الألواح الشمسية Bifacial تعطي زيادة انتاج الطاقة المحتملة

من: 9 مايو 2018 ، تم نشره في مقالات: تنشيط ، بواسطة Mike Rycroft ، EE Publishers

يمكن للإشعاع المنعكس والمنتشر على الجانب الخلفي للوحدات الشمسية أن يزيد من ناتج الطاقة للوحدات الشمسية دون إدخال تحسينات كبيرة على الكفاءة.

تاريخياً ، كانت الخلايا الشمسية ثنائية الطور (BF) موجهة نحو بناء تطبيقات كهروضوئية متكاملة أو في المناطق التي يكون فيها الكثير من الطاقة الشمسية المتاحة أشعة الشمس المنتشرة التي ارتدت من الأرض والأجسام المحيطة بها ، أي خطوط العرض القصوى والمناطق المعرضة للثلوج. ومع ذلك ، فإن الجمع بين كفاءة ذروة الهضبة من الخلايا الشمسية القياسية المطبوعة على الشاشة والتخفيضات الكبيرة في تكلفة الزجاج الشمسي في السنوات الأخيرة ، مما يجعل استخدام الزجاج المزدوج (DG) قابلاً للتطبيق قد دفع الوحدات الشمسية ثنائية الطور إلى الأضواء [2] .

ليس الهدف من تقنية BF هو زيادة كفاءة الوحدة أو اللوحة الشمسية ولكن التقاط المزيد من الطاقة الشمسية لكل وحدة. يتم تحقيق مكاسب تصل إلى 30٪ ، اعتمادًا على عوامل مثل انعكاس سطح الأرض والارتفاع فوق الأرض وزاوية الإمالة وعدة عوامل أخرى. يتكون الإشعاع الذي تتلقاه الوحدة من عدة عناصر:

1. الإشعاع المباشر من الشمس.

2. الإشعاع المنتشر غير المباشر الناجم عن جزيئات الهواء والسحب وغيرها.

3. انعكاس الإشعاع من الأسطح القريبة من الوحدة الشمسية.

عموما لا تؤخذ الإشعاع المنعكس في الاعتبار في حسابات الطاقة الشمسية. تشير قياسات الإشعاع المنتشر إلى مصادر الإشعاع أعلى المستوى الأفقي. الطريقة المعتادة لقياس الإشعاع الشمسي تستخدم مقياس البيرومتر الذي يتم تركيبه أفقيًا ويقيس الإشعاع فقط فوق المستوى الأفقي. حتى في التكوين المائل ، فإن قياس البيرومتر لن يقيس الإشعاع تحت مستوى القياس (انظر الشكل 1).

الشكل 1: قياس الإشعاع الشمسي باستخدام مقياس حراري.

يمكن أن تسهم الإشعاعات المنتشرة بكمية كبيرة من إجمالي الإشعاع ولكن لن يتم التقاط جزء كبير منها في وحدة مائلة أو مركبة أفقياً. إمالة الوحدة يزيد من شدة الإشعاع المباشر ولكنه يحجب جزءًا كبيرًا من الإشعاع غير المباشر. الإشعاع المنتشر ذو طبيعة متساوية ، أي أن له نفس القيمة بغض النظر عن المصدر ، في حين أن الإشعاع المنعكس يعتمد على طبيعة السطح المحيط بالمصفوفة الشمسية ، وزاوية المصفوفة وعوامل أخرى. ستتلقى اللوحة الأمامية إشعاعًا مباشرًا وموزعًا ، حيث تعتمد النسبة على زاوية إمالة اللوحة.

يستقبل الجانب الخلفي من الوحدة الضوء من مصدرين:

·          مبعثر المجال القريب: ينعكس الإشعاع المباشر والمنتشر.

·          إشعاع منتشر: إشعاع غير منعكس مباشرة من مصادر منتشرة.

