I pannelli solari bifacciali forniscono un maggiore potenziale di potenza

Da: 9 maggio 2018, pubblicato in Articoli: Energize, di Mike Rycroft, EE Publishers

Le radiazioni riflesse e diffuse sul retro dei moduli solari possono aumentare la potenza dei moduli solari senza grandi miglioramenti di efficienza.

Storicamente, le celle solari bifacciali (BF) erano mirate alla costruzione di applicazioni fotovoltaiche integrate o in aree in cui gran parte dell'energia solare disponibile è la luce solare diffusa, rimbalzata dal suolo e dagli oggetti circostanti, ad esempio latitudini estreme e regioni soggette a neve. Tuttavia, la combinazione dell'efficienza dei picchi di plateauing dalle celle solari standard serigrafate e delle riduzioni significative del costo del vetro solare negli ultimi anni, rendendo l'uso del doppio vetro (DG) incapsulante, ha spinto i moduli solari bifacciali di nuovo sotto i riflettori [2] .

L'obiettivo della tecnologia BF non è quello di aumentare l'efficienza del modulo o del pannello solare ma di catturare più energia solare per modulo. Guadagni fino al 30% vengono proiettati, a seconda di fattori come la riflettività della superficie del terreno, l'altezza fuori terra, l'angolo di inclinazione e molti altri. Le radiazioni ricevute dal modulo sono costituite da diversi componenti:

1. Radiazione diretta dal sole.

2. Radiazione indiretta diffusa causata da particelle d'aria, nuvole e altro.

3. Radiazione riflessa dalle superfici vicine al modulo solare.

Le radiazioni riflesse non vengono generalmente prese in considerazione nei calcoli dell'energia solare. Le misurazioni di radiazioni diffuse si riferiscono a sorgenti di radiazioni sopra il piano orizzontale. Il solito metodo di misurazione della radiazione solare utilizza un piranometro che viene montato orizzontalmente e misura solo la radiazione al di sopra del piano orizzontale. Anche in una configurazione inclinata, il piranometro non misura la radiazione al di sotto del piano di misura (vedi Fig. 1).

Fig. 1: Misura della radiazione solare con un piranometro.

Le radiazioni diffuse possono contribuire a una notevole quantità della radiazione totale, ma gran parte di queste non verrà catturata in un modulo inclinato o montato orizzontalmente. Il ribaltamento del modulo aumenta l'intensità della radiazione diretta, ma blocca una gran parte della radiazione indiretta. La radiazione diffusa è di natura isopropica, cioè ha lo stesso valore indipendentemente dalla sorgente, mentre la radiazione riflessa dipenderà dalla natura della superficie circostante l'array solare, dall'angolo della matrice e da altri fattori. Il pannello frontale riceverà sia la radiazione diretta che quella diffusa, il rapporto in base all'angolo di inclinazione del pannello.

La parte posteriore del modulo riceverà la luce da due fonti:

·          Diffusione del campo vicino: radiazione riflessa diretta e diffusa.

·          Radiazione diffusa: radiazione non riflessa direttamente da fonti diffuse.

Le diverse superfici riflettono la luce a velocità diverse e le proprietà riflettenti sono descritte dal fattore albedo. L'albedo descrive la riflettività di una superficie non luminosa - è determinata dal rapporto tra la luce riflessa dalla superficie e la radiazione incidente. Vedere la Tabella 1 per alcuni valori di albedo misurati [2]

Il rapporto tra luce diffusa e luce diretta varierà a seconda delle condizioni. A basse radiazioni dovute al cloud, la percentuale di luce diffusa sarà maggiore rispetto a quella in condizioni di sole e il guadagno rispetto al fotovoltaico monofacciale può quindi essere maggiore rispetto alle condizioni soleggiate [5].

