Los paneles solares bifaciales aumentan el potencial de salida de potencia

- Jun 18, 2019-

A partir del 9 de mayo de 2018, publicado en artículos: Energize, por Mike Rycroft, EE Publishers


La radiación reflejada y difusa en el reverso de los módulos solares puede aumentar la potencia de salida de los módulos solares sin mayores mejoras de eficiencia.

Históricamente, las células solares bifaciales (BF) se dirigieron a la construcción de aplicaciones fotovoltaicas integradas o en áreas donde gran parte de la energía solar disponible es luz solar difusa que rebotó del suelo y objetos circundantes, es decir, latitudes extremas y regiones propensas a la nieve. Sin embargo, la combinación de eficiencias máximas de meseta de celdas solares estándar impresas con serigrafía y las reducciones significativas en el costo del vidrio solar en los últimos años hacen que el uso de la encapsulación de doble vidrio (DG) sea viable, lo que ha hecho que los módulos solares bifaciales vuelvan a ser el centro de atención [2] .

El objetivo de la tecnología BF no es aumentar la eficiencia del módulo o panel solar, sino captar más energía solar por módulo. Se proyectan ganancias de hasta el 30%, según factores tales como la reflectividad de la superficie del suelo, la altura sobre el suelo, el ángulo de inclinación y varios otros. La radiación recibida por el módulo consta de varios componentes:

1. Radiación directa del sol.

2. Radiación difusa indirecta causada por partículas de aire, nubes y otros.

3. Radiación reflejada desde superficies cercanas al módulo solar.

La radiación reflejada generalmente no se tiene en cuenta en los cálculos de energía solar. Las mediciones de radiación difusa se refieren a fuentes de radiación sobre el plano horizontal. El método habitual para medir la radiación solar utiliza un piranómetro que está montado horizontalmente y solo mide la radiación sobre el plano horizontal. Incluso en una configuración inclinada, el piranómetro no medirá la radiación debajo del plano de medición (ver Fig. 1).

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Fig. 1: Medición de la radiación solar con un piranómetro.

La radiación difusa puede contribuir con una cantidad sustancial de la radiación total, pero gran parte de esto no se capturará en un módulo inclinado o montado horizontalmente. La inclinación del módulo aumenta la intensidad de la radiación directa, pero bloquea una gran parte de la radiación indirecta. La radiación difusa es de naturaleza isoptrópica, es decir, tiene el mismo valor independientemente de la fuente, mientras que la radiación reflejada dependerá de la naturaleza de la superficie que rodea la matriz solar, el ángulo de la matriz y otros factores. El panel frontal recibirá tanto radiación directa como difusa, la proporción depende del ángulo de inclinación del panel.

La parte trasera del módulo recibirá luz de dos fuentes:

·          Dispersión de campo cercano: radiación directa y difusa reflejada.

·          Radiación difusa: radiación no reflejada directamente de fuentes difusas.

Las diferentes superficies reflejan la luz a diferentes velocidades y las propiedades reflectantes están descritas por el factor albedo. El albedo describe la reflectividad de una superficie no luminosa; está determinada por la relación entre la luz reflejada desde la superficie y la radiación incidental. Consulte la Tabla 1 para ver algunos valores de albedo medidos [2]

Tabla 1: Valores de albedo para diversas superficies [4].

Tipo de superficie

Albedo

Campo verde (hierba)

10 - 25%

Hormigón

20 - 40%

Hormigón pintado de blanco

60 - 80%

Grava blanca

27%

Material de techo blanco

56%

Membrana de techo gris

62%

Membrana de techo blanca

80%

Arena

20 - 40%

Arena blanca

60%

Nieve

45 - 95%

Agua

8%

 

La relación de luz difusa a luz directa variará con las condiciones. Bajo el resplandor debido a la nube, el porcentaje de luz difusa será mayor que en condiciones de sol y la ganancia en comparación con el PV monofacial puede ser mayor que en condiciones de sol [5].

Construcción de módulos BF.