تعكس الأسطح المختلفة الضوء بمعدلات مختلفة ، ويتم وصف الخصائص العاكسة بواسطة عامل البياض. يصف البياض الانعكاسية للسطح غير المضيء - يتم تحديده بواسطة النسبة بين الضوء المنعكس من السطح والإشعاع العرضي. انظر الجدول 1 لمعرفة بعض قيم البياض المقاسة [2]

سوف تختلف نسبة الضوء المنتشر إلى الضوء المباشر مع الظروف. في حالة انخفاض الإشعاع بسبب السحب ، ستكون النسبة المئوية للضوء المنتشر أعلى منه في ظل الظروف المشمسة ، وبالتالي فإن الكسب مقارنة بالضوئية الكهروضوئية أحادية الوجه يمكن أن يكون أعلى منه في ظل الظروف المشمسة [5].

بناء وحدات BF

بناء الخلية

عادة ما يتم إنشاء خلايا PV أحادية الوجه بطبقة عاكسة على الوجه الخلفي للخلية للسماح بامتصاص أفضل للضوء الساقط على السطح الأمامي. يمكن امتصاص الفوتونات التي لا يتم امتصاصها في الطبقة الأمامية في رحلة العودة ، مما يزيد من كفاءة الخلية. هذا يعني أن الفوتونات التي تسير في الاتجاه المعاكس إلى الوضع الطبيعي يمكن أن تولد الكهرباء ، وإذا كان من الممكن السماح للفوتونات التي تسقط على الوجه الخلفي بدخول الخلية ، فيمكن استخدامها بشكل فعال لتوليد الكهرباء. يتم تحقيق ذلك عن طريق إزالة الطبقة العاكسة جزئيًا ، والتي تعمل أيضًا كموصل (انظر الشكل 2).

الشكل 2: الضوء المنعكس على الجزء الخلفي من اللوحة [3].

يؤدي تقليل الطبقة الموصلة في الجزء الخلفي من الخلية إلى زيادة المقاومة وهناك حاجة إلى مزيد من الموصلات في الجزء الخلفي من الخلية أكثر من الجبهة للتعويض عن ذلك. هذا يقلل من مساحة الجزء الخلفي من الخلية المتاحة للإشعاع.

بناء أنواع مختلفة من الخلايا الكهروضوئية هي أكثر تعقيدا من تلك المبينة والتحويل ليس بهذه البساطة. هناك خطوات أخرى مطلوبة لإنشاء خلية BF تعمل بكفاءة. ظهرت العديد من التصميمات التي تستخدم مبدأ BF. يتضمن معظمها تعديل الخلايا الموجودة ، ولكن هناك العديد منها تم تصميمه على وجه التحديد كخلايا BF.

يشيع استخدام السوق في نوعين من الخلايا المشعة: التماثل غير المتماثل والخلية الخلفية باعث التخميل (PERC). تستخدم الخلايا غير المتجانسة السيليكون أحادي البلورية في حين أن خلية PERC متاحة في كل من إصدارات السيليكون أحادية أو الكريستالات. خلايا Bifacial أكثر تعقيدًا في التصنيع وهذا يضيف إلى تكلفة الوحدة.

إن كفاءة الإضاءة الخلفية أقل من الإضاءة الأمامية ، كما هو موضح في الجدول 2. وهذا يرجع إلى حد كبير إلى زيادة المساحة التي تشغلها الموصلات في الجزء الخلفي من الخلية مقارنة بالجبهة.

بناء وحدة

عادة ما تكون ألواح السيليكون البلورية أحادية الوجه (MF) مغلفة في غلاف غير شفاف في الخلف ولكن لا يمكن استخدام هذه الطريقة مع أنظمة BF. يجب أن يكون للوحدة أسطح شفافة أمامية وخلفية توفر قوة ميكانيكية. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن تكون الخلايا محاطة بطبقة من المواد الواقية. التكوين الأكثر شيوعًا المعتمد هو طبقة مزدوجة من الزجاج الكهروضوئي يحيط بالخلايا التي يتم تغليفها في مادة بوليمر واقية.

