Διμερείς ηλιακοί συλλέκτες δίνουν αυξημένο δυναμικό εξόδου

Από: 9 Μαΐου 2018, Δημοσιεύθηκε στα άρθρα: Energize, από τον Mike Rycroft, Εκδότες της EE

Η αντανάκλαση και η διάχυτη ακτινοβολία στην πίσω όψη των φωτοβολταϊκών μονάδων μπορεί να αυξήσει την ισχύ εξόδου των ηλιακών μονάδων χωρίς σημαντικές βελτιώσεις στην απόδοση.

Ιστορικά, τα διφασικά ηλιακά κύτταρα (BF) στοχεύουν στην οικοδόμηση ολοκληρωμένων φωτοβολταϊκών εφαρμογών ή σε περιοχές όπου μεγάλο μέρος της διαθέσιμης ηλιακής ενέργειας είναι η διάχυτη ηλιακή ακτινοβολία που έχει αναπηδήσει από το έδαφος και τα γύρω αντικείμενα, δηλαδή ακραία γεωγραφικά πλάτη και χιονισμένες περιοχές. Εντούτοις, ο συνδυασμός των κορυφαίων αποδοτικών μεγεθών από τα τυποποιημένα ηλιακά κύτταρα που εκτυπώνονται με οθόνη και οι σημαντικές μειώσεις στο κόστος του ηλιακού γυαλιού τα τελευταία χρόνια, καθιστώντας τη χρήση διπλής υάλου (DG) εγκιβωτισμό βιώσιμη, ώθησε τις δύο ηλιακές μονάδες πίσω στο προσκήνιο [2] .

Ο στόχος της τεχνολογίας BF δεν είναι να αυξήσει την απόδοση της ηλιακής μονάδας ή του πίνακα, αλλά να συλλάβει περισσότερη ηλιακή ενέργεια ανά μονάδα. Προβλέπονται κέρδη έως και 30%, ανάλογα με παράγοντες όπως η ανακλαστικότητα της επιφάνειας του εδάφους, το ύψος από το έδαφος, η γωνία κλίσης και πολλά άλλα. Η ακτινοβολία που λαμβάνεται από την ενότητα αποτελείται από διάφορα στοιχεία:

1. Απευθείας ακτινοβολία από τον ήλιο.

2. Έμμεση διάχυτη ακτινοβολία που προκαλείται από σωματίδια αέρα, σύννεφα και άλλα.

3. Αντικατοπτρίζεται ακτινοβολία από επιφάνειες κοντά στην ηλιακή μονάδα.

Η ανακλασμένη ακτινοβολία γενικά δεν λαμβάνεται υπόψη στους υπολογισμούς της ηλιακής ενέργειας. Οι μετρήσεις διάχυτης ακτινοβολίας αναφέρονται σε πηγές ακτινοβολίας πάνω από το οριζόντιο επίπεδο. Η συνήθης μέθοδος μέτρησης της ηλιακής ακτινοβολίας χρησιμοποιεί ένα πυρανόμετρο το οποίο είναι τοποθετημένο οριζόντια και μετρά μόνο την ακτινοβολία πάνω από το οριζόντιο επίπεδο. Ακόμη και σε κεκλιμένη διαμόρφωση, το πυραρόμετρο δεν θα μετρήσει την ακτινοβολία κάτω από το επίπεδο μέτρησης (βλέπε σχήμα 1).

Εικόνα 1: Μέτρηση της ηλιακής ακτινοβολίας με πυρανόμετρο.

Η διάχυτη ακτινοβολία μπορεί να συμβάλλει σε μια σημαντική ποσότητα της συνολικής ακτινοβολίας, αλλά μεγάλο μέρος αυτού δεν θα συλληφθεί σε μια κεκλιμένη ή οριζόντια συναρμολογημένη μονάδα. Η κλίση της μονάδας αυξάνει την ένταση της άμεσης ακτινοβολίας, αλλά αποκλείει ένα μεγάλο μέρος της έμμεσης ακτινοβολίας. Η διάχυτη ακτινοβολία είναι ισοπτροπική στη φύση, δηλαδή έχει την ίδια αξία ανεξάρτητα από την πηγή, ενώ η ανακλώμενη ακτινοβολία εξαρτάται από τη φύση της επιφάνειας που περιβάλλει τη ηλιακή συστοιχία, τη γωνία της συστοιχίας και άλλους παράγοντες. Ο εμπρόσθιος πίνακας θα λαμβάνει τόσο άμεση όσο και διάχυτη ακτινοβολία, η οποία θα εξαρτάται από τη γωνία κλίσης του πίνακα.

