Bifacial Solar Panels bieten ein erhöhtes Leistungspotential

Ab: 9. Mai 2018, Veröffentlicht in Articles: Energize, von Mike Rycroft, EE Publishers

Reflektierte und diffuse Strahlung auf der Rückseite von Solarmodulen kann die Leistung von Solarmodulen ohne wesentliche Effizienzverbesserungen steigern.

Bifacial-Solarzellen (BF) waren in der Vergangenheit auf den Bau integrierter PV-Anwendungen oder in Gebieten ausgerichtet, in denen ein Großteil der verfügbaren Sonnenenergie diffuses Sonnenlicht ist, das vom Boden und den umgebenden Objekten reflektiert wurde, dh in extremen Breiten und schneeanfälligen Regionen. Die Kombination von Plateauing-Spitzenwirkungsgraden von Standard-Solarzellen mit Siebdruck und signifikanten Kostensenkungen bei Solarglas in den letzten Jahren, die den Einsatz von Dual-Glass-Verguss (DG) möglich macht, hat bifaciale Solarmodule jedoch wieder in den Fokus gerückt. [2] .

Ziel der BF-Technologie ist es nicht, den Wirkungsgrad des Solarmoduls oder Panels zu steigern, sondern mehr Solarenergie pro Modul zu gewinnen. In Abhängigkeit von Faktoren wie dem Reflexionsvermögen der Bodenoberfläche, der Höhe über dem Boden, dem Neigungswinkel und einigen anderen Faktoren werden Gewinne von bis zu 30% projiziert. Die vom Modul empfangene Strahlung besteht aus mehreren Komponenten:

1. Direkte Sonneneinstrahlung.

2. Indirekte diffuse Strahlung durch Luftpartikel, Wolken und andere.

3. Reflektierte Strahlung von Oberflächen in der Nähe des Solarmoduls.

Reflektierte Strahlung wird bei der Berechnung der Sonnenenergie im Allgemeinen nicht berücksichtigt. Diffuse Strahlungsmessungen beziehen sich auf Strahlungsquellen oberhalb der horizontalen Ebene. Die übliche Methode zur Messung der Sonnenstrahlung verwendet ein Pyranometer, das horizontal montiert ist und nur Strahlung über der horizontalen Ebene misst. Selbst in einer geneigten Konfiguration misst das Pyranometer keine Strahlung unterhalb der Messebene (siehe Abb. 1).

Abb. 1: Messung der Sonnenstrahlung mit einem Pyranometer.

Diffuse Strahlung kann einen erheblichen Teil der Gesamtstrahlung ausmachen, ein Großteil davon wird jedoch nicht in einem geneigten oder horizontal montierten Modul erfasst. Das Kippen des Moduls erhöht die Intensität der direkten Strahlung, blockiert jedoch einen großen Teil der indirekten Strahlung. Diffuse Strahlung ist von Natur aus isoptrop, dh sie hat unabhängig von der Quelle den gleichen Wert, wohingegen reflektierte Strahlung von der Art der das Solarfeld umgebenden Oberfläche, dem Winkel des Feldes und anderen Faktoren abhängt. Die Frontplatte empfängt sowohl direkte als auch diffuse Strahlung, wobei das Verhältnis vom Neigungswinkel der Platte abhängt.

Die Rückseite des Moduls erhält Licht von zwei Quellen:

·          Nahfeldstreuung: reflektierte direkte und diffuse Strahlung.

·          Diffuse Strahlung: nicht reflektierte Strahlung direkt von diffusen Quellen.

Unterschiedliche Oberflächen reflektieren Licht unterschiedlich schnell und die Reflexionseigenschaften werden durch den Albedofaktor beschrieben. Die Albedo beschreibt das Reflexionsvermögen einer nicht leuchtenden Oberfläche - es wird durch das Verhältnis zwischen dem von der Oberfläche reflektierten Licht und der einfallenden Strahlung bestimmt. In Tabelle 1 sind einige Werte der gemessenen Albedo aufgeführt. [2]

Das Verhältnis von diffusem zu direktem Licht hängt von den Bedingungen ab. Bei geringer Strahlungsdichte aufgrund von Wolken ist der Prozentsatz des diffusen Lichts höher als unter sonnigen Bedingungen und der Gewinn im Vergleich zu monofazialer PV kann daher höher sein als unter sonnigen Bedingungen [5].