مطلوب إما مادة خلفية شفافة مقاومة للأشعة فوق البنفسجية أو طبقة إضافية من الزجاج الشمسي للسماح للضوء بالتألق في الجزء الخلفي من خلية ثنائية الخلايا. في معظم الحالات ، كما هو مبين في الشكل 4 ، يختار المصنِّعون حزمة زجاجية تعمل على تحسين متانة المجال عمومًا مقارنة بخيارات الزجاج على الفيلم. الحزمة الزجاجية على الزجاج أكثر صلابة ، مما يقلل من الضغط الميكانيكي على الخلايا أثناء النقل والمناولة والتركيب ، وكذلك الضغط بسبب الظروف البيئية مثل الرياح أو الثلج. التكوين هو أيضا أقل نفاذية للمياه ، مما قد يقلل من معدلات التدهور السنوي. الوحدات القاعدية هي بدون إطار. إن التخلص من إطار الألومنيوم يقلل بشكل فعال من فرص التدهور المستحث (PID) [3].

الشكل 3: الفرق بين الخلايا الكهروضوئية أحادية الوجه والخلايا ثنائية الوجه.

يتميز تركيب الزجاج المزدوج (DG) بعدد من المزايا:

·          انخفاض التكسير الدقيق ، التآكل والرطوبة.

·          انخفاض درجة حرارة الخلية.

·          لا يوجد أي تدهور محتمل بسبب عدم وجود إطار معدني يتطلب التأريض.

·          انخفاض معدل التدهور.

·          أعلى تصنيف اشتعال.

·          أعلى قوة ميكانيكية وأقل الثناء.

منتجات السوق

يسرد الجدول 3 بعض أنظمة BF المتاحة في السوق في الوقت الحالي ، مع خصائصها.

معلمات الأداء

يتم استخدام العديد من المعلمات في الصناعة لوصف خصائص الوحدات الشمسية BF.

عامل التشعب

هذه هي النسبة بين الجانب الخلفي والكفاءات الجانبية الأمامية ، أو نسبة الجبهة إلى الطاقة الخلفية المقاسة في ظل ظروف الاختبار القياسية.

مكاسب Bifacial

هذه هي الطاقة الإضافية المكتسبة من الجزء الخلفي للوحدة مقارنةً بالقدرة من الجزء الأمامي للوحدة في ظروف الاختبار القياسية. يعتمد الكسب bifacial على التركيب (الهيكل ، الارتفاع ، زاوية الميل وغيرها) وعلى سطح سطح الأرض.

الشكل 4: بناء وحدة الزجاج المزدوج BF.

كسب Bifacial = ( 𝑌𝐵𝑖 - 𝑌 ) / 𝑌𝑀𝑜

أين:

YB _i = الطاقة من وحدة BF.

YM _o = الطاقة من وحدة MF في نفس الظروف.

البياض

هذه هي نسبة الضوء المنعكس من السطح إلى الضوء الساقط وتختلف باختلاف أنواع السطح.

الشكل 5: تأثير الارتفاع على كسب BF. البيدو 80 ٪ ، الملعب الصف 2،5 م [4].

نسبة التغطية الأرضية

هذه هي نسبة مساحة الأرض التي تغطيها الوحدات الكهروضوئية إلى إجمالي مساحة الأرض التي يشغلها التثبيت. هذه النسبة لها تأثير على الضوء المنعكس ويمكن أن تؤثر على أداء لوحة BF.