Η πίσω πλευρά της μονάδας θα λαμβάνει φως από δύο πηγές:

·          Κοντινή διασπορά πεδίου: αντανακλά την άμεση και διάχυτη ακτινοβολία.

·          Διάχυτη ακτινοβολία: μη ανακλώμενη ακτινοβολία απευθείας από διάχυτες πηγές.

Οι διαφορετικές επιφάνειες αντανακλούν το φως με διαφορετικούς ρυθμούς και οι ανακλαστικές ιδιότητες περιγράφονται από τον παράγοντα albedo. Το albedo περιγράφει την ανακλαστικότητα μιας μη φωτιζόμενης επιφάνειας - προσδιορίζεται από την αναλογία μεταξύ του φωτός που ανακλάται από την επιφάνεια και της παρεπίπτουσας ακτινοβολίας. Δείτε τον Πίνακα 1 για μερικές τιμές της μέτρησης albedo [2]

Ο λόγος του διάχυτου φωτός προς το άμεσο φως θα ποικίλει ανάλογα με τις συνθήκες. Υπό χαμηλή ακτινοβολία λόγω σύννεφων, το ποσοστό διάχυτου φωτός θα είναι υψηλότερο από ό, τι σε ηλιόλουστες συνθήκες και το κέρδος σε σχέση με το μονοφασικό Φ / Β μπορεί συνεπώς να είναι υψηλότερο από κάτω από τις ηλιόλουστες συνθήκες [5].

Κατασκευή μονάδων BF

Κατασκευή κυττάρων

Τα μονοφασικά φωτοβολταϊκά κύτταρα κατασκευάζονται συνήθως με ένα ανακλαστικό στρώμα στην πίσω όψη της κυψέλης για καλύτερη απορρόφηση του φωτός που πέφτει στην μπροστινή επιφάνεια. Τα φωτόνια που δεν απορροφώνται στο μπροστινό στρώμα μπορούν να απορροφηθούν στο ταξίδι επιστροφής, αυξάνοντας έτσι την απόδοση του κυττάρου. Αυτό σημαίνει ότι τα φωτόνια που κινούνται προς την αντίθετη κατεύθυνση προς το κανονικό μπορούν να παράγουν ηλεκτρισμό και εάν τα φωτόνια που πέφτουν στην πίσω όψη μπορούν να εισαχθούν στην κυψέλη, μπορούν να χρησιμοποιηθούν αποτελεσματικά για την παραγωγή ηλεκτρισμού. Αυτό επιτυγχάνεται με την μερική αφαίρεση του ανακλαστικού στρώματος, το οποίο λειτουργεί επίσης ως αγωγός (βλέπε σχήμα 2).

Εικ. 2: Ανακλασμένο φως στο πίσω μέρος του πίνακα [3].

Η μείωση του αγώγιμου στρώματος στο πίσω μέρος της κυψελίδας αυξάνει την αντίσταση και απαιτούνται περισσότεροι αγωγοί στο πίσω μέρος του κυττάρου από ό, τι στο μέτωπο για να αντισταθμιστεί αυτό. Αυτό μειώνει την περιοχή του πίσω μέρους της κυψέλης που είναι διαθέσιμη στην ακτινοβολία.

Η κατασκευή των διαφορετικών τύπων φωτοβολταϊκών κυττάρων είναι πιο περίπλοκη από αυτή που παρουσιάζεται και η μετατροπή δεν είναι τόσο απλή. Υπάρχουν και άλλα βήματα που απαιτούνται για να γίνει ένα κύτταρο BF που λειτουργεί αποτελεσματικά. Έχουν προκύψει πολλά σχέδια που χρησιμοποιούν την αρχή του BF. Τα περισσότερα αφορούν την τροποποίηση των υπαρχόντων κυττάρων, αλλά υπάρχουν πολλά που έχουν σχεδιαστεί ειδικά ως κύτταρα BF.

