Bifacial zonnepanelen geven een verhoogd potentieel voor vermogensoutput

- Jun 18, 2019-

Van: 9 mei 2018, Gepubliceerd in Articles: Energize, door Mike Rycroft, EE Publishers


Gereflecteerde en diffuse straling aan de achterkant van zonnemodules kan het vermogen van zonnemodules vergroten zonder grote efficiëntieverbeteringen.

Historisch gezien waren bifaciale (BF) zonnecellen gericht op het bouwen van geïntegreerde PV-toepassingen of in gebieden waar veel van de beschikbare zonne-energie diffuus zonlicht is dat van de grond en omringende objecten terugkaatst, dwz extreme breedtegraden en voor sneeuw gevoelige gebieden. De combinatie van plateauing-piekrendementen van standaard zeefdruk-zonnecellen en significante reducties in de kosten van zonneglas in de afgelopen jaren waardoor het gebruik van inkapseling met dubbel glas (DG) levensvatbaar is, heeft bifaciale zonnemodules terug in de schijnwerpers gebracht [2] .

Het doel van de BF-technologie is niet om de efficiëntie van de zonnemodule of -panel te vergroten, maar om meer zonne-energie per module op te nemen. Winsten tot 30% worden geprojecteerd, afhankelijk van factoren zoals de reflectiviteit van het grondoppervlak, hoogte boven de grond, kantelhoek en verschillende andere. De straling ontvangen door de module bestaat uit verschillende componenten:

1. Directe straling van de zon.

2. Indirecte diffuse straling veroorzaakt door luchtdeeltjes, wolken en andere.

3. Gereflecteerde straling van oppervlakken dichtbij de zonnemodule.

Gereflecteerde straling wordt over het algemeen niet in rekening gebracht bij berekeningen van zonne-energie. Diffuse stralingsmetingen hebben betrekking op stralingsbronnen boven het horizontale vlak. De gebruikelijke methode voor het meten van zonnestraling maakt gebruik van een pyranometer die horizontaal is gemonteerd en meet alleen straling boven het horizontale vlak. Zelfs in een gekantelde configuratie meet de pyranometer geen straling onder het meetvlak (zie figuur 1).

image

Fig. 1: Meting van zonnestraling met een pyranometer.

Diffuse straling kan een aanzienlijke hoeveelheid van de totale straling bijdragen, maar veel hiervan zal niet worden opgevangen in een gekantelde of horizontaal gemonteerde module. Kantelen van de module verhoogt de intensiteit van de directe straling, maar blokkeert een groot deel van de indirecte straling. Diffuse straling is isoptropisch van aard, dat wil zeggen dat het dezelfde waarde heeft, ongeacht de bron, terwijl gereflecteerde straling zal afhangen van de aard van het oppervlak rond de zonnestraling, de hoek van de array en andere factoren. Het voorpaneel ontvangt zowel directe als diffuse straling, de verhouding hangt af van de kantelhoek van het paneel.

De achterzijde van de module ontvangt licht van twee bronnen:

·          Nabije veldverstrooiing: gereflecteerde directe en diffuse straling.

·          Diffuse straling: niet-gereflecteerde straling rechtstreeks uit diffuse bronnen.

Verschillende oppervlakken reflecteren licht met verschillende snelheden en de reflecterende eigenschappen worden beschreven door de albedofactor. Het albedo beschrijft de reflectiviteit van een niet-lichtgevend oppervlak - het wordt bepaald door de verhouding tussen het licht dat wordt weerkaatst door het oppervlak en de incidentele straling. Zie tabel 1 voor enkele waarden van albedo gemeten [2]

Tabel 1: Albedo-waarden voor verschillende oppervlakken [4].

Oppervlaktetype

albedo

Groen veld (gras)

10 - 25%

Beton

20 - 40%

Wit geschilderd beton

60 - 80%

Wit grind

27%

Wit dakbedekkingsmateriaal

56%

Grijze dakbaan

62%

Witte dakbaan

80%

Zand

20 - 40%

Wit zand

60%

Sneeuw

45 - 95%

Water

8%

 

De verhouding van diffuus licht tot direct licht zal variëren met de omstandigheden. Bij lage straling als gevolg van bewolking zal het percentage diffuus licht hoger zijn dan onder zonnige omstandigheden en kan de versterking ten opzichte van monofaciale PV dus hoger zijn dan onder zonnige omstandigheden [5].

