แผงโซลาร์สองชั้นให้ศักยภาพการส่งออกพลังงานที่เพิ่มขึ้น

จาก: 9 พฤษภาคม 2018 ตีพิมพ์ในบทความ: พลังโดย Mike Rycroft สำนักพิมพ์ EE

รังสีสะท้อนและการกระจายที่ด้านหลังของแผงเซลล์แสงอาทิตย์สามารถเพิ่มกำลังไฟฟ้าของแผงเซลล์แสงอาทิตย์โดยไม่ต้องปรับปรุงประสิทธิภาพที่สำคัญ

ในอดีตเซลล์แสงอาทิตย์ bifacial (BF) มีเป้าหมายในการสร้างแอพพลิเคชั่น PV ในตัวหรือในพื้นที่ที่พลังงานแสงอาทิตย์ที่มีอยู่ส่วนใหญ่กระจายแสงอาทิตย์ซึ่งสะท้อนจากพื้นดินและวัตถุโดยรอบเช่นละติจูดที่สูงและพื้นที่ที่มีหิมะตก อย่างไรก็ตามการรวมกันของ plateauing ประสิทธิภาพสูงสุดจากเซลล์แสงอาทิตย์พิมพ์หน้าจอมาตรฐานและการลดลงอย่างมีนัยสำคัญในค่าใช้จ่ายของแก้วพลังงานแสงอาทิตย์ในปีที่ผ่านมาทำให้การใช้ encapsulation คู่แก้ว (DG) ได้ทำงานได้ผลักดันโมดูลเซลล์แสงอาทิตย์ bifacial .

จุดประสงค์ของเทคโนโลยี BF คือไม่เพิ่มประสิทธิภาพของแผงเซลล์แสงอาทิตย์หรือแผง แต่เพื่อจับพลังงานแสงอาทิตย์ต่อโมดูลมากขึ้น คาดว่าจะได้รับมากถึง 30% ขึ้นอยู่กับปัจจัยต่าง ๆ เช่นการสะท้อนแสงของพื้นผิวดินความสูงเหนือพื้นดินมุมเอียงและอื่น ๆ อีกมากมาย การแผ่รังสีที่ได้รับจากโมดูลประกอบด้วยหลายองค์ประกอบ:

1. รังสีโดยตรงจากดวงอาทิตย์

2. รังสีกระจายทางอ้อมที่เกิดจากอนุภาคอากาศ, เมฆและอื่น ๆ

3. การแผ่รังสีสะท้อนจากพื้นผิวใกล้กับแผงเซลล์แสงอาทิตย์

รังสีที่สะท้อนกลับนั้นโดยทั่วไปจะไม่นำมาพิจารณาในการคำนวณพลังงานแสงอาทิตย์ การวัดรังสีแบบกระจายหมายถึงแหล่งรังสีเหนือระนาบแนวนอน วิธีปกติในการวัดรังสีแสงอาทิตย์ใช้ pyranometer ซึ่งติดตั้งในแนวนอนและใช้วัดรังสีเหนือระนาบแนวนอนเท่านั้น แม้ในการกำหนดค่าแบบเอียงเครื่อง pyranometer จะไม่วัดรังสีใต้ระนาบการวัด (ดูรูปที่ 1)

ภาพที่ 1: การวัดรังสีแสงอาทิตย์ด้วยเครื่อง pyranometer

รังสีกระจายสามารถมีส่วนทำให้เกิดปริมาณรังสีทั้งหมด แต่สิ่งเหล่านี้ส่วนใหญ่จะไม่ถูกบันทึกในโมดูลที่เอียงหรือติดตั้งในแนวนอน การเอียงโมดูลจะเพิ่มความเข้มของรังสีโดยตรง แต่สกัดส่วนใหญ่ของรังสีทางอ้อม รังสีกระจายคือ isoptropic ในธรรมชาติคือมันมีค่าเท่ากันโดยไม่คำนึงถึงแหล่งที่มาในขณะที่รังสีที่สะท้อนกลับจะขึ้นอยู่กับลักษณะของพื้นผิวโดยรอบสุริยจักรวาลมุมของอาเรย์และปัจจัยอื่น ๆ แผงด้านหน้าจะได้รับทั้งโดยตรงและกระจายรังสีอัตราส่วนขึ้นอยู่กับมุมเอียงของแผง