Costruzione di moduli BF

Costruzione cellulare

Le celle fotovoltaiche monofacciali sono generalmente costruite con uno strato riflettente sulla faccia posteriore della cella per consentire un migliore assorbimento della luce che cade sulla superficie anteriore. I fotoni che non vengono assorbiti nello strato anteriore possono essere assorbiti durante il viaggio di ritorno, aumentando così l'efficienza della cella. Ciò significa che i fotoni che viaggiano nella direzione opposta alla normale possono generare elettricità e se i fotoni che cadono sulla faccia posteriore possono entrare nella cella, possono essere usati efficacemente per generare elettricità. Ciò si ottiene rimuovendo parzialmente lo strato riflettente, che funge anche da conduttore (vedi Fig. 2).

Fig. 2: luce riflessa sul retro del pannello [3].

La riduzione dello strato conduttivo nella parte posteriore della cella aumenta la resistenza e sono necessari più conduttori nella parte posteriore della cella rispetto alla parte anteriore per compensare ciò. Ciò riduce l'area del retro della cella disponibile alle radiazioni.

La costruzione dei diversi tipi di celle fotovoltaiche è più complessa di quella mostrata e la conversione non è così semplice. Ci sono altri passaggi necessari per creare una cella BF che funzioni in modo efficiente. Sono emersi diversi progetti che utilizzano il principio BF. La maggior parte comporta la modifica di celle esistenti, ma ce ne sono molte che sono state progettate specificamente come cellule BF.

Due tipi di costruzione di celle bifacciali sono di uso comune nel mercato: l'eterogiunzione e la cella posteriore dell'emettitore passivato (PERC). Le cellule con eterogiunzione usano silicio monocristallino mentre la cella PERC è disponibile sia in versione mono che in silicio policristallino. Le cellule bifacciali sono più complesse da produrre e ciò si aggiunge al costo del modulo.

L'efficienza dell'illuminazione posteriore è inferiore all'illuminazione anteriore, come mostrato nella Tabella 2. Ciò è in gran parte dovuto all'aumento dell'area occupata dai conduttori sul retro della cella rispetto alla parte anteriore.

Costruzione del modulo

I pannelli di silicio cristallino monofacciale (MF) sono solitamente racchiusi in un incapsulante opaco sul retro, ma questo metodo non può essere utilizzato con i sistemi BF. Il modulo deve avere superfici posteriori e frontali trasparenti che forniscano resistenza meccanica. Inoltre, le celle devono essere racchiuse in uno strato di materiale protettivo. La configurazione più comune adottata è un doppio strato di vetro fotovoltaico che racchiude le celle che sono incapsulate in un materiale polimerico protettivo.

Per consentire alla luce di risplendere sul retro di una cellula bifacciale è necessario un foglio di backsheet trasparente resistente ai raggi UV o uno strato aggiuntivo di vetro solare. Nella maggior parte dei casi, come mostrato in Fig. 4, i produttori optano per un pacchetto vetro su vetro che generalmente migliora la durabilità del campo rispetto alle opzioni vetro su film. La confezione vetro-vetro è più rigida, il che riduce lo stress meccanico sulle celle durante il trasporto, la movimentazione e l'installazione, nonché lo stress dovuto a condizioni ambientali come vento o neve. La configurazione è anche meno permeabile all'acqua, il che può ridurre i tassi di degradazione annuali. I moduli bifacciali sono senza cornice. L'eliminazione del telaio in alluminio riduce efficacemente le opportunità di degrado indotto dal potenziale (PID) [3].

Fig. 3: La differenza tra le celle fotovoltaiche mono-facciali e bi-facciali.

Il montaggio a doppio vetro (DG) presenta una serie di vantaggi:

·          Riduzione della microcracking, delaminazione e corrosione dell'umidità.

·          Temperatura della cella inferiore

·          Nessun degrado indotto dal potenziale in quanto non vi è alcuna struttura metallica che richiede la messa a terra.

·          Minore tasso di degradazione

·          Più alto punteggio ignifugo.

·          Maggiore resistenza meccanica e minore flessione.

Prodotti di mercato

La tabella 3 elenca alcuni dei sistemi BF disponibili sul mercato al momento, con le loro caratteristiche.