Construcción celular

Las células fotovoltaicas monofaciales generalmente se construyen con una capa reflectante en la cara posterior de la célula para permitir una mejor absorción de la luz que cae sobre la superficie frontal. Los fotones que no se absorben en la capa frontal se pueden absorber en el viaje de retorno, lo que aumenta la eficiencia de la celda. Esto significa que los fotones que viajan en la dirección opuesta a la normal pueden generar electricidad y, si se permite que los fotones que caen en la cara posterior ingresen a la celda, pueden usarse de manera efectiva para generar electricidad. Esto se logra eliminando parcialmente la capa reflectante, que también actúa como un conductor (ver Fig. 2).

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Fig. 2: Luz reflejada en la parte posterior del panel [3].

La reducción de la capa conductora en la parte trasera de la celda aumenta la resistencia y se requieren más conductores en la parte trasera de la celda que en la parte delantera para compensar esto. Esto reduce el área de la parte trasera de la célula disponible para la radiación.

La construcción de los diferentes tipos de células fotovoltaicas es más compleja que la mostrada y la conversión no es tan simple. Hay otros pasos necesarios para hacer una celda BF que funcione de manera eficiente. Han surgido varios diseños que utilizan el principio BF. La mayoría involucra la modificación de las células existentes, pero hay varias que han sido diseñadas específicamente como células BF.

Dos tipos de construcción de células bifaciales son de uso común en el mercado: la heterounión y la célula trasera de emisor pasivado (PERC). Las células de heteroyunción usan silicio monocristalino, mientras que la célula PERC está disponible en versiones de silicio mono y policristalino. Las células bifaciales son más complejas de fabricar y esto se suma al costo del módulo.

La eficiencia de la iluminación trasera es menor que la iluminación frontal, como se muestra en la Tabla 2. Esto se debe en gran parte al aumento del área ocupada por los conductores en la parte posterior de la celda en comparación con la parte delantera.

Tabla 2: Eficiencias delantera y trasera de varios módulos solares BF [1].

Producto

% De eficiencia frontal

Eficiencia trasera%

ISFH

21,5

16,7

Jinko solar

20,7

13,9

Longi solar

21,6

17,3

Energía solar grande

20,7

13,9


Construcción de módulos

Los paneles de silicio cristalino monofacial (MF) generalmente están encerrados en un encapsulante opaco en la parte trasera, pero este método no se puede usar con sistemas BF. El módulo debe tener superficies traseras y delanteras transparentes que proporcionen resistencia mecánica. Además, las celdas deben estar encerradas en una capa de material protector. La configuración más común adoptada es una doble capa de vidrio fotovoltaico que encierra las células que están encapsuladas en un material polímero protector.

Se requiere un material de lámina posterior transparente resistente a los rayos UV o una capa adicional de vidrio solar para permitir que la luz brille en la parte posterior de una célula bifacial. En la mayoría de los casos, como se muestra en la Fig. 4, los fabricantes optan por un paquete de vidrio sobre vidrio que generalmente mejora la durabilidad del campo en comparación con las opciones de vidrio sobre película. El paquete de vidrio sobre vidrio es más rígido, lo que reduce el estrés mecánico en las celdas durante el transporte, la manipulación y la instalación, así como el estrés debido a condiciones ambientales como el viento o la nieve. La configuración también es menos permeable al agua, lo que puede reducir las tasas de degradación anuales. Los módulos bifaciales no tienen marco. La eliminación del marco de aluminio reduce efectivamente las oportunidades de degradación inducida por potencial (PID) [3].

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Fig. 3: La diferencia entre las células fotovoltaicas mono-faciales y bi-faciales.

El montaje de doble vidrio (DG) tiene una serie de ventajas:

·          Reducción del microcracking, deslaminación y corrosión por humedad.

·          Baja temperatura celular.

·          No hay degradación inducida por el potencial ya que no hay marco metálico que requiera conexión a tierra.

·          Baja tasa de degradación.

·          Mayor índice de ignifugación.

·          Mayor resistencia mecánica y menos flexión.


Productos de mercado

La Tabla 3 enumera algunos de los sistemas BF disponibles en el mercado en este momento, con sus características.