ด้านหลังของโมดูลจะรับแสงจากสองแหล่ง:

·          Near Field Scatter: สะท้อนรังสีโดยตรงและกระจาย

·          รังสีกระจาย: รังสี ไม่สะท้อนโดยตรงจากแหล่งกระจาย

พื้นผิวที่แตกต่างกันสะท้อนแสงในอัตราที่แตกต่างกันและคุณสมบัติการสะท้อนแสงอธิบายโดยปัจจัยอัลเบโด อัลเบโด้อธิบายการสะท้อนแสงของพื้นผิวที่ไม่ส่องสว่าง - มันถูกกำหนดโดยอัตราส่วนระหว่างแสงที่สะท้อนจากพื้นผิวและรังสีที่เกิดขึ้นโดยบังเอิญ ดูตารางที่ 1 สำหรับค่าบางอย่างของอัลเบโด้ที่วัด [2]

อัตราส่วนของแสงแบบกระจายต่อแสงโดยตรงจะแตกต่างกันไปตามเงื่อนไข ภายใต้ความกระจ่างต่ำเนื่องจากเมฆเปอร์เซ็นต์ของแสงกระจายจะสูงกว่าภายใต้สภาพที่มีแดดและการได้รับเมื่อเปรียบเทียบกับ monofacial PV จึงสามารถสูงกว่าภายใต้สภาพที่มีแสงแดด [5]

ก่อสร้างโมดูล BF

การสร้างเซลล์

เซลล์ PV แบบโมโนฟิลมักจะสร้างด้วยชั้นสะท้อนแสงที่ด้านหน้าด้านหลังของเซลล์เพื่อให้ดูดซับแสงที่ตกลงมาบนพื้นผิวด้านหน้าได้ดีขึ้น โฟตอนที่ไม่ถูกดูดซับในชั้นด้านหน้าสามารถดูดซึมในการเดินทางกลับเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์ ซึ่งหมายความว่าโฟตอนที่เดินทางไปในทิศทางตรงกันข้ามกับปกติสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้และถ้าโฟตอนที่ตกลงมาที่ด้านหลังของใบหน้าสามารถเข้าไปในเซลล์ได้พวกมันสามารถนำไปใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ สิ่งนี้สามารถทำได้โดยการเอาชั้นสะท้อนแสงบางส่วนออกซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวนำ (ดูรูปที่ 2)

ภาพที่ 2: แสงสะท้อนที่ด้านหลังของแผง [3]

การลดชั้นตัวนำที่ด้านหลังของเซลล์จะเพิ่มความต้านทานและต้องการตัวนำที่ด้านหลังของเซลล์มากกว่าที่ด้านหน้าเพื่อชดเชยสิ่งนี้ เป็นการลดพื้นที่ด้านหลังของเซลล์ที่มีรังสี

การสร้างเซลล์ PV ชนิดต่าง ๆ นั้นซับซ้อนกว่าที่แสดงไว้และการแปลงไม่ง่ายอย่างที่คิด มีขั้นตอนอื่น ๆ ที่จำเป็นในการสร้างเซลล์ BF ซึ่งทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ มีการออกแบบหลายอย่างที่ใช้หลักการ BF ส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการปรับเปลี่ยนเซลล์ที่มีอยู่ แต่มีหลายเซลล์ที่ได้รับการออกแบบเป็นเซลล์ BF โดยเฉพาะ

