Tấm pin mặt trời Bifacial tăng tiềm năng sản lượng điện

Từ: ngày 9 tháng 5 năm 2018, được đăng trong các bài viết: Energize, bởi Mike Rycroft, EE Publishers

Bức xạ phản xạ và khuếch tán ở mặt trái của các mô-đun năng lượng mặt trời có thể làm tăng sản lượng điện của các mô-đun năng lượng mặt trời mà không cần cải thiện hiệu quả lớn.

Trong lịch sử, pin mặt trời hai chiều (BF) được nhắm mục tiêu xây dựng các ứng dụng PV tích hợp hoặc trong các khu vực có nhiều năng lượng mặt trời có sẵn là ánh sáng mặt trời khuếch tán khỏi mặt đất và các vật thể xung quanh, ví dụ như các vùng cực đoan và tuyết. Tuy nhiên, sự kết hợp giữa hiệu suất cực đại của pin mặt trời từ pin mặt trời in màn hình tiêu chuẩn và giảm đáng kể chi phí của kính mặt trời trong những năm gần đây khiến việc sử dụng kính hai mặt (DG) trở nên khả thi đã đẩy các mô-đun năng lượng mặt trời trở lại nổi bật [2] .

Mục đích của công nghệ BF không phải là tăng hiệu quả của mô-đun hoặc bảng điều khiển năng lượng mặt trời mà là thu được nhiều năng lượng mặt trời hơn trên mỗi mô-đun. Lợi nhuận lên tới 30% được dự kiến, tùy thuộc vào các yếu tố như độ phản xạ của mặt đất, chiều cao so với mặt đất, góc nghiêng và một số yếu tố khác. Bức xạ mà mô-đun nhận được bao gồm một số thành phần:

1. Bức xạ trực tiếp từ mặt trời.

2. Bức xạ khuếch tán gián tiếp gây ra bởi các hạt không khí, mây và những thứ khác.

3. Bức xạ phản xạ từ các bề mặt gần với mô-đun năng lượng mặt trời.

Bức xạ phản xạ thường không được tính đến trong các tính toán năng lượng mặt trời. Các phép đo bức xạ khuếch tán đề cập đến các nguồn bức xạ trên mặt phẳng ngang. Phương pháp thông thường để đo bức xạ mặt trời sử dụng một pyranometer được gắn theo chiều ngang và chỉ đo bức xạ trên mặt phẳng ngang. Ngay cả trong cấu hình nghiêng, pyranometer sẽ không đo được bức xạ bên dưới mặt phẳng đo (xem hình 1).

Hình 1: Đo bức xạ mặt trời bằng nhiệt kế kế.

Bức xạ khuếch tán có thể đóng góp một lượng đáng kể trong tổng lượng bức xạ nhưng phần lớn trong số này sẽ không bị bắt trong mô-đun được đặt nghiêng hoặc nằm ngang. Nghiêng mô-đun làm tăng cường độ của bức xạ trực tiếp nhưng chặn một phần lớn bức xạ gián tiếp. Bức xạ khuếch tán có tính chất đẳng hướng, nghĩa là nó có cùng giá trị không phân biệt nguồn phát trong khi bức xạ phản xạ sẽ phụ thuộc vào bản chất của bề mặt xung quanh mảng mặt trời, góc của mảng và các yếu tố khác. Bảng điều khiển phía trước sẽ nhận được cả bức xạ trực tiếp và khuếch tán, tỷ lệ tùy thuộc vào góc nghiêng của bảng điều khiển.

Phía sau của mô-đun sẽ nhận được ánh sáng từ hai nguồn:

·          Phân tán trường gần: bức xạ phản xạ trực tiếp và khuếch tán.

·          Bức xạ khuếch tán: bức xạ không phản xạ trực tiếp từ các nguồn khuếch tán.

Các bề mặt khác nhau phản chiếu ánh sáng ở các tốc độ khác nhau và tính chất phản xạ được mô tả bởi hệ số albedo. Các albedo mô tả độ phản xạ của một bề mặt không phát sáng - nó được xác định bởi tỷ lệ giữa ánh sáng phản xạ từ bề mặt và bức xạ ngẫu nhiên. Xem Bảng 1 để biết một số giá trị của suất phản chiếu được đo [2]

Tỷ lệ ánh sáng khuếch tán so với ánh sáng trực tiếp sẽ thay đổi theo điều kiện. Do bức xạ thấp do mây, tỷ lệ ánh sáng khuếch tán sẽ cao hơn trong điều kiện nắng và mức tăng so với PV đơn sắc có thể cao hơn trong điều kiện nắng [5].