Parametri di peformance

Diversi parametri sono utilizzati nel settore per descrivere le caratteristiche dei moduli solari BF.

Fattore di bifacciale

Questo è il rapporto tra efficienza lato posteriore e lato anteriore, o il rapporto tra la potenza anteriore e posteriore misurata in condizioni di test standard.

Guadagno bifacciale

Questa è una potenza aggiuntiva ottenuta dal retro del modulo rispetto alla potenza dalla parte anteriore del modulo in condizioni di test standard. Il guadagno bifacciale dipende dal montaggio (struttura, altezza, angolo di inclinazione e altro) e dall'albedo della superficie del terreno.

Fig. 4: Costruzione di un modulo BF doppio vetro.

Guadagno bifazziale = ( 𝑌𝐵𝑖 - 𝑌 ) / 𝑌𝑀𝑜

dove:

YB _i = l'alimentazione dal modulo BF.

YM _o = L'alimentazione da un modulo MF nelle stesse condizioni.

albedo

Questo è il rapporto tra la luce riflessa da una superficie e la luce incidente e varia con diversi tipi di superficie.

Fig. 5: Effetto dell'altezza sul guadagno BF. Albedo 80%, passo di fila 2,5 m [4].

Rapporto di copertura del terreno

Questo è il rapporto tra la superficie coperta dai moduli fotovoltaici e l'area totale occupata dall'installazione. Questo rapporto ha un effetto sulla luce riflessa e può influenzare le prestazioni del pannello BF.

Montaggio ottimale dei moduli BF

Poiché i moduli bifacciali assorbono la radiazione solare da entrambi i lati, offrono una varietà di opzioni di inclinazione e installazione e sono ideali per installazioni su terreni, tetti, aree deserte e innevate o applicazioni in acqua. I sistemi di montaggio progettati per ottimizzare retrodiffusione e riflessione dai tetti e dalle installazioni a terra sollevano la struttura sopra il terreno o il tetto per catturare più luce diffusa o riflessa.

Altezza e spaziatura della struttura

Sollevare la struttura sopra il terreno aumenta la quantità di radiazioni che raggiungono il retro del pannello e quindi migliora le prestazioni e il guadagno bifacciale. Aumentare la spaziatura tra le file migliora anche il guadagno bifacciale (vedi Fig. 6).

Fig. 6: Radiazione sul pannello BF montato verticalmente (Sanyo).

L'aumento di guadagno sembra appiattirsi ad un'altezza di circa 1 m. Aumentare l'altezza della struttura ha un effetto molto pronunciato sugli array di copertura del tetto, specialmente dove sono coinvolti tetti piani. Il pericolo di un aumento del carico del vento può essere un problema. Diversi produttori di strutture di montaggio hanno prodotto strutture sopraelevate per installazioni sia a terra che a tetto.

I guadagni ottenuti con l'aumento dell'altezza possono essere utilizzati in strutture aperte come i parcheggi e le aree di stoccaggio all'aperto, così come le aree di intrattenimento e ospitalità. L'incapsulante trasparente consente alla luce di filtrare attraverso il modulo.

Pannelli BF orientati verticalmente

Una delle applicazioni più interessanti che emergono dall'array BF è la possibilità di un array montato verticale. I pannelli BF montati verticalmente sono stati utilizzati efficacemente in passato come barriere luminose e luminose sulle autostrade. Un pannello montato verticalmente occupa molto meno spazio di un pannello orizzontale o inclinato. Esistono due opzioni, l'orientamento classico nord-sud e l'alternativa est-ovest.

Per abbinare meglio la domanda onsite con i profili di generazione FV durante il giorno, c'è una tendenza ad utilizzare un orientamento del pannello est-ovest, dove metà dei pannelli è inclinata verso est per creare un picco di generazione al mattino e la metà restante è inclinata verso ovest per consentire un altro picco di generazione nel pomeriggio (vedi Fig. 7). Questo profilo a doppio picco può essere più adatto all'utilizzo di elettricità in loco, in particolare per le installazioni residenziali e commerciali.