التركيب الأمثل لوحدات BF

نظرًا لأن الوحدات ثنائية الشعاع تمتص الإشعاع الشمسي من كلا الجانبين ، فإنها تتيح مجموعة متنوعة من خيارات الإمالة والتركيب وهي مثالية للتركيبات المرتفعة للأرض والسطح والصحراء والثلوج أو التطبيقات على المياه. أنظمة التركيب المصممة لتحسين الانتثار الخلفي والانعكاسات من الأسطح ومنشآت التركيب الأرضي ترفع الهيكل فوق الأرض أو السقف لالتقاط المزيد من الضوء المبعثر أو المنعكس.

ارتفاع الهيكل والتباعد

رفع الهيكل فوق الأرض يزيد من كمية الإشعاع التي تصل إلى الجزء الخلفي من اللوحة ، وبالتالي يحسن الأداء والكسب bifacial. تؤدي زيادة التباعد بين الصفوف أيضًا إلى تحسين الكسب bifacial (انظر الشكل 6).

الشكل 6: الإشعاع على لوحة BF المثبتة رأسياً (Sanyo).

يبدو أن الزيادة في الكسب تتسطح على ارتفاع حوالي 1 متر. زيادة ارتفاع الهيكل له تأثير واضح جدًا على مصفوفات تركيب الأسطح ، خاصةً عندما يتعلق الأمر بالسقوف المسطحة. خطر زيادة تحميل الرياح يمكن أن يكون مشكلة. أنتجت العديد من الشركات المصنعة للهيكل المتصاعد هياكل مرتفعة للتركيبات الأرضية والسطحية.

يمكن الاستفادة من المكاسب التي تم الحصول عليها مع زيادة الطول في الهياكل المفتوحة من نوع سقيفة مثل مواقف السيارات وخلجان التخزين في الهواء الطلق ، وكذلك مناطق الترفيه والضيافة. يسمح غلاف التغليف الشفاف ببعض الضوء من خلال الوحدة.

لوحات BF الموجهة عموديا

واحدة من أكثر التطبيقات إثارة للاهتمام التي ظهرت من مجموعة BF هي إمكانية وجود مجموعة محمولة رأسية. تم استخدام لوحات BF المثبتة عموديًا بشكل فعال في الماضي كحواجز صوتية وخفيفة على الطرق السريعة. تشغل اللوحة المركبة رأسياً مساحة أقل بكثير من اللوحة الأفقية أو المائلة. يوجد خياران ، التوجه الكلاسيكي بين الشمال والجنوب ومواجهة الشرق والغرب البديلة.

لمطابقة الطلب في الموقع بشكل أفضل مع ملفات تعريف توليد الطاقة الكهروضوئية على مدار اليوم ، هناك اتجاه لاستخدام اتجاه لوحة الشرق والغرب ، حيث يتم إمالة نصف اللوحات شرقًا لإنشاء قمة الذروة في الصباح والنصف المتبقي يميل غربًا إلى السماح لذروة جيل آخر في فترة ما بعد الظهر (انظر الشكل 7). يمكن لملف تعريف الذروة المزدوج هذا أن يتناسب بشكل أفضل مع استخدام الكهرباء في الموقع ، خاصةً بالنسبة للمنشآت السكنية والتجارية.

الشكل 7: مخطط الإشعاع اليومي على وحدات BF بين الشرق والغرب [5].

يمكن لهذا النهج غير التقليدي أن يخطو خطوة إلى الأمام إذا تم استخدام وحدات ثنائية الرأس موصولة رأسياً في اتجاه الغرب ، مما سيؤدي إلى خفض عدد الوحدات اللازمة للتركيب المكافئ إلى النصف. سينتج عن هذا التكوين مرة أخرى ذروة جيلين ، ولكنه سيستفيد أيضًا من الضوء المنتشر الإضافي الذي يدخل الوحدة. تسمح لوحات BF بتوجيه رأسي شرق-غرب مع إمكانية توفير إنتاج طاقة أعلى من الألواح أحادية الوجه.

