Artykuły

Wstęp

Poszukiwanie efektywniejszych rozwiązań w pozyskiwaniu energii z odnawialnych źródeł energii wpływa na wzrost dostępnych na rynku rodzajów paneli fotowoltaicznych oraz ich sprawności na całym świecie. Obecne prace rozwojowe dotyczą poprawy ich sprawności, rozwoju technologii bifacial oraz optymalizacji produkcji ogniw.  Dwustronne panele posiadają dwie strony pokryte szkłem hartowanym lub folią przez co mogą absorbować światło zarówno z przodu jak i z tyłu paneli. W panelach bifacial następuje dwustronne pochłanianie fotonów przez co produkowana energia jest większa o 30% w porównaniu do tradycyjnych paneli jednostronnych. Jak wskazuje w swoich opracowaniach International Technology Roadmap for PV przyszłość należy do technologii bifacial. Zakłada się, że bifacjalne panele słoneczne z ogniwami bifacial zdominują rynek w ciągu najbliższych lat (rys. 1). Należy jednak podkreślić, że wciąż wymagany jest rozwój tej technologii na poziomie komórkowym, modułowym czy systemowym.

Na rosnącą popularność paneli bifacial wpływa również ich cena, która jest porównywalna z ich tradycyjnymi odpowiednikami. Choć istnieje wiele modułów bifacial bez ram, to jednak

zauważalna jest tendencja do powstawania paneli z ramami, co wiąże się z poprawą ich stabilności i ułatwieniu przy montażu. Istotne jest również, aby skrzynka przyłączeniowa była możliwie płytka, aby nie powodować cienia na tylnej stronie modułu. [1, 4, 5]

Technologia bifacial

Moduły dwustronne są znane i stosowane od lat sześćdziesiątych XX wieku, ale dopiero rozwój technologii PERC znacznie zwiększył ich wydajność oraz stworzył dla nich potencjał, by stały się rewolucyjnym graczem na rynku fotowoltaiki. Wyróżnia je zdolność do absorbowania promieniowania zarówno przednią jak i tylną częścią (rys. 2). Dodatkowo pobierana dawka promieniowania odbierana przez tylną część modułu sprawia, że generowana jest większa ilość prądu, co pozwala na uzyskanie większej mocy z ogniw o tej samej powierzchni.

Według wielu ekspertów ta technologia jest obecnie na dobrej drodze jako najnowszy trend w branży PV i wkrótce stanie się dominującym standardem. Instalacje PV na świecie
z modułami dwustronnymi w 2016 roku na świecie miały moc zaledwie 97 MW. W 2019 roku moc ta wzrosła do prawie 6 GW. W miarę zmniejszania się różnicy cenowej między technologią modułów dwustronnych a technologią jednostronną należy oczekiwać coraz większego udziału tej technologii w rynku (rys. 3). Wyniki dotychczasowych badań wykazały, że moduły dwustronne mogą wytwarzać dodatkową moc na poziomie 10–20% w porównaniu z modułami jednostronnymi. Jeśli natomiast warunki pracy takich modułów są zoptymalizowane i zastosowane są trackery np. jednoosiowe, dodatkowa moc może sięgać nawet 30-40%

Wzrost popularności instalacji fotowoltaicznych z modułami dwustronnymi na świecie wpłynął także na rynek polski. Technologie wykorzystywane w Azji i Europie zostały szybko ściągnięte do Polski na potrzeby rosnącego popytu na instalacje PV. Z czasem, kiedy liczba zainstalowanych instalacji fotowoltaicznych zaczęła z miesiąca na miesiąc ustanawiać nowe rekordy, instalatorzy i inwestorzy zaczęli szukać efektywniejszych technologii, które stawały się tańsze. Technologia modułów dwustronnych została przyjęta w Polsce z dużym entuzjazmem przez co wiele firm instalatorskich przewiduje znaczny udział modułów dwustronnych w instalacjach gruntowych i farmach fotowoltaicznych. Przykładem instalacji fotowoltaicznej wykorzystującej panele bifacjalne przedstawionej na rysunku jest farma w Sokołowie Małopolskim o mocy 2 MW. Konstrukcja wolnostojąca firmy RECA SOLAR została tak zaprojektowana, aby nie zacieniać paneli również z tylnej strony. Farma zajmuję obszar ok. 4 hektarów i składa się na nią 5970 sztuk modułów dwustronnych marki Tier-1 – ZNSHINE SOLAR o mocy 335 Wp. Cała instalacja jest skonfigurowana z falownikami Huawei w liczbie 16 szt. Nie jest to jedyna taka instalacja, ponieważ w planach są budowy kolejnych takich przedsięwzięć.