Δύο τύποι κατασκευών διμεταλλικών κυψελών είναι κοινές στην αγορά: η ετερόπλευρη και η παλιρροϊκή οπίσθια κυψέλη (PERC). Τα κύτταρα Heterojunction χρησιμοποιούν μονοκρυσταλλικό πυρίτιο ενώ το κύτταρο PERC είναι διαθέσιμο τόσο σε εκδόσεις μονο και πολυκρυσταλλικού πυριτίου. Τα διχρωματικά κύτταρα είναι πιο περίπλοκα στην κατασκευή και αυτό αυξάνει το κόστος της ενότητας.

Η απόδοση του πίσω φωτισμού είναι χαμηλότερη από τον εμπρόσθιο φωτισμό, όπως φαίνεται στον Πίνακα 2. Αυτό οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στην αυξημένη επιφάνεια που καταλαμβάνουν οι αγωγοί στο πίσω μέρος του κυττάρου σε σύγκριση με το μπροστινό μέρος.

Κατασκευή μονάδων

Τα μονοφασικά (MF) φύλλα κρυσταλλικού πυριτίου συνήθως εγκλείονται σε αδιαφανές ενθυλακωτικό στο πίσω μέρος, αλλά αυτή η μέθοδος δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί με συστήματα BF. Το δομοσ Επιπλέον, τα κύτταρα πρέπει να περικλείονται σε ένα στρώμα προστατευτικού υλικού. Η πιο συνηθισμένη διαμόρφωση που υιοθετείται είναι ένα διπλό στρώμα φωτοβολταϊκού γυαλιού που περικλείει τα κύτταρα που είναι ενθυλακωμένα σε προστατευτικό πολυμερές υλικό.

Είτε ένα ανθεκτικό στην υπεριώδη ακτινοβολία διαφανές υλικό κάτω φύλλου ή ένα πρόσθετο στρώμα ηλιακού γυαλιού απαιτείται για να επιτρέψει στο φως να λάμπει στο πίσω μέρος ενός διφορούμενου κυττάρου. Στις περισσότερες περιπτώσεις, όπως φαίνεται στο σχήμα 4, οι κατασκευαστές επιλέγουν ένα πακέτο γυαλιού σε γυαλί που γενικά βελτιώνει την αντοχή του πεδίου σε σύγκριση με τις επιλογές γυαλιού σε φιλμ. Η συσκευασία γυαλιού σε γυαλί είναι πιο άκαμπτη, πράγμα που μειώνει τη μηχανική καταπόνηση των κυψελών κατά τη μεταφορά, το χειρισμό και την τοποθέτηση, καθώς και την πίεση λόγω περιβαλλοντικών συνθηκών όπως ο άνεμος ή το χιόνι. Η διαμόρφωση είναι επίσης λιγότερο διαπερατή στο νερό, γεγονός που μπορεί να μειώσει τους ετήσιους ρυθμούς αποικοδόμησης. Τα δύο τμήματα είναι χωρίς πλαίσιο. Η εξάλειψη του πλαισίου αλουμινίου μειώνει αποτελεσματικά τις δυνατότητες υποβάθμισης που προκαλείται από δυναμικό (PID) [3].

Εικόνα 3: Η διαφορά μεταξύ μονοφραγματικών και αμφίπλευρων Φ / Β κυττάρων.

Η τοποθέτηση διπλής υάλου (DG) έχει πολλά πλεονεκτήματα:

·          Μείωση της μικροσυσσωμάτωσης, της αποκόλλησης και της διάβρωσης της υγρασίας.

·          Χαμηλότερη θερμοκρασία κυψελών.

·          Δεν υπάρχει υποβάθμιση λόγω δυναμικού, καθώς δεν υπάρχει μεταλλικό πλαίσιο που απαιτεί γείωση.

·          Χαμηλότερος ρυθμός υποβάθμισης.

·          Υψηλότερη βαθμολογία.

·          Μεγαλύτερη μηχανική αντοχή και λιγότερη κάμψη.