في الاتجاه الشمالي-الجنوبي ، تستقبل اللوحة الأمامية إشعاعًا مباشرًا وموزعًا ، وتتلقى الجزء الخلفي من اللوحة إشعاعًا منتشرًا. في الاتجاه بين الشرق والغرب حيث تواجه الأطراف المتقابلة الشرق والغرب ، يتلقى كلا الجانبين إشعاعًا مباشرًا ومنعكسًا في أوقات مختلفة من اليوم (انظر الشكل 7). في الموقع الأول ، يبدو أن طريقة التركيب غير فعالة ، كما هو الحال في منتصف النهار ، تكون الشمس في الزوايا الصحيحة للوحات ويجب عدم وجود إخراج. ناتج كبير يرجع إلى حقيقة أن كلا السطوح الأمامية والخلفية تتلقى أقصى قدر من الإشعاع المنعكس والانعكاس.

سيعتمد الإشعاع الذي تتلقاه وحدة نمطية إلى حد كبير على انعكاس (البياض) للأجسام القريبة والأرض. هذا مهم بشكل خاص بالنسبة للوحدات الرأسية في حوالي الظهر في فصل الصيف ، عندما تكون أشعة الشمس المباشرة في أشعة الشمس أكثر كثافة ولكن عندما تكون زاوية الشمس تعني أن أشعة الشمس المباشرة التي تستقبلها الوحدات صغيرة نسبياً. تقلل اللوحة ذات الرأسين العمودية من تراكم الغبار والثلوج وتوفر ذروتين من الخرج خلال اليوم ، مع الذروة الثانية التي تتوافق مع ذروة الطلب على الكهرباء (انظر الشكل 8).

الشكل 8: مقارنة بين خيارات التثبيت [5].

أحد أسباب زيادة إنتاج الطاقة هو انخفاض درجة حرارة الوحدة بين الشرق والغرب خلال وقت الإشعاع الأقصى مقارنة بالوحدة الموجهة للجنوب. تمتلك العديد من الشبكات ذات الاختراقات العالية من الطاقة الشمسية فائضًا من الطاقة خلال أوقات ذروة الإنتاج في منتصف النهار ونقصًا خلال فترة عدم الذروة. إن تبديل القمم باستخدام الاتجاه الرأسي بين الشرق والغرب من أجل الكهروضوئية الجديدة يمنح منحنى أكثر إنتاجية للطاقة (انظر الشكل 9).

افاق المستقبل

على الرغم من وجود العديد من المشروعات التي تستخدم وحدات BF ، إلا أن النسبة المئوية لوحدات BF في السوق صغيرة جدًا في الوقت الحالي ، ولكن من المتوقع أن تزداد بشكل كبير في المستقبل مع طرح المزيد من المنتجات في السوق والمزيد من عمليات التثبيت. من المتوقع أن يكون التحسين المحتمل بنسبة تصل إلى 30٪ في الإنتاج أكثر جاذبية من الزيادة القليلة في النقاط المئوية في الكفاءة التي يمكن تحقيقها من خلال تطوير التكنولوجيا.

الشكل 9: النمو المتوقع في استخدام خلايا BF [1].

المراجع

[1] T Dullweber، et al: "Bifacial PERC + الخلايا الشمسية: حالة التنفيذ الصناعي ووجهات النظر المستقبلية" ،     ورشة عمل bifiPV2017 ، كونستانز ، أكتوبر 2017.
[2] دبليو هيرمان: "خصائص أداء الوحدات الكهروضوئية ثنائية الشعاع ووسم الطاقة" ، ورشة عمل bifiPV2017 ، كونستانز ، أكتوبر 2017.
[3] D Brearly: "الأنظمة الكهروضوئية ثنائية الطور" ، مجلة Solarpro العدد 10.2 ، مارس / أبريل 17
[4] Solarworld: " كيفية تعظيم العائد من الطاقة باستخدام تقنية bifacial" ، ورقة بيضاء SW9001US 160729
[5] EPRI: "الوحدات الكهروضوئية الشمسية Bifacial" ، www.epri.com