การสร้างเซลล์ bifacial มีอยู่สองประเภทที่ใช้กันทั่วไปในตลาด ได้แก่ เฮเทอโรอิเล็กทริกและเซลล์ตัวส่งกำลังแบบพาสซีฟด้านหลัง (PERC) เซลล์ Heterojunction ใช้ monocrystalline silicon ในขณะที่เซลล์ PERC มีทั้งแบบ mono และ polycrystalline silicon เซลล์ Bifacial มีความซับซ้อนมากขึ้นในการผลิตและสิ่งนี้จะเพิ่มค่าใช้จ่ายของโมดูล

ประสิทธิภาพของการส่องสว่างด้านหลังนั้นต่ำกว่าการส่องสว่างด้านหน้าดังแสดงในตารางที่ 2 สาเหตุหลักมาจากพื้นที่ที่เพิ่มขึ้นของตัวนำที่ด้านหลังของเซลล์เมื่อเทียบกับด้านหน้า

การก่อสร้างโมดูล

Monofacial (MF) ผลึกซิลิคอนมักถูกห่อหุ้มด้วย encapsulant ทึบแสงที่ด้านหลัง แต่วิธีนี้ไม่สามารถใช้กับระบบ BF ได้ โมดูลจะต้องมีพื้นผิวด้านหลังและด้านหน้าโปร่งใสที่ให้ความแข็งแรงทางกล นอกจากนี้เซลล์จะต้องอยู่ในชั้นของวัสดุป้องกัน การกำหนดค่าที่พบมากที่สุดที่นำมาใช้คือกระจกสองชั้นที่ล้อมรอบเซลล์ซึ่งถูกห่อหุ้มด้วยวัสดุโพลีเมอร์ป้องกัน

ต้องใช้วัสดุแผ่นหลังแบบโปร่งใสที่ทนต่อรังสี UV หรือต้องเพิ่มชั้นของแสงอาทิตย์เพื่อให้แสงส่องทางด้านหลังของเซลล์ bifacial ในกรณีส่วนใหญ่ดังแสดงในรูปที่ 4 ผู้ผลิตเลือกใช้แพคเกจกระจกบนกระจกที่โดยทั่วไปช่วยเพิ่มความทนทานของสนามเมื่อเทียบกับตัวเลือกกระจกบนฟิล์ม แพคเกจกระจกบนกระจกมีความแข็งมากขึ้นซึ่งช่วยลดความเครียดเชิงกลของเซลล์ในระหว่างการขนส่งการเคลื่อนย้ายและการติดตั้งรวมถึงความเครียดเนื่องจากสภาพแวดล้อมเช่นลมหรือหิมะ การกำหนดค่ายังสามารถซึมผ่านน้ำได้น้อยซึ่งอาจลดอัตราการย่อยสลายประจำปี โมดูล Bifacial ไม่มีกรอบ การกำจัดเฟรมอลูมิเนียมจะช่วยลดโอกาสในการย่อยสลาย (PID) ที่อาจเกิดขึ้นได้อย่างมีประสิทธิภาพ [3]

รูปที่ 3: ความแตกต่างระหว่างเซลล์ PV แบบโมโนและเซลล์ใบหน้า

การติดตั้งกระจกสองชั้น (DG) มีข้อดีหลายประการ:

·          ลดการเกิดรอยจุลภาคการหลุดลอกและการกัดกร่อนของความชื้น

·          ลดอุณหภูมิเซลล์

·          ไม่ทำให้เกิดการเสื่อมสภาพเนื่องจากไม่มีกรอบโลหะที่ต้องการพื้นดิน

·          อัตราการย่อยสลายที่ต่ำกว่า

·          คะแนน Flameproof ที่สูงขึ้น

·          ความแข็งแรงเชิงกลที่สูงขึ้นและความยืดหยุ่นน้อยลง

ตลาดผลิตภัณฑ์

ตารางที่ 3 แสดงรายการระบบ BF บางตัวที่มีอยู่ในตลาดในขณะนี้พร้อมคุณสมบัติ

พารามิเตอร์รอบการแสดง

มีการใช้พารามิเตอร์หลายตัวในอุตสาหกรรมเพื่ออธิบายคุณสมบัติของแผงเซลล์แสงอาทิตย์ BF