Bouw van BF-modules

Celconstructie

Monofaciale PV-cellen worden meestal geconstrueerd met een reflecterende laag op de achterkant van de cel om een betere opname van licht dat op het vooroppervlak valt mogelijk te maken. Fotonen die niet worden geabsorbeerd in de voorlaag, kunnen worden geabsorbeerd tijdens de terugreis, waardoor de efficiëntie van de cel toeneemt. Dit betekent dat fotonen die in de tegenovergestelde richting naar normaal reizen, elektriciteit kunnen opwekken en als fotonen die op de achterkant vallen de cel mogen binnengaan, kunnen ze effectief worden gebruikt om elektriciteit op te wekken. Dit wordt bereikt door de reflecterende laag gedeeltelijk te verwijderen, die ook als geleider werkt (zie figuur 2).

image

Fig. 2: Gereflecteerd licht op de achterkant van het paneel [3].

Reductie van de geleidende laag aan de achterkant van de cel verhoogt de weerstand en meer geleiders zijn nodig aan de achterkant van de cel dan aan de voorkant om dit te compenseren. Dit vermindert het gebied van de achterzijde van de cel dat beschikbaar is voor straling.

De constructie van de verschillende typen PV-cellen is complexer dan weergegeven en de conversie is niet zo eenvoudig. Er zijn andere stappen vereist om een BF-cel te maken die efficiënt werkt. Verschillende ontwerpen zijn naar voren gekomen die het BF-principe gebruiken. De meeste omvatten wijziging van bestaande cellen, maar er zijn er verschillende die specifiek zijn ontworpen als BF-cellen.

Er zijn twee soorten constructies van een tweezijdige cel op de markt: de heterojunctie en de gepassiveerde emitter-achtercel (PERC). Heterojunction-cellen gebruiken monokristallijn silicium, terwijl de PERC-cel beschikbaar is in zowel mono- als polykristallijn siliciumversies. Bifaciale cellen zijn complexer om te fabriceren en dit draagt bij aan de kosten van de module.

Het rendement van de achterverlichting is lager dan de voorverlichting, zoals weergegeven in Tabel 2. Dit komt grotendeels door het grotere gebied dat wordt ingenomen door geleiders aan de achterkant van de cel in vergelijking met de voorkant.

Tabel 2: Efficiënties aan de voor- en achterzijde van verschillende BF-zonnemodules [1].

Artikel

Voorkant efficiëntie%

Achter rendement%

ISFH

21,5

16,7

Jinko solar

20,7

13,9

Longi zonne-energie

21,6

17,3

Grote zonne-energie

20,7

13,9


Module constructie

Monofaciale (MF) kristallijn siliciumpanelen zijn meestal ingekapseld in ondoorzichtig inkapselend materiaal aan de achterkant, maar deze methode kan niet worden gebruikt met BF-systemen. De module moet transparante voor- en achterkant hebben die mechanische sterkte bieden. Bovendien moeten de cellen worden ingesloten in een laag beschermend materiaal. De meest gebruikte configuratie is een dubbele laag fotovoltaïsch glas die de cellen omhult en die zijn ingekapseld in een beschermend polymeermateriaal.

Een UV-bestendig transparant achtervelmateriaal of een extra laag zonneglas is vereist om licht aan de achterkant van een tweezijdige cel te laten schijnen. In de meeste gevallen, zoals getoond in Fig. 4, kiezen fabrikanten voor een glas-op-glas-verpakking die over het algemeen de veldduurzaamheid verbetert in vergelijking met glas-op-film-opties. Het glas-op-glas pakket is stijver, wat mechanische stress op cellen tijdens transport, hanteren en installatie vermindert, evenals stress door omgevingsomstandigheden zoals wind of sneeuw. De configuratie is ook minder waterdoorlatend, wat de jaarlijkse afbraaksnelheden kan verminderen. Bifacial-modules zijn frameloos. Het elimineren van het aluminium frame vermindert effectief kansen voor potentieel-geïnduceerde degradatie (PID) [3].

image

Fig. 3: Het verschil tussen mono-faciale en bi-faciale PV-cellen.

Dubbele glas (DG) montage heeft een aantal voordelen:

·          Vermindering van microscheurtjes, delaminatie en vochtcorrosie.

·          Lagere celtemperatuur.

·          Geen potentieel-geïnduceerde degradatie omdat er geen metalen frame is dat aarding vereist.