Προϊόντα της αγοράς

Ο Πίνακας 3 απαριθμεί ορισμένα από τα συστήματα BF που είναι διαθέσιμα στην αγορά αυτή τη στιγμή, με τα χαρακτηριστικά τους.

Παράμετροι απόδοσης

Χρησιμοποιούνται πολλές παράμετροι στη βιομηχανία για να περιγράψουν τα χαρακτηριστικά των ηλιακών μονάδων BF.

Παράγοντας δυαδικότητας

Αυτός είναι ο λόγος μεταξύ της απόδοσης της όπισθεν και της εμπρόσθιας πλευράς ή του λόγου της εμπρόσθιας προς την οπίσθια ισχύς που μετράται υπό τυπικές συνθήκες δοκιμής.

Διαφωτιστικό κέρδος

Αυτή είναι η πρόσθετη ισχύς που αποκτήθηκε από το πίσω μέρος της μονάδας σε σύγκριση με την ισχύ από το μπροστινό μέρος της μονάδας στις τυπικές συνθήκες δοκιμής. Το διχρωματικό κέρδος εξαρτάται από την τοποθέτηση (δομή, ύψος, γωνία κλίσης και άλλα) και το albedo της επιφάνειας του εδάφους.

Εικ. 4: Κατασκευή δομοστοιχείου διπλού γυαλιού BF.

Διμερής κέρδος = ( 𝑌𝐵𝑖 - 𝑌 ) / 𝑌𝑀𝑜

όπου:

YB _i = Η ισχύς της μονάδας BF.

YM _o = Η ισχύς μιας μονάδας MF υπό τις ίδιες συνθήκες.

Αλμπέο

Αυτή είναι η αναλογία του φωτός που ανακλάται από μια επιφάνεια στο προσπίπτον φως και ποικίλλει ανάλογα με τους διαφορετικούς τύπους επιφανείας.

Εικ. 5: Επίδραση του ύψους στο κέρδος BF. Albedo 80%, ύψος σειράς 2,5 m [4].

Ποσοστό κάλυψης εδάφους

Αυτός είναι ο λόγος της επιφάνειας που καλύπτεται από τις φωτοβολταϊκές μονάδες προς τη συνολική επιφάνεια εδάφους που καταλαμβάνει η εγκατάσταση. Αυτή η αναλογία έχει επίδραση στο ανακλώμενο φως και μπορεί να επηρεάσει την απόδοση του πίνακα BF.

Βέλτιστη τοποθέτηση μονάδων BF

Δεδομένου ότι τα δύο τμήματα απορροφούν την ηλιακή ακτινοβολία και από τις δύο πλευρές, επιτρέπουν ποικίλες επιλογές κλίσης και εγκατάστασης και είναι ιδανικές για εγκαταστάσεις υπερυψωμένου εδάφους, στέγης, έρημο και χιονισμένο χώρο ή εφαρμογές σε νερό. Τα συστήματα συναρμολόγησης που έχουν σχεδιαστεί για τη βελτιστοποίηση του οπίσθιου σκέλους και της αντανάκλασης από τις στέγες και τις εγκαταστάσεις επίγειας ανύψωσης ανυψώνουν τη δομή πάνω από το έδαφος ή την οροφή για να συλλαμβάνουν περισσότερο διάσπαρτο ή ανακλώμενο φως.

Ύψος και διαστήματα δομής

Η ανύψωση της δομής πάνω από το έδαφος αυξάνει την ποσότητα ακτινοβολίας που φθάνει στο πίσω μέρος του πίνακα και έτσι βελτιώνει την απόδοση και το διπλό κέρδος. Η αύξηση της απόστασης μεταξύ των σειρών βελτιώνει επίσης το διμερές κέρδος (βλ. Σχήμα 6).

Εικ. 6: Ακτινοβολία σε κάθετα τοποθετημένο πάνελ BF (Sanyo).