ปัจจัยสองทาง

นี่คืออัตราส่วนระหว่างด้านหลังและประสิทธิภาพด้านหน้าหรืออัตราส่วนของด้านหน้ากับกำลังด้านหลังที่วัดได้ภายใต้เงื่อนไขการทดสอบมาตรฐาน

ผลกำไร Bifacial

นี่คือพลังงานเพิ่มเติมที่ได้รับจากด้านหลังของโมดูลเมื่อเทียบกับพลังงานจากด้านหน้าของโมดูลที่เงื่อนไขการทดสอบมาตรฐาน อัตราขยาย bifacial ขึ้นอยู่กับการยึด (โครงสร้างความสูงมุมเอียงและอื่น ๆ ) และอัลเบโด้ของพื้นผิวดิน

รูปที่ 4: การสร้างโมดูล BF แก้วคู่

Bifacial gain = ( 𝑌𝐵𝑖 - 𝑌 ) / 𝑌𝑀𝑜

ที่อยู่:

YB _i = กำลังไฟจากโมดูล BF

YM _o = กำลังไฟจากโมดูล MF ภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน

อัลเบโด้

นี่คืออัตราส่วนของแสงที่สะท้อนจากพื้นผิวไปสู่แสงตกกระทบและแตกต่างกันไปตามประเภทพื้นผิวที่แตกต่างกัน

รูปที่ 5: ผลของความสูงต่อการเพิ่มขึ้นของ BF อัลเบโด 80% ระยะห่างแถว 2.5 ม. [4]

อัตราส่วนพื้นที่ครอบคลุม

นี่คืออัตราส่วนของพื้นที่กราวด์ที่ครอบคลุมโดยโมดูล PV ต่อพื้นที่กราวด์ทั้งหมดที่ครอบครองโดยการติดตั้ง อัตราส่วนนี้มีผลต่อแสงที่สะท้อนออกมาและสามารถมีอิทธิพลต่อประสิทธิภาพของแผง BF

การติดตั้งโมดูล BF ที่เหมาะสมที่สุด

เนื่องจากโมดูล bifacial ดูดซับการแผ่รังสีแสงอาทิตย์จากทั้งสองด้านจึงมีความหลากหลายของการเอียงและการติดตั้งและเหมาะสำหรับการยกระดับพื้นดินบนชั้นดาดฟ้าการติดตั้งทะเลทรายและหิมะหรือการใช้งานในน้ำ ระบบการติดตั้งที่ออกแบบมาเพื่อปรับ backscatter และการสะท้อนกลับจากการติดตั้งบนหลังคาและยึดพื้นดินจะเพิ่มโครงสร้างเหนือพื้นดินหรือหลังคาเพื่อให้แสงกระจัดกระจายหรือสะท้อนกลับมากขึ้น

ความสูงและระยะห่างของโครงสร้าง

การเพิ่มโครงสร้างเหนือพื้นดินจะเพิ่มปริมาณของรังสีที่ไปถึงด้านหลังของแผงควบคุมและเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพและการได้รับ bifacial การเพิ่มระยะห่างระหว่างแถวยังช่วยเพิ่มกำไร bifacial (ดูรูปที่ 6)

ภาพที่ 6: การแผ่รังสีบนแผง BF ที่ติดตั้งในแนวตั้ง (Sanyo)

การเพิ่มขึ้นของกำไรดูเหมือนจะแผ่ออกมาที่ความสูงประมาณ 1 เมตร การเพิ่มความสูงของโครงสร้างนั้นมีผลกระทบอย่างเด่นชัดต่อแถวยึดหลังคาโดยเฉพาะที่เกี่ยวข้องกับหลังคาแบน อันตรายจากการเพิ่มแรงลมอาจเป็นปัญหา ผู้ผลิตโครงสร้างการยึดจำนวนมากได้ผลิตโครงสร้างที่ยกระดับขึ้นสำหรับการติดตั้งทั้งบนพื้นดินและบนหลังคา