Konstruktion von BF-Modulen

Zellaufbau

Monofaziale PV-Zellen werden normalerweise mit einer reflektierenden Schicht auf der Rückseite der Zelle konstruiert, um eine bessere Absorption des auf die Vorderseite fallenden Lichts zu ermöglichen. Photonen, die nicht in der vorderen Schicht absorbiert werden, können auf dem Rückweg absorbiert werden, wodurch die Effizienz der Zelle erhöht wird. Dies bedeutet, dass Photonen, die sich in die entgegengesetzte Richtung wie normal bewegen, Elektrizität erzeugen können. Wenn Photonen, die auf die Rückseite fallen, in die Zelle eindringen können, können sie effektiv zur Erzeugung von Elektrizität verwendet werden. Dies wird erreicht, indem die reflektierende Schicht, die auch als Leiter fungiert, teilweise entfernt wird (siehe 2).

Abb. 2: Auf der Rückseite des Panels reflektiertes Licht [3].

Die Reduzierung der leitenden Schicht auf der Rückseite der Zelle erhöht den Widerstand und es sind mehr Leiter auf der Rückseite der Zelle als auf der Vorderseite erforderlich, um dies zu kompensieren. Dies verringert die Fläche der Rückseite der Zelle, die der Strahlung zur Verfügung steht.

Der Aufbau der verschiedenen Arten von PV-Zellen ist komplexer als der gezeigte und die Umwandlung ist nicht ganz so einfach. Es sind andere Schritte erforderlich, um eine BF-Zelle herzustellen, die effizient arbeitet. Es sind mehrere Entwürfe entstanden, die das BF-Prinzip verwenden. Die meisten betreffen die Modifikation bestehender Zellen, aber es gibt einige, die speziell als BF-Zellen konzipiert wurden.

Zwei Arten des Bifacial Cell-Aufbaus sind auf dem Markt üblich: die Heteroübergangs- und die Passivated Emitter Rear Cell (PERC). Heteroübergangszellen verwenden monokristallines Silizium, während die PERC-Zelle sowohl in mono- als auch in polykristalliner Siliziumversion erhältlich ist. Bifacial Zellen sind komplexer in der Herstellung und dies erhöht die Kosten des Moduls.

Die Effizienz der hinteren Beleuchtung ist geringer als die der vorderen Beleuchtung, wie in Tabelle 2 gezeigt. Dies ist hauptsächlich auf die vergrößerte Fläche zurückzuführen, die die Leiter auf der Rückseite der Zelle im Vergleich zur Vorderseite einnehmen.

Modulbauweise

Monofaziale (MF) kristalline Siliziumplatten sind normalerweise auf der Rückseite mit einer undurchsichtigen Verkapselung versehen. Diese Methode kann jedoch nicht mit BF-Systemen verwendet werden. Das Modul muss eine transparente Rückseite und eine transparente Vorderseite haben, die für mechanische Festigkeit sorgen. Außerdem müssen die Zellen in einer Schicht aus Schutzmaterial eingeschlossen sein. Die gebräuchlichste Konfiguration ist eine Doppelschicht aus Photovoltaikglas, die die Zellen einschließt, die in einem schützenden Polymermaterial eingekapselt sind.

Es ist entweder ein UV-beständiges transparentes Rückseitenmaterial oder eine zusätzliche Schicht aus Solarglas erforderlich, damit Licht auf die Rückseite einer Bifacial-Zelle scheint. In den meisten Fällen entscheiden sich die Hersteller, wie in Abb. 4 dargestellt, für eine Glas-auf-Glas-Verpackung, die im Vergleich zu Glas-auf-Film-Optionen die Lebensdauer des Feldes im Allgemeinen verbessert. Die Glas-auf-Glas-Verpackung ist steifer, was die mechanische Beanspruchung der Zellen während des Transports, der Handhabung und der Installation sowie die Beanspruchung durch Umgebungsbedingungen wie Wind oder Schnee verringert. Die Konfiguration ist auch für Wasser weniger durchlässig, was die jährlichen Abbauraten verringern kann. Bifacial Module sind rahmenlos. Durch den Wegfall des Aluminiumrahmens werden die Chancen für eine potenziell induzierte Degradation (PID) effektiv verringert [3].

Abb. 3: Der Unterschied zwischen monofazialen und biofazialen PV-Zellen.

Die Doppelglasmontage (DG) bietet eine Reihe von Vorteilen:

·          Verringerung von Mikrorissen, Delamination und Feuchtigkeitskorrosion.

·          Senken Sie die Zelltemperatur.

·          Keine potenziell induzierte Verschlechterung, da kein Metallrahmen geerdet werden muss.

·          Geringere Abbaurate.

·          Höhere Brandschutzklasse.

