Logotyp

Technologia bifacial – sposób na produkowanie więcej energii

data publikacji: 06 grudnia 2022

Ocena

0
(0)

Rosnąca popularność paneli dwustronnych na świecie jest również zauważalnaw Polsce. Poszukiwanie bardziej efektywnych, a zarazem opłacalnych rozwiązań w branży PV otwiera furtkę do powstawania coraz większej ilości instalacji z tym właśnie rodzajem paneli. W artykule omówiono rynek modułów bifacial wraz z perspektywami rozwoju w najbliższych latach, scharakteryzowano technologie oraz omówiono główne czynniki wpływające na poprawę zysków energetycznych z pracy paneli w tym współczynnika albedo.

Autor: Patrycja Walichnowska

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.

Rys. 1 Prognozy udziału paneli bifacial i monofacial na rynku fotowoltaicznym wg.ITRPV 2020 [4]

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.

Rys. 2 Idea działania systemy modułów dwustronnych [9]

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%

Rys. 3 Spadek cen modułów na światowym rynku oraz relacja ceny modułów dwustronnych (bifacial) oraz klasycznych (monofacial) [10]

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 powierzchniWartość współczynnika odbicia albedo
Czarna ziemia0,08-0,14
Grunt0,07-0,20
Trawa0,14-0,37
Piasek suchy0,35-0,45
Piasek mokry0,20-0,30
Beton0,20-0,35
Asfalt0,05-0,20
Śnieg świeży0,80-0,95
Śnieg zleżały0,42-0,70

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.

Rys. 4 Schemat prezentujący smart-grid [12]

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.

Artykuł powstał dzięki wsparciu firmy ONDE w ramach I edycji Programu Grantowego SOFIA.





Bibliografia

Instytut Energetyki Odnawialnej (2022), Rynek Fotowoltaiki w Polsce 2022

Kopecek R., Libal J. (2021) Bifacial Photovoltaics 2021: Status, Opportunities and Challenges Energies 2021, 14, 2076.

Gostein M., Marion B., Stueve B. (2020) Spectral Effects in Albedo and Rearside Irradiance Measurement for Bifacial Performance Estimation, 2020 47th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC), 2020, pp. 0515-0519,

Y. Seo et al. (2019) Effect of Front Irradiance and Albedo on Bifacial Gain in 1.8kW Bifacial Silicon Photovoltaic System, 2019 IEEE 46th Photovoltaic Specialists Conference (PVSC), 2019, pp. 1298-1301,

https://www.gov.pl/web/rozwoj-technologia/energetyka-prosumencka-i-rozproszona (dostęp: wrzesień 2022)

https://www.kippzonen.com/News/847/Albedo-measurement-for-bifacial-PV-modules#.X9pW0NhKjcv (dostęp: wrzesień 2022)

https://www.gramwzielone.pl/wyszukiwanie?search=bifacial (dostęp: wrzesień 2022)

KESCO Energy Sp. z o. o. – www.kescoenergy.eu (dostęp: wrzesień 2022)

https://tdaenergy.pl/blog/ibc-interdigitated-back-contact-technologia-ogniw-slonecznych/ (dostęp: wrzesień 2022)

https://pv-magazine-usa.com/2020/08/19/bifacial-modules-the-challenges-and-advantages/?utm_source=pv%20magazine%20India&utm_medium=Bibblio&utm_campaign=Network&fbclid=IwAR2_B1ZUx-ETjm8FnJjAKVsXTqZV1buropSf4rRT-J0eekoMHrJA7MQ2Yzg (dostęp: wrzesień 2022)

https://www.gramwzielone.pl/trendy/730/generacja-rozproszona-przyszloscia-energetyki (dostęp: wrzesień 2022)

https://appliedenergyscience.lbl.gov/electricity-grid (dostęp: wrzesień 2022)

http://www.instsani.pl/450/wielkosc-energii-docierajacej-do-kolektora (dostęp: wrzesień 2022)

Komentarze

Zaloguj się, aby móc komentować

Brak komentarzy

Dodaj ocenę

Średnia ocena: 0 / 5. Ilość głosów: 0

No votes so far! Be the first to rate this post.

Podobne artykuły