Nie tylko przedsiębiorcy decydują się na takie rozwiązanie, ponieważ coraz częściej inwestorami takich instalacji na gruncie stają się osoby prywatne, chętne być prosumentami. Miejsce na działce jest coraz częściej wykorzystywane pod instalacje naziemne, a wykorzystanie modułów dwustronnych może być rozwiązaniem problemu ograniczonego miejsca. Prosumenci tańszym kosztem mogą także wpływać na parametry działające na tylną powierzchnię modułu np. poprzez wysypanie terenu białym kamieniem pod konstrukcją instalacji.

Dla instalacji fotowoltaicznych jednym z najważniejszych parametrów wpływających na wydajność i pracę instalacji jest orientacja. Najlepszym rozwiązaniem dla instalacji fotowoltaicznej jest zorientowanie płaszczyzny modułów w stronę południową, ponieważ wtedy są najlepsze warunki sprzyjające zamianie promieniowania słonecznego na energię elektryczną dzięki zjawisku fotoelektrycznemu. W przypadku doboru kąta pochylenia - niskie charakteryzują się największymi dysproporcjami w produkcji energii między latem a zimą. 
Z kolei dla dużych kątów pochylenia ta różnica spada i w miesiącach zimowych produkcja energii jest 2 razy mniejsza niż w miesiącach letnich. Systemy z modułami skośnymi, które są optymalne dla paneli jedno i dwustronnych, charakteryzujące się wynikiem w najwyższej łącznej produkcji energii i odpowiednio najniższym LCOE. [7, 8, 9]

Współczynnik albedo

Albedo powierzchni to ułamek padającego światła słonecznego, które odbija się od powierzchni. Inaczej mówiąc jest to stosunek rozproszonego odbicia promieniowania słonecznego do całkowitego docierającego promieniowania słonecznego. Jest ono bezwymiarowe i wyrażane jako liczba od 0 do 1, gdzie 0 to całkowite odbicie, a 1 to całkowita absorpcja. Albedo z łaciny oznacza biel, czyli im powierzchnia jest bielsza tym ma wyższe albedo. Zdolność pochłaniania czy odbijania światła jest doskonale znana każdemu, ponieważ każdy miał doświadczenie i wie, że czarne powierzchnie na słońcu szybko się nagrzewają, czyli pochłaniają promieniowanie słoneczne np. asfalt roztapiający się na słońcu. Natomiast jasne czy białe powierzchnie chronią przed nagrzewaniem, ponieważ odbijają to promieniowanie, dlatego w upalne dni lepiej jest ubrać biały T-shirt a nie czarny.

Właściwości odbijania światła są bardzo zmienne dla różnych powierzchni. Wartości albedo mogą się w dużym stopniu różnić w zależności od lokalizacji. Im wyższe albedo określające dane podłoże tym więcej tego promieniowania dotrze do tylnej strony modułu PV. Na przykład zielona trawa ma albedo około 0,25, suchy piasek pustyni około 0,4, podczas gdy świeży, czysty śnieg ma więcej niż 0,8 co zostało przedstawione w tabeli poniżej. [6]

Tab. 1 Wartości współczynnika albedo wybranych powierzchni [13]

Rodzaj powierzchni	Wartość współczynnika odbicia albedo
Czarna ziemia	0,08-0,14
Grunt	0,07-0,20
Trawa	0,14-0,37
Piasek suchy	0,35-0,45
Piasek mokry	0,20-0,30
Beton	0,20-0,35
Asfalt	0,05-0,20
Śnieg świeży	0,80-0,95
Śnieg zleżały	0,42-0,70

