Panele bifacjalne: od technologii kosmicznej do naszych dachów

W sektorze fotowoltaicznym walczy się o każdy wat mocy elektrycznej, którą można wygenerować i każdy procent (jak nie promil!) sprawności konwersji. Często inżynierowie sięgają po bardzo nieoczywiste rozwiązania, gdyż zasadnicza sprawność konwersji samego materiału półprzewodnikowego (na ogół krzemu) jest bardzo trudna do dalszego podnoszenia. Dlatego też chętnie sięga się po metody zmieniając konstrukcję samego panelu PV, bez ingerencji w budowę struktury półprzewodnikowej. Najczęściej wykorzystuje się tutaj koncentratory słoneczne lub panele typu bifacial.

Koncentratory słoneczne to po prostu soczewki, które skupiają światło słoneczne na powierzchni relatywnie niewielkiego ogniwa słonecznego. Działa to dokładnie tak, jak lupa, która w słoneczny dzień pozwala skupić światło w punkcie. Jest ono dostatecznie silne, aby rozpalić ognisko, więc w pełni zrozumiałe jest, że zwiększa też istotnie moc danego ogniwa fotowoltaicznego.

Dwustronne panele fotowoltaiczne

Ciekawszym rozwiązaniem są dwustronne panele fotowoltaiczne bifacial. Jak można wywnioskować z samej nazwy, mają one dwie aktywne powierzchnie, a nie tak, jak w przypadku klasycznych paneli tylko jedną – od góry. „Ale przecież słońce nie świeci od spodu?” można by zapytać… i nie bez sensu. Dlaczego zatem więc dwustronne panele PV osiągają wyższą sprawność niż klasyczne panele, które posiadają jedną powierzchnię aktywną, ustawioną, oczywiście, w kierunku słońca – do góry?

Dla typowego panelu fotowoltaicznego podstawowym parametrem, jaki jest używany do charakteryzowania systemu, jest sprawność. Mówi ona o tym ile procent mocy słonecznej konwertowane jest do mocy elektrycznej, którą wykorzystać można dalej w systemie. Z kolei dla paneli bifacial definiuje się albo dwie sprawności – „przednią” i „tylną” albo tak zwany współczynnik bifacjalności, który jest stosunkiem „tylnej” do „przedniej” sprawności konwersji.

Panele dwustronne – z satelitów do nowoczesnych farm fotowoltaicznych

Panele bifacial nie składają się po prostu z dwóch ogniw PV złożonych do siebie tylnymi płaszczyznami. Ich konstrukcja jest bardziej złożona, a ich historia – jako niezależnej od ‘klasycznych’ ogniw technologii – rozpoczyna się w latach ’60 XX wieku. Początkowo tego rodzaju panele stosowane były tylko w niszowych zastosowaniach, takich jak panele PV statków kosmicznych. Ma to ogromny sens, ponieważ mogą się one znaleźć w różnej orientacji względem słońca, dlatego bardzo sensownym jest tam stosowanie ogniw, które aktywną powierzchnię mają z obu stron. Pod koniec lat ’80 XX wieku tego rodzaju systemy już szeroko stosowano w dużych instalacjach, gdzie odkryto, że umieszczenie takich paneli na białej powierzchni pozwala osiągnąć o nawet 60% wyższą produkcję energii elektrycznej.

Współczesne panele fotowoltaicznej bifacial tworzy się przy wykorzystaniu szeregu różnych technologii półprzewodnikowych. Różnią się one nieznacznie osiągami oraz, oczywiście, ceną. Jak łatwo się domyślić, ogniwa o najwyższych parametrach są najdroższe w produkcji i zakupie. Ogniwa PERT (pasywowany emiter, tył z pełną dyfuzją) są najprostsze w produkcji i dlatego doczekały się najszerszej adaptacji, szczególnie na niższej półce cenowej (produkują je firmy takie jak Yingli, Trina czy LG). Osiągają one przednią wydajność na poziomie od około 19,5% do 22% i współczynnikiem bifacjalności na poziomie 80..90%. Dzięki zastosowaniu podłóż krzemowych typu P, które nie zawierają boru w swojej strukturze, są one relatywnie odporne i długowieczne – w odróżnieniu od ogniw PERL (pasywowany emiter, tył z częściową dyfuzją), które produkowane są w oparciu o podłoża krzemowe typu N. Ogniwa PERL również osiągają bifacjalność na poziomie 80..90%, ale ich typowa sprawność jest niższa i z reguły nie przekracza 20%.