Xây dựng các mô-đun BF

Xây dựng tế bào

Các tế bào PV monofacial thường được xây dựng với một lớp phản chiếu ở mặt sau của tế bào để cho phép hấp thụ ánh sáng tốt hơn trên bề mặt trước. Các photon không được hấp thụ ở lớp trước có thể được hấp thụ trong chuyến trở về, do đó làm tăng hiệu quả của tế bào. Điều này có nghĩa là các photon truyền theo hướng ngược lại với bình thường có thể tạo ra điện và nếu các photon rơi vào mặt sau có thể được phép đi vào tế bào, chúng có thể được sử dụng hiệu quả để tạo ra điện. Điều này đạt được bằng cách loại bỏ một phần lớp phản chiếu, cũng hoạt động như một dây dẫn (xem hình 2).

Hình 2: Ánh sáng phản chiếu ở phía sau bảng [3].

Giảm lớp dẫn điện ở phía sau của tế bào làm tăng điện trở và cần nhiều dây dẫn ở phía sau của tế bào hơn ở phía trước để bù cho điều này. Điều này làm giảm diện tích phía sau của tế bào có sẵn cho bức xạ.

Việc xây dựng các loại tế bào PV khác nhau phức tạp hơn so với hiển thị và việc chuyển đổi không hoàn toàn đơn giản. Có các bước khác cần thiết để tạo một tế bào BF hoạt động hiệu quả. Một số thiết kế đã xuất hiện trong đó sử dụng nguyên tắc BF. Hầu hết liên quan đến sửa đổi các ô hiện có, nhưng có một số được thiết kế riêng như các ô BF.

Hai loại xây dựng tế bào hai chiều đang được sử dụng phổ biến trên thị trường: dị thể và tế bào phía sau bộ phát thụ động (PERC). Các tế bào dị thể sử dụng silicon đơn tinh thể trong khi tế bào PERC có sẵn trong cả hai phiên bản silicon đơn và đa tinh thể. Các tế bào Bifacial phức tạp hơn để sản xuất và điều này làm tăng thêm chi phí của mô-đun.

Hiệu quả của việc chiếu sáng phía sau thấp hơn so với chiếu sáng phía trước, như trong Bảng 2. Điều này phần lớn là do diện tích tăng của các dây dẫn ở phía sau của tế bào so với phía trước.

Xây dựng mô-đun

Các tấm silicon tinh thể monofacial (MF) thường được bọc trong chất đóng gói mờ ở phía sau nhưng phương pháp này không thể được sử dụng với các hệ thống BF. Các mô-đun phải có mặt sau và mặt trong suốt cung cấp độ bền cơ học. Ngoài ra, các tế bào phải được bao bọc trong một lớp vật liệu bảo vệ. Cấu hình phổ biến nhất được áp dụng là một lớp thủy tinh quang điện hai lớp bao quanh các tế bào được bọc trong một vật liệu polymer bảo vệ.

Hoặc là một vật liệu tấm trong suốt chống tia cực tím hoặc một lớp kính mặt trời bổ sung được yêu cầu để cho phép ánh sáng chiếu vào phía sau của một tế bào hai chiều. Trong hầu hết các trường hợp, như trong Hình 4, các nhà sản xuất lựa chọn gói kính trên kính thường cải thiện độ bền trường so với các tùy chọn trên phim. Gói thủy tinh trên kính cứng hơn, giúp giảm căng thẳng cơ học lên các tế bào trong quá trình vận chuyển, xử lý và lắp đặt, cũng như căng thẳng do các điều kiện môi trường như gió hoặc tuyết. Cấu hình cũng ít thấm nước hơn, có thể làm giảm tỷ lệ xuống cấp hàng năm. Các mô-đun Bifacial là không khung. Loại bỏ khung nhôm có hiệu quả làm giảm cơ hội cho sự xuống cấp do tiềm năng (PID) [3].

Hình 3: Sự khác biệt giữa các tế bào PV đơn mặt và hai mặt.

Gắn kính kép (DG) có một số lợi thế:

·          Giảm vi nứt, phân tách và ăn mòn độ ẩm.

·          Nhiệt độ tế bào thấp hơn.

·          Không có suy thoái gây ra tiềm năng vì không có khung kim loại yêu cầu nối đất.

·          Tỷ lệ xuống cấp thấp hơn.

·          Đánh giá flameproof cao hơn.

·          Độ bền cơ học cao hơn và ít uốn hơn.

Sản phẩm thị trường

Bảng 3 liệt kê một số hệ thống BF hiện có trên thị trường, với các đặc điểm của chúng.

