i del sòl. Això és especialment important per als mòduls verticals al voltant del migdia a l’estiu, quan el sol directe del feix és més intens, però quan l’angle del sol fa que el sol directe del feix rebut pels mòduls sigui relativament petit. Un panell bifacial vertical redueix l'acumulació de pols i neu i proporciona dos pics de sortida durant el dia, mentre que el segon punt s'alinea a la demanda elèctrica màxima (vegeu la figura 8).
Fig. 8: Comparació entre les opcions de muntatge [5].
Una de les raons per a una major producció d’energia és que la temperatura del mòdul est-oest és menor durant el temps de màxima irradiància, en comparació amb el mòdul orientat al sud. Moltes xarxes amb altes penetracions de solars tenen excedents d’energia durant els màxims temps de producció del migdia i una escassetat durant el període de baixa. Si canvieu els pics mitjançant l’orientació vertical-oest de muntatge vertical, es produeix una corba de producció d’energia més uniforme (vegeu la figura 9).
Perspectives de futur
Tot i que hi ha diversos projectes que utilitzen mòduls BF, el percentatge de mòduls BF en el mercat és molt reduït en aquests moments, però s'espera que augmenti significativament en el futur, a mesura que hi arribin més productes i es fan més instal·lacions. Es preveu que la possible millora de fins al 30% de la producció serà molt més atractiva que els pocs punts percentuals d’eficiència que es podrien aconseguir amb el desenvolupament de la tecnologia.
Fig. 9: Creixement esperat en l'ús de cèl·lules BF [1].
Referències
[1] T Dullweber, et al: "Bifacial PERC + cel·les solars: estat de la implementació industrial i perspectives de futur", Taller bifiPV2017, Constanza, octubre de 2017.
[2] W Herman: "Característiques del rendiment dels mòduls fotovoltaics bifacials i etiquetatge de potència" , taller bifiPV2017, Constanza, octubre de 2017.
[3] D Brearly: "Sistemes fotovoltaics bifacials", revista Solarpro número 10.2, mar / abr17
[4] Solarworld: " Com maximitzar el rendiment energètic amb tecnologia bifacial", Llibre blanc SW9001US 160729
[5] EPRI: "Mòduls fotovoltaics bifacials", www.epri.com