Η αύξηση κέρδους φαίνεται να ισοπεδώνει σε ύψος περίπου 1 μ. Η αύξηση του ύψους της δομής έχει πολύ έντονο αποτέλεσμα στις συστοιχίες τοποθέτησης σε στέγες, ειδικά στις περιπτώσεις όπου υπάρχουν επίπεδες στέγες. Ο κίνδυνος αυξημένης φόρτωσης ανέμου μπορεί να είναι ένα πρόβλημα. Αρκετοί κατασκευαστές δομών τοποθέτησης έχουν παράγει ανυψωμένες κατασκευές τόσο για εγκαταστάσεις εδάφους όσο και για στέγες.

Τα κέρδη που επιτυγχάνονται με αυξημένο ύψος μπορούν να χρησιμοποιηθούν καλά σε ανοικτές κατασκευές τύπου υπόστεγο όπως θέσεις στάθμευσης και υπαίθριους αποθηκευτικούς χώρους, καθώς και χώρους ψυχαγωγίας και φιλοξενίας. Το διαφανές υλικό εγκλεισμού επιτρέπει τη διείσδυση κάποιου φωτός μέσω της μονάδας.

Κάθετα προσανατολισμένοι πίνακες BF

Μία από τις πιο ενδιαφέρουσες εφαρμογές που προκύπτουν από τη συστοιχία BF είναι η δυνατότητα μιας κάθετης συναρμολόγησης. Οι κατακόρυφα τοποθετημένοι πίνακες BF έχουν χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά στο παρελθόν ως φραγμοί ήχου και φωτός σε αυτοκινητόδρομους. Ένα κάθετα συναρμολογημένο πάνελ καταλαμβάνει πολύ λιγότερο χώρο από ένα οριζόντιο ή κεκλιμένο πλαίσιο. Υπάρχουν δύο επιλογές, ο κλασικός προσανατολισμός βορρά-νότου και η εναλλακτική λύση ανατολής-δύσης.

Για την καλύτερη αντιστοίχιση της ζήτησης με φωτοβολταϊκά προφίλ γενιάς καθ 'όλη τη διάρκεια της ημέρας, υπάρχει η τάση να χρησιμοποιείται προσανατολισμός ανατολής-δύσης, όπου τα μισά από τα πάνελ είναι κεκλιμένα προς τα ανατολικά για να δημιουργηθεί μια κορυφή γενιάς το πρωί και το υπόλοιπο μισό κλίση προς τα δυτικά επιτρέψτε μια άλλη κορυφή γενιάς το απόγευμα (βλ. Σχήμα 7). Αυτό το προφίλ δύο κορυφών μπορεί καλύτερα να ταιριάζει με την χρήση ηλεκτρικής ενέργειας στην περιοχή, ειδικά για κατοικίες και εμπορικές εγκαταστάσεις.

Εικόνα 7: Καθημερινό πρότυπο ακτινοβολίας σε δομοστοιχεία BF Ανατολής-Δύσης [5].

Αυτή η μη συμβατική προσέγγιση μπορεί να προχωρήσει ένα βήμα μπροστά εάν χρησιμοποιούνται κάθετα ανατολικά-δυτικά αντικείμενα διπλής όψης, τα οποία θα περιόριζαν κατά το ήμισυ τον αριθμό των ενοτήτων που χρειάζονται για μια ισοδύναμη εγκατάσταση. Αυτή η διαμόρφωση θα παρήγαγε πάλι κορυφές δύο γενεών αλλά θα επωφεληθεί επίσης από το πρόσθετο διάχυτο φως που εισέρχεται στη μονάδα. Τα πάνελ BF επιτρέπουν έναν κατακόρυφο προσανατολισμό Ανατολής-Δύσης με δυνατότητα παραγωγής υψηλότερης ενέργειας από τα μονοφασικά πάνελ.

Στον προσανατολισμό βορρά-νότου, ο εμπρόσθιος πίνακας λαμβάνει άμεση και διάχυτη ακτινοβολία και το πίσω μέρος του πλαισίου λαμβάνει διάχυτη ακτινοβολία. Στον προσανατολισμό Ανατολής-Δύσης με αντίθετες πλευρές που βλέπουν ανατολικά και δυτικά, οι δύο πλευρές λαμβάνουν άμεση και ανακλώμενη ακτινοβολία σε διαφορετικές ώρες της ημέρας (βλ. Σχήμα 7). Στην πρώτη θέση, η μέθοδος τοποθέτησης φαίνεται να είναι αναποτελεσματική, καθώς το μεσημέρι, ο ήλιος είναι σε ορθή γωνία με τους πίνακες και δεν πρέπει να υπάρχει έξοδος. Σημαντική απόδοση οφείλεται στο γεγονός ότι τόσο η εμπρόσθια όσο και η οπίσθια επιφάνεια λαμβάνουν τη μέγιστη ποσότητα διάχυτης και ανακλώμενης ακτινοβολίας.