·          Lagere afbraaksnelheid.

·          Hogere drukvaste beoordeling.

·          Hogere mechanische sterkte en minder buiging.


Marktproducten

Tabel 3 somt enkele BF-systemen op die momenteel op de markt zijn, met hun kenmerken.

Tabel 3: BF-kenmerken van de zonnepaneelmodule .

Artikel

Type

Beoordeling (Wp)

Efficiëntie bij nul BF-winst (%)

Efficiëntie bij 30% BF-winst (%)

Jinko solar Eagle Dual 72

polykristallijne

315

16,13

20.969

Canadese Solar BiKu

polykristallijne

350

17,54

22,8

JA solar JAN60D00

monokristallijne

290

17,3

22,49

Trina solar Duomax

monokristallijne

285

17,2

22,36

Yingli Panda 144HCF

monokristallijne

360

17,6

22,88


Peformance-parameters

Verschillende parameters worden in de industrie gebruikt om de karakteristieken van BF-zonnemodules te beschrijven.

Bifacialiteitsfactor

Dit is de verhouding tussen de efficiëntie van de achterkant en de voorzijde, of de verhouding van het vermogen van de voorkant tot de achterkant gemeten onder standaard testomstandigheden.

Bifaciale winst

Dit is extra vermogen verkregen van de achterkant van de module in vergelijking met het vermogen van de voorkant van de module bij standaard testomstandigheden. De bifaciale versterking hangt af van de montage (structuur, hoogte, kantelhoek en andere) en het albedo van het grondoppervlak.

image

Fig. 4: Constructie van een BF-module met dubbel glas.


Bifaciale winst = ( 𝑌𝐵𝑖 - 𝑌 ) / 𝑌𝑀𝑜

waar:

YB i = Het vermogen van de BF-module.

YM o = Het vermogen van een MF-module onder dezelfde omstandigheden.

albedo

Dit is de verhouding van licht gereflecteerd van een oppervlak naar het invallende licht en varieert met verschillende oppervlaktetypes.

image

Fig. 5: Effect van hoogte op BF-versterking. Albedo 80%, rijhoogte 2,5 m [4].

Bodemdekkingsratio

Dit is de verhouding tussen het grondoppervlak van de PV-modules en het totale grondoppervlak van de installatie. Deze verhouding heeft invloed op het gereflecteerde licht en kan de prestaties van het BF-paneel beïnvloeden.

Optimale montage van BF-modules

Omdat bifaciale modules zonnestraling van beide kanten absorberen, kunnen ze verschillende kantel- en installatieopties bieden en zijn ze ideaal voor installaties op de grond, op het dak, in de woestijn of in besneeuwde gebieden of op het water. Montagesystemen ontworpen om de terugverstrooiing en reflectie van daken en grondmontage-installaties te optimaliseren, verhogen de structuur boven de grond of het dak om meer verstrooid of gereflecteerd licht te vangen.

Structuurhoogte en -afstand

Het verhogen van de structuur boven de grond verhoogt de hoeveelheid straling die de achterkant van het paneel bereikt en verbetert zo de prestaties en de bifaciale versterking. Het vergroten van de afstand tussen rijen verbetert ook de bifaciale versterking (zie figuur 6).

image

Fig. 6: Straling op verticaal gemonteerd BF-paneel (Sanyo).

De toename van de versterking lijkt af te vlakken op een hoogte van ongeveer 1 meter. Het verhogen van de hoogte van de constructie heeft een zeer uitgesproken effect op dakmontage-arrays, vooral bij platte daken. Het gevaar van verhoogde windbelasting kan een probleem zijn. Verschillende fabrikanten van montagestructuren hebben verhoogde structuren voor zowel grond- als dakinstallaties geproduceerd.

De winsten verkregen met grotere hoogte kunnen goed worden gebruikt in open stalachtige structuren zoals parkeerterreinen en open lucht opslagruimten, evenals entertainment- en gastvrijheidsgebieden. De transparante inkapseling laat wat licht door de module filteren.

Verticaal georiënteerde BF-panelen

Een van de meest interessante toepassingen om uit de BF-array te komen, is de mogelijkheid van een verticaal gemonteerde array. Verticaal gemonteerde BF-panelen zijn in het verleden effectief gebruikt als geluids- en lichtbarrieres op snelwegen. Een verticaal gemonteerd paneel neemt veel minder ruimte in dan een horizontaal of gekanteld paneel. Er zijn twee opties, de klassieke noord-zuid oriëntatie en de alternatieve oost-west oriëntatie.