Fig. 7: Schema delle radiazioni giornaliere sui moduli BF est-ovest [5].

Questo approccio non convenzionale può fare un ulteriore passo in avanti se vengono utilizzati moduli bifacciali montati verticalmente a est-ovest, il che equivale a dimezzare il numero di moduli necessari per un'installazione equivalente. Questa configurazione produrrebbe nuovamente due picchi di generazione, ma trarrebbe vantaggio anche dalla luce diffusa aggiuntiva che entra nel modulo. I pannelli BF consentono un orientamento verticale est-ovest con potenziale per fornire una maggiore produzione di energia rispetto ai pannelli monofacciali.

Nell'orientazione nord-sud, il pannello anteriore riceve radiazioni dirette e diffuse e la parte posteriore del pannello riceve radiazioni diffuse. Nell'orientamento est-ovest con i lati opposti rivolti a est ea ovest, entrambi i lati ricevono radiazioni dirette e riflesse in diversi momenti della giornata (vedi Fig. 7). Al primo sito, il metodo di montaggio sembra essere inefficiente, poiché a mezzogiorno il sole è ad angolo retto rispetto ai pannelli e non dovrebbe esserci uscita. La produzione significativa è dovuta al fatto che sia la superficie anteriore che quella posteriore ricevono la quantità massima di radiazione diffusa e riflessa.

La radiazione ricevuta da un modulo dipenderà in larga misura dalla riflettività (albedo) degli oggetti vicini e dal terreno. Ciò è particolarmente importante per i moduli verticali intorno a mezzogiorno in estate, quando la luce diretta del raggio è più intensa, ma quando l'angolo del sole significa che il raggio di sole diretto ricevuto dai moduli è relativamente piccolo. Un pannello bifacciale verticale riduce l'accumulo di polvere e neve e fornisce due picchi di uscita durante il giorno, con il secondo picco allineato al picco del fabbisogno elettrico (vedi Fig. 8).

Fig. 8: Confronto tra le opzioni di montaggio [5].

Uno dei motivi per una maggiore produzione di energia è che la temperatura del modulo est-ovest è inferiore durante il periodo di massima irradianza, rispetto al modulo orientato a sud. Molte reti con elevate penetrazioni di energia solare hanno un'eccedenza di energia durante i periodi di produzione di picco di mezzogiorno e una carenza durante il periodo di bassa stagione. Spostando i picchi usando l'orientamento verticale est-ovest per il nuovo PV si ottiene una curva di produzione di energia più uniforme (vedi Fig. 9).

Prospettive future

Sebbene ci siano diversi progetti che utilizzano i moduli BF, la percentuale di moduli BF sul mercato è al momento molto piccola, ma si prevede che aumenterà in modo significativo in futuro con l'arrivo di più prodotti sul mercato e con più installazioni. Si prevede che il possibile miglioramento fino al 30% della produzione sarà molto più allettante dei pochi punti percentuali di aumento dell'efficienza che potrebbero essere raggiunti con lo sviluppo tecnologico.

Fig. 9: Crescita prevista nell'utilizzo delle cellule BF [1].

Riferimenti

[1] T Dullweber, et al: "Bifacciale PERC + celle solari: stato di implementazione industriale e prospettive future",     workshop bifiPV2017, Costanza, ottobre 2017.
[2] W Herman: "Caratteristiche prestazionali dei moduli fotovoltaici bifacciali e etichettatura energetica" , workshop bifiPV2017, Costanza, ottobre 2017.
[3] D Brearly: "Sistemi fotovoltaici bifacciali", rivista Solarpro numero 10.2, marzo / aprile '17
[4] Solarworld: " Come massimizzare il rendimento energetico con la tecnologia bifacciale", White paper SW9001US 160729
[5] EPRI: "Moduli fotovoltaici solari bifacciali", www.epri.com