Η ακτινοβολία που λαμβάνεται από ένα δομοστοιχείο θα εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ανακλαστικότητα (albedo) των κοντινών αντικειμένων και του εδάφους. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό για τις κάθετες μονάδες γύρω από το μεσημέρι το καλοκαίρι, όταν η άμεση ηλιοφάνεια είναι πολύ έντονη, αλλά όταν η γωνία του ήλιου σημαίνει ότι η άμεση ηλιοφάνεια από τις μονάδες είναι σχετικά μικρή. Ένα κάθετο διφασικό πάνελ μειώνει τη συσσώρευση σκόνης και χιονιού και παρέχει δύο κορυφές εξόδου κατά τη διάρκεια της ημέρας, ενώ η δεύτερη κορυφή ευθυγραμμίζεται με την αιχμή της ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας (βλέπε σχήμα 8).

Εικ. 8: Σύγκριση μεταξύ των επιλογών τοποθέτησης [5].

Ένας από τους λόγους για μεγαλύτερη παραγωγή ενέργειας είναι ότι η θερμοκρασία της μονάδας ανατολής-δύσης είναι χαμηλότερη κατά τη διάρκεια της μέγιστης ακτινοβολίας, σε σύγκριση με το νότιο προσανατολισμένο δομοστοιχείο. Πολλά δίκτυα με υψηλές διεισδύσεις ηλιακής ενέργειας έχουν πλεόνασμα ενέργειας κατά τη διάρκεια των μεσημβρινών μέγιστων χρόνων παραγωγής και έλλειψης κατά την περίοδο εκτός αιχμής. Η μετατόπιση των κορυφών με τη χρήση κατακόρυφου προσανατολισμού ανατολής-δύσης για νέα φωτοβολταϊκά δίνει μια πιο ομαλή καμπύλη παραγωγής ενέργειας (βλέπε σχήμα 9).

Προοπτικές για το μέλλον

Παρά το γεγονός ότι υπάρχουν αρκετά έργα που χρησιμοποιούν μονάδες BF, το ποσοστό των μονάδων BF στην αγορά είναι πολύ μικρό προς το παρόν, αλλά αναμένεται να αυξηθεί σημαντικά στο μέλλον καθώς θα κυκλοφορήσουν περισσότερα προϊόντα και θα γίνουν περισσότερες εγκαταστάσεις. Η πιθανή βελτίωση έως και 30% της παραγωγής αναμένεται να είναι πολύ πιο ελκυστική από την αύξηση της αποδοτικότητας που θα μπορούσε να επιτευχθεί με την ανάπτυξη της τεχνολογίας.

Εικ. 9: Αναμενόμενη αύξηση της χρήσης κυττάρων BF [1].

βιβλιογραφικές αναφορές

[1] T Dullweber, et al: "Διμερή PERC + ηλιακά κύτταρα: κατάσταση της βιομηχανικής εφαρμογής και μελλοντικές προοπτικές",     bifiPV2017 εργαστήριο, Konstanz, Οκτώβριος 2017.
[2] W Herman: "Χαρακτηριστικά απόδοσης των διμερών φωτοβολταϊκών πλαισίων και σήμανση ισχύος" , εργαστήριο bifiPV2017, Konstanz, Οκτώβριος 2017.
[3] D Brearly: "Διπολικά φωτοβολταϊκά συστήματα", περιοδικό Solarpro Τεύχος 10.2, Μαρ / Απρ '17
[4] Solarworld: " Πώς να μεγιστοποιήσετε την ενεργειακή απόδοση με την τεχνολογία bifacial", Λευκή Βίβλος SW9001US 160729
[5] EPRI: "Διμερείς ηλιακές φωτοβολταϊκές μονάδες", www.epri.com