Thông số Peformance

Một số tham số được sử dụng trong ngành để mô tả các đặc tính của mô-đun năng lượng mặt trời BF.

Yếu tố hai chiều

Đây là tỷ lệ giữa hiệu suất của mặt sau và mặt trước, hoặc tỷ lệ của mặt trước so với công suất phía sau được đo trong các điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn.

Lợi ích hai chiều

Đây là công suất bổ sung thu được từ mặt sau của mô-đun so với công suất từ mặt trước của mô-đun ở điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn. Độ lợi hai chiều phụ thuộc vào giá lắp (cấu trúc, chiều cao, góc nghiêng và các loại khác) và suất phản chiếu của mặt đất.

Hình 4: Xây dựng mô-đun BF kính kép.

Độ lợi hai chiều = ( 𝑌𝐵𝑖 - 𝑌 ) /

Ở đâu:

YB _i = Sức mạnh từ mô-đun BF.

YM _o = Công suất từ mô-đun MF trong cùng điều kiện.

Albedo

Đây là tỷ lệ ánh sáng phản xạ từ một bề mặt so với ánh sáng tới và thay đổi theo các loại bề mặt khác nhau.

Hình 5: Ảnh hưởng của chiều cao đến mức tăng BF. Albedo 80%, hàng sân 2,5 m [4].

Tỷ lệ che phủ mặt đất

Đây là tỷ lệ của diện tích mặt đất được bao phủ bởi các mô đun PV trên tổng diện tích mặt đất chiếm chỗ lắp đặt. Tỷ lệ này có ảnh hưởng đến ánh sáng phản xạ và có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của bảng BF.

Gắn tối ưu các mô-đun BF

Vì các mô-đun hai chiều hấp thụ bức xạ mặt trời từ cả hai phía, chúng cho phép nhiều tùy chọn lắp đặt và nghiêng và lý tưởng cho việc lắp đặt trên mặt đất, tầng thượng, sa mạc và khu vực tuyết hoặc các ứng dụng trên mặt nước. Các hệ thống lắp đặt được thiết kế để tối ưu hóa tán xạ ngược và phản xạ từ các mái nhà và lắp đặt trên mặt đất nâng cấu trúc lên trên mặt đất hoặc mái nhà để thu được nhiều ánh sáng tán xạ hoặc phản xạ hơn.

Chiều cao cấu trúc và khoảng cách

Nâng cấu trúc trên mặt đất làm tăng lượng bức xạ đến mặt sau của bảng điều khiển và do đó cải thiện hiệu suất và mức tăng hai chiều. Việc tăng khoảng cách giữa các hàng cũng giúp cải thiện mức tăng hai chiều (xem Hình 6).

Hình 6: Bức xạ trên bảng BF được gắn theo chiều dọc (Sanyo).

Sự gia tăng có vẻ như bị san phẳng ở độ cao khoảng 1 m. Tăng chiều cao của cấu trúc có tác dụng rất rõ rệt đối với các mảng gắn trên mái nhà, đặc biệt là khi có mái bằng. Nguy cơ tải gió tăng có thể là một vấn đề. Một số nhà sản xuất kết cấu lắp đặt đã sản xuất các cấu trúc nâng cao cho cả lắp đặt mặt đất và mái nhà.

Lợi ích thu được với chiều cao tăng có thể được sử dụng tốt trong các cấu trúc nhà kho mở như bãi đỗ xe và khoang lưu trữ không khí mở, cũng như các khu vực giải trí và khách sạn. Chất đóng gói trong suốt cho phép một số ánh sáng lọc qua mô-đun.

Tấm BF định hướng theo chiều dọc

Một trong những ứng dụng thú vị nhất xuất hiện từ mảng BF là khả năng của một mảng được gắn dọc. Các tấm BF được gắn theo chiều dọc đã được sử dụng hiệu quả trong quá khứ như các rào cản âm thanh và ánh sáng trên đường cao tốc. Một bảng điều khiển được gắn theo chiều dọc chiếm ít không gian hơn so với bảng điều khiển ngang hoặc nghiêng. Hai lựa chọn tồn tại, hướng bắc-nam cổ điển và hướng đông-tây thay thế.

Để phù hợp hơn với nhu cầu tại chỗ với hồ sơ thế hệ PV trong suốt cả ngày, có xu hướng sử dụng hướng bảng điều khiển đông-tây, trong đó một nửa các bảng được nghiêng về phía đông để tạo ra đỉnh thế hệ vào buổi sáng và nửa còn lại nghiêng về phía tây cho phép một đỉnh thế hệ khác vào buổi chiều (xem hình 7). Cấu hình đỉnh đôi này có thể phù hợp hơn với việc sử dụng điện tại chỗ, đặc biệt là cho các khu dân cư và thương mại.