กำไรที่ได้จากความสูงที่เพิ่มขึ้นนั้นสามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้ดีในโครงสร้างแบบโรงเก็บของแบบเปิดเช่นที่จอดรถและบริเวณเก็บของแบบเปิดโล่งรวมถึงพื้นที่บันเทิงและการต้อนรับ encapsulant โปร่งใสช่วยให้แสงบางอย่างเพื่อกรองผ่านโมดูล

แผง BF ปรับแนวตั้ง

หนึ่งในแอปพลิเคชั่นที่น่าสนใจที่สุดที่จะเกิดขึ้นจากอาเรย์ BF คือความเป็นไปได้ของอาเรย์ที่ติดตั้งตามแนวตั้ง แผง BF ที่ติดตั้งในแนวตั้งได้ถูกนำมาใช้อย่างมีประสิทธิภาพในอดีตเป็นกำแพงเสียงและแสงบนทางหลวง แผงที่ติดตั้งแนวตั้งใช้พื้นที่น้อยกว่าแผงแนวนอนหรือแนวเอียงมาก มีตัวเลือกให้เลือกสองแบบการวางแนวเหนือ - ใต้แบบคลาสสิคและการหันหน้าไปทางตะวันออก - ตะวันตก

เพื่อให้ตรงกับความต้องการของสถานที่มากขึ้นกับโปรไฟล์การสร้าง PV ตลอดทั้งวันมีแนวโน้มที่จะใช้การวางแนวแผงตะวันออก - ตะวันตกโดยที่ครึ่งหนึ่งของแผงถูกเอียงไปทางทิศตะวันออกเพื่อสร้างจุดสูงสุดของการสร้างในตอนเช้าและครึ่งที่เหลือ อนุญาตให้มียอดเขาอีกรุ่นหนึ่งในช่วงบ่าย (ดูรูปที่ 7) โปรไฟล์สูงสุดสองเท่านี้สามารถจับคู่การใช้ไฟฟ้าในสถานที่ได้ดียิ่งขึ้น

รูปที่ 7: รูปแบบการแผ่รังสีรายวันบนโมดูล BF ตะวันออก - ตะวันตก [5]

วิธีการที่ไม่เป็นทางการนี้สามารถก้าวไปอีกขั้นหนึ่งได้หากใช้โมดูลไบฟาเซียลแบบหันหน้าไปทางแนวตั้งหันหน้าไปทางทิศตะวันออกซึ่งจะมากกว่าจำนวนโมดูลที่จำเป็นสำหรับการติดตั้งที่เท่ากัน การกำหนดค่านี้จะสร้างยอดเขาสองรุ่นอีกครั้ง แต่จะได้รับประโยชน์จากแสงกระจายเพิ่มเติมเข้าสู่โมดูล แผ่นบีเอฟช่วยให้สามารถวางแนวตะวันออก - ตะวันตกในแนวตั้งซึ่งมีศักยภาพในการผลิตพลังงานสูงกว่าแผงเซลล์เดี่ยว

ในแนวเหนือ - ใต้แผงด้านหน้าจะได้รับรังสีโดยตรงและแบบกระจายและด้านหลังของแผงจะได้รับรังสีแบบกระจาย ในทิศทางตะวันออก - ตะวันตกโดยฝั่งตรงข้ามหันหน้าไปทางทิศตะวันออกและทิศตะวันตกทั้งสองฝั่งจะได้รับรังสีโดยตรงและสะท้อนกลับในเวลาต่าง ๆ ของวัน (ดูรูปที่ 7) ในสถานที่แรกวิธีการติดตั้งดูเหมือนจะไม่มีประสิทธิภาพเช่นเดียวกับในเวลาเที่ยงวันดวงอาทิตย์อยู่ในมุมที่เหมาะสมกับแผงและไม่ควรมีเอาต์พุต การส่งออกที่สำคัญเกิดจากความจริงที่ว่าพื้นผิวด้านหน้าและด้านหลังได้รับปริมาณการแพร่กระจายสูงสุดและการแผ่รังสีสะท้อน