Rozwój energetyki rozproszonej w Polsce

W ostatnim czasie szczególnie mocno kładziony jest nacisk na rozwój energetyki rozproszonej na całym świecie. Wynika to przede wszystkim z potrzeby zmian w świetle obecnego kryzysu w dostawie surowców, ale przede wszystkim ze zwiększonej świadomości ludności o możliwości wykorzystania lokalnych źródeł energii oraz coraz niższych cen instalacji OZE. Decentralizowane produkowanie energii charakteryzuje się mniejszymi stratami w sieci elektrycznej, zwiększoną niezawodnością, a przede wszystkim z mniejszą emisją gazów cieplarnianych. Rozproszone instalacje są istotnym elementem inteligentnych sieci - ang. smart grids (rys. 4), które umożliwiają prace sieci w tzw. trybie wyspowym. Znaczy to, że wytwarzane lokalnie ciepło czy energia elektryczna dostarczana jest do zlokalizowanych w pobliżu odbiorców.

Rozwój polskich sieci elektroenergetycznych w zakresie smart-grid wymaga bardzo dużych nakładów finansowych. Istotne jest zwiększenie niezawodności sieci w zakresie dostaw, możliwość przyłączenia znacznie większej ilości mikroinstalacji oraz skrócenie ciągów liniowych poprzez budowę nowych stacji mających na celu zmniejszenie napięć zauważalnych na ich końcach. Ponadto powinno się wymienić transformatory na takie, które charakteryzują się niskimi stratami i posiadają automatyczną regulacje napięcia. Ważne jest również powstawanie coraz to większej ilości farm wiatrowych czy fotowoltaicznych. Dlatego tak ważne jest poszukiwanie niskoemisyjnych, wysokoefektywnych rozwiązań w tym zakresie [5, 11, 12].

Podsumowanie

Technologia modułów dwustronnych, nazywanych też z języka angielskiego bifacjalnymi, wnosi na szybko rozwijający się rynek fotowoltaiczny nowy trend oraz inne spojrzenie na projektowanie instalacji PV. Dotychczas projektowanie instalacji fotowoltaicznych nie różniło się bardzo od siebie, a parametry jakie należało spełniać były obecne dla każdego rodzaju lub technologii modułów fotowoltaicznych. Natomiast rozwój i światowe dążenie producentów paneli PV do jak najwyższych sprawności oraz efektywności, doprowadziło do nowej technologii, która zmienia rolę terenu i środowiska otaczającego instalację co znacząco podwyższa produkcję energii elektrycznej. Do najważniejszych czynników wpływających na współczynnik zwiększonego uzysku energii w systemach PV z modułami dwustronnymi można zaliczyć:

- albedo, czyli zdolność powierzchni podłoża, na którym zainstalowany jest system, do odbijania promieniowania słonecznego,

- stopień zanieczyszczenia podłoża (wpływa na jego albedo),

- wysokość zamocowania modułów ponad gruntem,

- orientacja (ukierunkowanie) płaszczyzny modułu,

- kąt pochylenia modułu,

- odległość między modułami,

- GCR (ang. Ground-coverage ratio) – wskaźnik pokrycia gruntu,

- promieniowanie rozproszone DHI,

- zacienienie (również z tzw. samozacienieniem) oraz nierównomierne oświetlenie tylnej powierzchni modułów (puszka przyłączeniowa, elementy konstrukcji montażowej itp.).       

Jeden moduł dwustronny który został umieszczony w systemie PV zaprojektowanym zgodnie z opisanymi w pracy zasadami jest w stanie wyprodukować więcej energii elektrycznej dzięki jego tylnej stronie absorbującej promieniowanie odbite od podłoża. Zgodnie z wcześniejszymi ustaleniami oraz wiedzą o tym, że trawiasty teren niepotrzebujący specjalnego przygotowanie także odbija promienie słoneczne, można stwierdzić, że moduły dwustronne charakteryzują się wyższą efektywnością działania w porównaniu do klasycznych modułów PV.