·          Höhere mechanische Festigkeit und weniger Biegung.

Produkte vermarkten

In Tabelle 3 sind einige der derzeit auf dem Markt erhältlichen BF-Systeme mit ihren Merkmalen aufgeführt.

Leistungsparameter

In der Industrie werden verschiedene Parameter verwendet, um die Eigenschaften von BF-Solarmodulen zu beschreiben.

Bifaciality-Faktor

Dies ist das Verhältnis zwischen den Wirkungsgraden der Rückseite und der Vorderseite oder das Verhältnis der Leistung von vorne zu hinten, gemessen unter Standardtestbedingungen.

Bifazialer Gewinn

Dies ist eine zusätzliche Leistung, die von der Rückseite des Moduls bezogen wird, verglichen mit der Leistung von der Vorderseite des Moduls bei Standardtestbedingungen. Der bifaziale Gewinn hängt von der Befestigung (Struktur, Höhe, Neigungswinkel und andere) und der Albedo der Bodenoberfläche ab.

Abb. 4: Aufbau eines Doppelglas-BF-Moduls.

Bifacial gain = ( 𝑌𝐵𝑖 - 𝑌 ) / 𝑌𝑀𝑜

woher:

YB _i = Die Leistung vom BF-Modul.

YM _o = Die Leistung eines MF-Moduls unter den gleichen Bedingungen.

Albedo

Dies ist das Verhältnis von Licht, das von einer Oberfläche reflektiert wird, zum einfallenden Licht und variiert mit verschiedenen Oberflächentypen.

Abb. 5: Einfluss der Höhe auf die BF-Verstärkung. Albedo 80%, Reihenabstand 2,5 m [4].

Bodendeckungsgrad

Dies ist das Verhältnis der von den PV-Modulen bedeckten Grundfläche zur von der Anlage belegten Gesamtgrundfläche. Dieses Verhältnis wirkt sich auf das reflektierte Licht aus und kann die Leistung des BF-Panels beeinflussen.

Optimale Montage von BF-Modulen

Da Bifacial-Module Sonnenstrahlung von beiden Seiten absorbieren, ermöglichen sie eine Vielzahl von Neigungs- und Installationsoptionen und sind ideal für Installationen auf erhöhtem Boden, auf Dächern, in Wüsten- und Schneegebieten oder auf dem Wasser. Montagesysteme zur Optimierung der Rückstreuung und Reflexion von Dächern und Bodeninstallationen heben die Struktur über den Boden oder das Dach, um mehr gestreutes oder reflektiertes Licht einzufangen.

Strukturhöhe und -abstand

Das Erhöhen der Struktur über dem Boden erhöht die Menge der Strahlung, die die Rückseite der Platte erreicht, und verbessert so die Leistung und den bifazialen Gewinn. Ein größerer Abstand zwischen den Reihen verbessert auch die bifaziale Verstärkung (siehe Abb. 6).

Abb. 6: Strahlung auf vertikal montiertem BF-Panel (Sanyo).

Die Zunahme der Verstärkung scheint sich in einer Höhe von etwa 1 m zu verflachen. Das Erhöhen der Struktur wirkt sich sehr stark auf Dachmontagearrays aus, insbesondere bei Flachdächern. Die Gefahr einer erhöhten Windlast kann ein Problem sein. Mehrere Hersteller von Montagestrukturen haben erhöhte Strukturen sowohl für Boden- als auch für Dachinstallationen hergestellt.

Die mit zunehmender Höhe erzielten Gewinne können in offenen Schuppenstrukturen wie Parkplätzen und Freiluftlagerschächten sowie in Unterhaltungs- und Bewirtungsbereichen gut genutzt werden. Die transparente Einkapselung lässt etwas Licht durch das Modul filtern.

Vertikal ausgerichtete BF-Paneele

Eine der interessantesten Anwendungen, die sich aus dem BF-Array ergeben, ist die Möglichkeit eines vertikal montierten Arrays. Vertikal montierte BF-Paneele wurden in der Vergangenheit effektiv als Schall- und Lichtschranken auf Autobahnen eingesetzt. Eine vertikal montierte Platte benötigt viel weniger Platz als eine horizontale oder geneigte Platte. Es gibt zwei Optionen, die klassische Nord-Süd-Ausrichtung und die alternative Ost-West-Ausrichtung.