การแผ่รังสีที่ได้รับจากโมดูลจะขึ้นอยู่กับการสะท้อนแสง (albedo) ของวัตถุใกล้เคียงและพื้นดิน นี่เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับโมดูลแนวตั้งในช่วงเที่ยงของฤดูร้อนเมื่อแสงแดดส่องโดยตรงนั้นรุนแรงที่สุด แต่เมื่อมุมของดวงอาทิตย์หมายความว่าแสงแดดโดยตรงของแสงที่ได้รับจากโมดูลนั้นมีขนาดค่อนข้างเล็ก แผง bifacial แนวตั้งช่วยลดการสะสมของฝุ่นและหิมะและให้ยอดส่งออกสองจุดในระหว่างวันโดยที่จุดสูงสุดที่สองสอดคล้องกับความต้องการใช้ไฟฟ้าสูงสุด (ดูรูปที่ 8)

รูปที่ 8: การเปรียบเทียบระหว่างตัวเลือกการติดตั้ง [5]

หนึ่งในเหตุผลสำหรับการผลิตพลังงานที่มากขึ้นคืออุณหภูมิของโมดูลทิศตะวันออก - ตะวันตกลดลงในช่วงเวลาของการฉายรังสีสูงสุดเมื่อเปรียบเทียบกับโมดูลที่มุ่งเน้นไปทางทิศใต้ เครือข่ายจำนวนมากที่มีแสงอาทิตย์ส่องผ่านสูงจะมีพลังงานส่วนเกินในช่วงเวลาที่มีการผลิตสูงสุดในช่วงเที่ยงวันและมีการขาดแคลนในช่วงนอกช่วงที่มีการใช้งานมาก การขยับจุดยอดโดยใช้การวางแนวแนวตั้งแนวทิศตะวันออก - ตะวันตกสำหรับ PV ใหม่จะให้เส้นโค้งการผลิตพลังงานที่สม่ำเสมอยิ่งขึ้น (ดูรูปที่ 9)

โอกาสในอนาคต

แม้ว่าจะมีหลายโครงการที่ใช้โมดูล BF แต่เปอร์เซ็นต์ของโมดูล BF ในตลาดมีขนาดเล็กมากในขณะนี้ แต่คาดว่าจะเพิ่มขึ้นอย่างมากในอนาคตเนื่องจากมีผลิตภัณฑ์ออกสู่ตลาดมากขึ้นและมีการติดตั้งเสร็จสิ้นมากขึ้น การปรับปรุงผลลัพธ์ที่เป็นไปได้สูงถึง 30% คาดว่าจะน่าสนใจยิ่งกว่าประสิทธิภาพที่อาจเกิดขึ้นได้จากการพัฒนาเทคโนโลยี

รูปที่ 9: การเติบโตที่คาดไว้ในการใช้งานเซลล์ BF [1]

อ้างอิง

[1] T Dullweber, et al: “ Bifacial PERC + solar cells: สถานะของการนำไปใช้ในอุตสาหกรรมและมุมมองในอนาคต”,     bifiPV2017 workshop, Konstanz, ตุลาคม 2017
[2] W Herman:“ ลักษณะการทำงานของโมดูล PV bifacial และการติดฉลากพลังงาน” , การ ประชุมเชิงปฏิบัติการ bifiPV2017, Konstanz, ตุลาคม 2017
[3] D Brearly:“ Bifacial PV Systems”, นิตยสาร Solarpro ฉบับที่ 10.2, Mar / Apr '17
[4] Solarworld: “ วิธีเพิ่มผลผลิตพลังงานสูงสุดด้วยเทคโนโลยี bifacial”, กระดาษสีขาว SW9001US 160729
[5] EPRI:“ โมดูลเซลล์แสงอาทิตย์พลังงานแสงอาทิตย์ Bifacial”, www.epri.com