Tabla 3: Características del módulo solar fotovoltaico BF .

Producto

Tipo

Calificación (Wp)

Eficiencia a cero ganancia de BF (%)

Eficiencia al 30% de ganancia de BF (%)

Jinko solar Eagle Dual 72

Policristalina

315

16,13

20,969

BiKu solar canadiense

Policristalina

350

17,54

22,8

JA solar JAN60D00

Monocristalina

290

17,3

22,49

Trina solar duomax

Monocristalina

285

17,2

22,36

Yingli Panda 144HCF

Monocristalina

360

17,6

22,88


Parámetros de rendimiento

Se utilizan varios parámetros en la industria para describir las características de los módulos solares BF.

Factor de bifacialidad

Esta es la relación entre las eficiencias del lado trasero y del lado frontal, o la relación de la potencia delantera y trasera medida en las condiciones de prueba estándar.

Ganancia bifacial

Esta es la potencia adicional obtenida de la parte posterior del módulo en comparación con la potencia de la parte frontal del módulo en condiciones de prueba estándar. La ganancia bifacial depende del montaje (estructura, altura, ángulo de inclinación y otros) y el albedo de la superficie del suelo.

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Fig. 4: Construcción de un módulo BF de doble vidrio.


Ganancia bifacial = ( 𝑌𝐵𝑖 - 𝑌 ) / 𝑌𝑀𝑜

dónde:

YB i = La potencia del módulo BF.

YM o = La potencia de un módulo MF en las mismas condiciones.

Albedo

Esta es la proporción de luz reflejada desde una superficie a la luz incidente y varía según los diferentes tipos de superficie.

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Fig. 5: Efecto de la altura sobre la ganancia BF. Albedo 80%, hilera 2,5 m [4].

Relación de cobertura del suelo

Esta es la relación entre el área de tierra cubierta por los módulos fotovoltaicos y el área de tierra total ocupada por la instalación. Esta relación tiene un efecto en la luz reflejada y puede influir en el rendimiento del panel BF.

Montaje óptimo de módulos BF.

Dado que los módulos bifaciales absorben la radiación solar de ambos lados, permiten una variedad de opciones de inclinación e instalación y son ideales para instalaciones en terrenos elevados, en techos, en áreas desérticas y nevadas o en aplicaciones en el agua. Los sistemas de montaje diseñados para optimizar la retrodispersión y la reflexión de los techos y las instalaciones de montaje en el suelo elevan la estructura sobre el suelo o el techo para capturar más luz dispersa o reflejada.

Estructura de altura y espaciado.

Elevar la estructura por encima del suelo aumenta la cantidad de radiación que llega a la parte posterior del panel y, por lo tanto, mejora el rendimiento y la ganancia bifacial. El aumento del espaciado entre filas también mejora la ganancia bifacial (ver Fig. 6).

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Fig. 6: Radiación en el panel BF montado verticalmente (Sanyo).

El aumento de ganancia parece aplanarse a una altura de aproximadamente 1 m. Aumentar la altura de la estructura tiene un efecto muy pronunciado en las matrices de montaje en techo, especialmente cuando se trata de techos planos. El peligro de una mayor carga de viento puede ser un problema. Varios fabricantes de estructuras de montaje han producido estructuras elevadas para instalaciones tanto en el suelo como en el techo.

Las ganancias obtenidas al aumentar la altura pueden aprovecharse en estructuras de cobertizo abierto, como estacionamientos y áreas de almacenamiento al aire libre, así como en áreas de entretenimiento y hospitalidad. El encapsulante transparente permite que se filtre algo de luz a través del módulo.

Paneles BF orientados verticalmente

Una de las aplicaciones más interesantes que surgen de la matriz BF es la posibilidad de una matriz montada verticalmente. Los paneles BF montados verticalmente se han utilizado con eficacia en el pasado como barreras de sonido y luz en las carreteras. Un panel montado verticalmente ocupa mucho menos espacio que un panel horizontal o inclinado. Existen dos opciones, la clásica orientación norte-sur y la alternativa este-oeste.