Hình 7: Mẫu bức xạ hàng ngày trên các mô-đun BF đông-tây [5].

Cách tiếp cận độc đáo này có thể tiến thêm một bước nếu sử dụng các mô đun hai chiều hướng đông-tây được gắn theo chiều dọc, điều này sẽ làm giảm hơn một nửa số mô-đun cần thiết cho một cài đặt tương đương. Cấu hình này một lần nữa sẽ tạo ra hai đỉnh thế hệ nhưng cũng sẽ được hưởng lợi từ ánh sáng khuếch tán bổ sung vào mô-đun. Các tấm BF cho phép định hướng đông-tây được gắn thẳng đứng với tiềm năng cung cấp năng lượng cao hơn so với các tấm đơn sắc.

Theo hướng bắc-nam, bảng mặt trước nhận bức xạ trực tiếp và khuếch tán và phía sau bảng điều khiển nhận bức xạ khuếch tán. Theo hướng đông-tây với các mặt đối diện hướng về phía đông và phía tây, cả hai bên đều nhận được bức xạ trực tiếp và phản xạ vào các thời điểm khác nhau trong ngày (xem Hình 7). Ở vị trí đầu tiên, phương pháp lắp dường như không hiệu quả, vì vào giữa trưa, mặt trời nằm đúng góc với các tấm và không nên có đầu ra. Sản lượng đáng kể là do cả hai bề mặt phía trước và phía sau đang nhận được lượng bức xạ khuếch tán và phản xạ tối đa.

Bức xạ nhận được bởi một mô-đun sẽ phụ thuộc vào một mức độ lớn dựa trên độ phản xạ (albedo) của các vật thể gần đó và mặt đất. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các mô-đun thẳng đứng vào khoảng giữa trưa mùa hè, khi ánh nắng mặt trời chiếu trực tiếp mạnh nhất nhưng khi góc của mặt trời có nghĩa là ánh nắng mặt trời chùm trực tiếp mà các mô-đun nhận được là tương đối nhỏ. Một bảng điều khiển hai chiều thẳng đứng làm giảm tích tụ bụi và tuyết và cung cấp hai đỉnh đầu ra trong ngày, với đỉnh thứ hai phù hợp với nhu cầu điện cao điểm (xem Hình 8).

Hình 8: So sánh giữa các tùy chọn lắp [5].

Một trong những lý do để sản xuất năng lượng lớn hơn là nhiệt độ của mô-đun đông-tây thấp hơn trong thời gian chiếu xạ tối đa, so với mô-đun hướng nam. Nhiều mạng có năng lượng mặt trời thâm nhập cao có năng lượng dư thừa trong thời gian sản xuất cao điểm giữa trưa và thiếu hụt trong thời kỳ thấp điểm. Dịch chuyển các đỉnh bằng cách sử dụng hướng đông-tây gắn thẳng đứng cho PV mới tạo ra đường cong sản xuất năng lượng đồng đều hơn (xem Hình 9).

Triển vọng tương lai

Mặc dù có một số dự án sử dụng các mô-đun BF, hiện tại tỷ lệ phần trăm các mô-đun BF trên thị trường rất nhỏ nhưng dự kiến sẽ tăng đáng kể trong tương lai khi nhiều sản phẩm được tung ra thị trường và nhiều cài đặt được thực hiện. Sự cải thiện có thể lên tới 30% sản lượng dự kiến sẽ hấp dẫn hơn nhiều so với việc tăng một vài điểm phần trăm về hiệu quả có thể đạt được khi phát triển công nghệ.

Hình 9: Tăng trưởng dự kiến trong việc sử dụng tế bào BF [1].

Tài liệu tham khảo

[1] T Dullweber, et al: Pin Bifacial PERC + pin mặt trời: tình trạng thực hiện công nghiệp và quan điểm trong tương lai,     hội thảo bifiPV2017, Konstanz, tháng 10/2017.
[2] W Herman: Đặc điểm hiệu suất của các mô đun PV hai chiều và ghi nhãn điện năng , xưởng bifiPV2017, Konstanz, tháng 10 năm 2017.
[3] D Brearly: Hệ thống PV Bifacial PV, Tạp chí Solarpro số 10.2, Mar / April '17
[4] Solarworld: Kiếm Cách tối đa hóa năng lượng với công nghệ hai chiều, Giấy trắng SW9001US 160729
[5] EPRI: mô đun PV năng lượng mặt trời của Bifacial, www.epri.com