Um die Nachfrage vor Ort besser mit den PV-Erzeugungsprofilen des Tages abzustimmen, wird tendenziell eine Ost-West-Ausrichtung verwendet, bei der die Hälfte der Paneele nach Osten geneigt ist, um morgens einen Erzeugungsspitzenwert zu erzeugen, und die andere Hälfte nach Westen Nachmittags einen weiteren Generationspeak einplanen (siehe Abb. 7). Dieses Doppelspitzenprofil passt besser zum Stromverbrauch vor Ort, insbesondere für private und gewerbliche Installationen.

Abb. 7: Tägliches Strahlungsmuster auf Ost-West-BF-Modulen [5].

Dieser unkonventionelle Ansatz kann noch einen Schritt weiter gehen, wenn vertikal montierte, nach Osten und Westen gerichtete Bifacial-Module verwendet werden, die die Anzahl der für eine äquivalente Installation erforderlichen Module mehr als halbieren würden. Diese Konfiguration würde wiederum zwei Generationsspitzen erzeugen, aber auch vom zusätzlichen diffusen Licht profitieren, das in das Modul eintritt. BF-Paneele ermöglichen eine vertikal montierte Ost-West-Ausrichtung mit dem Potenzial, eine höhere Energieproduktion als monofaziale Paneele zu erzielen.

In der Nord-Süd-Ausrichtung empfängt die Frontplatte direkte und diffuse Strahlung und die Rückseite der Platte diffuse Strahlung. In der Ost-West-Ausrichtung mit gegenüberliegenden Seiten nach Osten und Westen empfangen beide Seiten zu verschiedenen Tageszeiten direkte und reflektierte Strahlung (siehe Abb. 7). Auf den ersten Blick scheint die Montagemethode ineffizient zu sein, da die Sonne mittags im rechten Winkel zu den Paneelen steht und keine Leistung abgegeben werden sollte. Eine signifikante Leistung ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass sowohl die Vorder- als auch die Rückseite die maximale Menge an diffuser und reflektierter Strahlung empfangen.

Die von einem Modul empfangene Strahlung hängt in hohem Maße vom Reflexionsvermögen (Albedo) von Objekten in der Nähe und vom Boden ab. Dies ist besonders wichtig für vertikale Module um die Mittagszeit im Sommer, wenn die direkte Sonneneinstrahlung am intensivsten ist, der Sonnenwinkel jedoch bedeutet, dass die von den Modulen empfangene direkte Sonneneinstrahlung relativ klein ist. Ein vertikales Bifacial Panel reduziert die Staub- und Schneeansammlung und liefert tagsüber zwei Leistungsspitzen, wobei die zweite Spitze auf den Spitzenstrombedarf ausgerichtet ist (siehe Abb. 8).

Abb. 8: Vergleich der Montagemöglichkeiten [5].

Einer der Gründe für eine höhere Energieerzeugung ist, dass die Temperatur des Ost-West-Moduls während der Zeit maximaler Bestrahlung im Vergleich zum nach Süden ausgerichteten Modul niedriger ist. Viele Netze mit hoher Sonneneinstrahlung haben in der Mittagspause einen Energieüberschuss und in der Nebensaison einen Mangel. Durch Verschieben der Spitzen mithilfe der vertikalen Ausrichtung von Ost nach West für neue PV wird eine gleichmäßigere Energieproduktionskurve erzielt (siehe Abb. 9).

Zukunftsaussichten

Obwohl es mehrere Projekte gibt, in denen BF-Module verwendet werden, ist der Anteil der BF-Module auf dem Markt derzeit sehr gering, es wird jedoch erwartet, dass er in Zukunft erheblich zunimmt, wenn mehr Produkte auf den Markt kommen und mehr Installationen durchgeführt werden. Die mögliche Leistungssteigerung von bis zu 30% dürfte weitaus attraktiver sein als die wenigen Prozentpunkte Effizienzsteigerung, die mit der Technologieentwicklung erzielt werden könnten.

Abb. 9: Erwartete Zunahme der Nutzung von BF-Zellen [1].

Verweise

[1] T Dullweber et al .: "Bifacial PERC + Solarzellen: Stand der industriellen Umsetzung und Zukunftsperspektiven",     Workshop bifiPV2017, Konstanz, Oktober 2017.
[2] W Herman: „Leistungsmerkmale bifacialer PV-Module und Leistungskennzeichnung“ , Workshop bifiPV2017, Konstanz, Oktober 2017.
[3] D Brearly: „Bifacial PV Systems“, Solarpro- Magazin, Ausgabe 10.2, März / April '17
[4] Solarworld: „ So maximieren Sie den Energieertrag mit der Bifacial-Technologie“, Whitepaper SW9001US 160729
[5] EPRI: "Bifacial Solar PV Module", www.epri.com