Om de vraag op locatie gedurende de dag te matchen met PV-generatieprofielen, is er een tendens om een oost-west paneeloriëntatie te gebruiken, waarbij de helft van de panelen naar het oosten is gekanteld om een generatiekracht te creëren in de ochtend en de resterende helft naar het westen is gekanteld. rekening houden met een piek van een andere generatie in de middag (zie Fig. 7). Dit dubbelpiekprofiel kan het elektriciteitsverbruik ter plaatse beter afstemmen, met name voor residentiële en commerciële installaties.

image

Fig. 7: Dagelijks stralingspatroon op oost-west BF-modules [5].

Deze onconventionele benadering kan een stap verder gaan als verticaal gemonteerde oost-west gerichte bifaciale modules worden gebruikt, wat het aantal modules dat nodig is voor een equivalente installatie meer dan zou halveren. Deze configuratie zou opnieuw twee generatiepieken produceren maar zou ook voordeel hebben van het extra diffuse licht dat de module binnenkomt. BF-panelen maken een verticaal gemonteerde oost-west oriëntatie mogelijk met een hogere energieproductie dan monofaciale panelen.

In de noord-zuid oriëntatie ontvangt het voorpaneel directe en diffuse straling en de achterzijde van het paneel ontvangt diffuse straling. In de oost-west oriëntatie met tegenovergestelde zijden op het oosten en het westen, ontvangen beide zijden directe en gereflecteerde straling op verschillende tijdstippen van de dag (zie figuur 7). Op de eerste plaats lijkt de montagemethode inefficiënt, omdat de zon op het middaguur haaks op de panelen staat en er geen output zou kunnen zijn. Aanzienlijke output is te wijten aan het feit dat zowel de voor- als de achteroppervlakte de maximale hoeveelheid diffuse en gereflecteerde straling ontvangen.

De straling ontvangen door een module zal in grote mate afhangen van de reflectiviteit (albedo) van nabije objecten en de grond. Dit is met name van belang voor verticale modules rond de middag in de zomer, wanneer de directe zonnestraling het meest intens is, maar wanneer de zonnelijn betekent dat de directe zonnestraling die de modules ontvangen relatief klein is. Een verticaal dubbelzijdig paneel vermindert de ophoping van stof en sneeuw en biedt gedurende de dag twee outputpieken, waarbij de tweede piek is uitgelijnd met de piekelektriciteitsbehoefte (zie afbeelding 8).

image

Fig. 8: Vergelijking tussen bevestigingsopties [5].

Een van de redenen voor een grotere energieproductie is dat de temperatuur van de oost-westmodule lager is tijdens de maximale bestralingsduur in vergelijking met de zuidgerichte module. Veel netwerken met hoge penetraties van zonne-energie hebben een overschot aan energie tijdens de middagpiekproductietijden en een tekort tijdens de daluren. Het verschuiven van de pieken door verticale oost-west oriëntatie voor nieuwe PV te gebruiken, geeft een gelijkmatiger energieproductiecurve (zie Fig. 9).


Toekomstperspectieven

Hoewel er verschillende projecten zijn met behulp van BF-modules, is het percentage BF-modules in de markt op dit moment erg klein, maar wordt verwacht dat dit in de toekomst aanzienlijk zal toenemen naarmate meer producten op de markt komen en er meer installaties worden uitgevoerd. De mogelijke verbetering tot 30% van de productie zal naar verwachting veel aantrekkelijker zijn dan de paar procentpunten hogere efficiëntie die kan worden behaald met technologische ontwikkeling.

image

Fig. 9: Verwachte groei van het BF-celgebruik [1].


Referenties

[1] T Dullweber, et al: "Bifacial PERC + zonnecellen: status van industriële implementatie en toekomstperspectieven",     bifiPV2017 workshop, Konstanz, oktober 2017.
[2] W Herman: "Prestatiekenmerken van bifaciale PV-modules en voedingsetiketten" , bifiPV2017 workshop, Konstanz, oktober 2017.
[3] D Brearly: "Bifacial PV Systems", tijdschrift Solarpro Nummer 10.2, maart / april '17
[4] Solarworld: " Hoe de energieopbrengst te maximaliseren met tweezijdige technologie", White paper SW9001US 160729
[5] EPRI: "Bifacial solar PV-modules", www.epri.com