Para adaptarse mejor a la demanda in situ con los perfiles de generación fotovoltaica a lo largo del día, existe la tendencia de utilizar una orientación de panel este-oeste, donde la mitad de los paneles se inclinan hacia el este para crear un pico de generación en la mañana y la mitad restante se inclina hacia el oeste para permitir otro pico de generación en la tarde (ver Fig. 7). Este perfil de doble pico puede adaptarse mejor al uso de electricidad en el sitio, especialmente para instalaciones residenciales y comerciales.

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Fig. 7: Patrón de radiación diaria en los módulos BF este-oeste [5].

Este enfoque poco convencional puede ir un paso más allá si se usan módulos bifaciales orientados de este a oeste montados verticalmente, lo que más que reduciría a la mitad el número de módulos necesarios para una instalación equivalente. Esta configuración volvería a generar dos picos de generación, pero también se beneficiaría de la luz difusa adicional que ingresa al módulo. Los paneles BF permiten una orientación vertical de este a oeste con potencial para proporcionar una mayor producción de energía que los paneles monofaciales.

En la orientación norte-sur, el panel frontal recibe radiación directa y difusa y la parte posterior del panel recibe radiación difusa. En la orientación este-oeste con los lados opuestos orientados hacia el este y el oeste, ambos lados reciben radiación directa y reflejada en diferentes momentos del día (ver Fig. 7). En el primer sitio, el método de montaje parece ser ineficiente, ya que al mediodía, el sol está en ángulo recto con respecto a los paneles y no debería haber salida. La salida significativa se debe al hecho de que las superficies delantera y trasera están recibiendo la máxima cantidad de radiación difusa y reflejada.

La radiación recibida por un módulo dependerá en gran medida de la reflectividad (albedo) de los objetos cercanos y del suelo. Esto es particularmente importante para los módulos verticales alrededor del mediodía en verano, cuando la luz solar de haz directo es más intensa, pero cuando el ángulo del sol significa que la luz solar de haz directo recibida por los módulos es relativamente pequeña. Un panel bifacial vertical reduce la acumulación de polvo y nieve y proporciona dos picos de salida durante el día, con el segundo pico alineado con la demanda de electricidad máxima (ver Fig. 8).

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Fig. 8: Comparación entre las opciones de montaje [5].

Una de las razones para una mayor producción de energía es que la temperatura del módulo este-oeste es más baja durante el tiempo de máxima irradiación, en comparación con el módulo orientado al sur. Muchas redes con altas penetraciones de energía solar tienen un excedente de energía durante los tiempos de producción máximos del mediodía y una escasez durante el período de menor actividad. El desplazamiento de los picos mediante el uso de la orientación vertical este-oeste para la nueva fotovoltaica proporciona una curva de producción de energía más uniforme (ver Fig. 9).


Perspectivas de futuro

Aunque hay varios proyectos que usan módulos BF, el porcentaje de módulos BF en el mercado es muy pequeño en este momento, pero se espera que aumente significativamente en el futuro a medida que más productos lleguen al mercado y se realicen más instalaciones. Se espera que la posible mejora de hasta un 30% en la producción sea mucho más atractiva que el aumento de pocos puntos porcentuales en la eficiencia que podría lograrse con el desarrollo de la tecnología.

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Fig. 9: crecimiento esperado en el uso de células BF [1].


Referencias

[1] T Dullweber, et al: “Células solares PERC + bifaciales: estado de implementación industrial y perspectivas de futuro”,     Taller bifiPV2017, Konstanz, octubre de 2017.
[2] W Herman: “Características de rendimiento de los módulos fotovoltaicos bifaciales y el etiquetado de energía” , taller bifiPV2017, Konstanz, octubre de 2017.
[3] D Brearly: “Sistemas fotovoltaicos bifaciales”, revista Solarpro , Número 10.2, marzo / abril de 17
[4] Solarworld: " Cómo maximizar el rendimiento energético con tecnología bifacial", Libro Blanco SW9001US 160729
[5] EPRI: “Módulos fotovoltaicos solares bifaciales”, www.epri.com