Drugim typem, który doczekał się szerokiej adaptacji są ogniwa dwustronne typu PERC. One także wykonywane są w technologii pasywowanego emitera, ale z tylnym kontaktem. Typowo wykonuje się je na podłożach typu P. Są one relatywnie niedrogie w produkcji, co przy przedniej sprawności równej do 21,2% i tylnej do 18,1% (bifacjalność w zakresie od 70% do 80%) stanowi ciekawą alternatywę. Tego rodzaju panele dwustronne produkuje między innymi firma JA Solar, którą prezentowaliśmy już jakiś czas temu.

Pozostałe dwie technologie nie wykorzystują przedniej pasywacji do zbierania nośników. Ogniwa IBC wykorzystują naprzemienne kontakty na tylnej płaszczyźnie panelu, dzięki czemu ich przednia sprawność jest znacznie wyższa – wynosi ponad 23%. Niestety odbywa się to kosztem lekko pogorszonej bifacjalności, która wynosi od 70% do 80%. Tego typu panele nie są jednakże często spotykane w handlu. Znacznie częściej w systemach z górnej półki spotyka się dwustronne panele fotowoltaiczne typu HIT. Wykorzystują one dwustronne, cienkowarstwowe heterozłącza fotowoltaiczne. Brzmi to może skomplikowanie, ale chodzi po prosu o to, że ogniwo takie, ma po obu stronach – tylnej i przedniej – takie same cienkowarstwowe ogniwa słoneczne. Panele HIT uzyskują bifacjalność, do 100%, co jest bardzo imponujące, przy ich wysokiej sprawności na poziomie od niemalże 25%.

Panele szkło-szkło mają jeszcze szereg innych zalet. Tego rodzaju panele to ogniwa bifacjalne, umieszczone pomiędzy dwoma taflami szkła hartowanego. Zapewnia im to wyjątkową sztywność i wytrzymałość, która przekłada się na odporność na mikropęknięcia. Jest to zjawisko, które powstaje na skutek nadmiernych naprężeń w panelu. Pęknięcia takie ograniczają sprawność panelu i przyczyniają się do szybszego jego starzenia.

Po co właściwie ogniwa bifacjalne na ziemi?

Stosowanie dwustronnych paneli PV w kosmosie ma oczywisty sens, ale dlaczego warto zastosować je także na ziemi?
Moduły bifacjalne są typowo instalowane na stelażach nad wysoce odblaskowymi powierzchniami (takimi jak np. biały dach lub na ziemi z jasnymi kamieniami). Pozwala to wykorzystać światło słoneczne, które pada na ogniwa w sposób niebezpośredni – odbijając się od podłoża.

W zależności od albedo, dwustronne ogniwa PV oferują różny zysk energii elektrycznej. Albedo to miara odbijanego od powierzchni ziemi światła słonecznego. Zwykły trawnik odbija około 15% światła słonecznego, ale biały żwirek czy beton od 30% do 50%. Ideałem jest tutaj śnieg, który pozwala na zebranie dodatkowych 70% światła słonecznego. Średnie albedo budynków w mieście to około 32%, co oznacza, że panele bifacjalne mogą dać około 1/3 prądu więcej.

Z drugiej strony uwzględnić trzeba jednakże koszty zakupu paneli bifacjalnych. Jeszcze niedawno panele takie były o około 25% droższe, od typowych paneli PV, jednakże analitycy sugerują, że do 2022 roku ceny obu rodzajów technologii powinny wyrównać się. Już teraz oba rodzaje instalacji mają relatywnie zbliżony koszt, a co za tym idzie, mikroelektrownie PV oparte na panelach dwustronnych charakteryzują się krótszym okresem zwrotu inwestycji.

Innym, istotnym aspektem, związanym z zastąpieniem ogniwami bifacjalnymi, klasycznych paneli, jest oszczędność miejsca. Jako że panele takie produkują do około 30% więcej prądu, to potrzebować będą o 30% mniej miejsca, aby uzyskać taką samą ilość wyprodukowanej energii. Zależność ta działa również w drugą stronę – jeśli pokryjemy taką samą powierzchnię dwustronnymi ogniwami fotowoltaicznymi, da nam instalację o mocy o około 30% wyższej (w zależności od podłoża, na których znajduje się system).

Jak montuje się panele bifacjalne?

Sposób montażu modułu zależy od jego typu. Panele bifacjalne z ramką mogą być łatwiejsze do zainstalowania niż bezramkowe, tylko, dlatego, że tradycyjne systemy montażu i montowania są już przystosowane do modułów z ramkami. Większość producentów dwustronnych paneli fotowoltaicznych zapewnia własne uchwyty do montażu określonej marki paneli, eliminując wszelkie problemy instalacyjne.

W przypadku bezramkowych paneli typu bifacjal zaciski modułów często są wyposażone w gumowe osłonki chroniące szkło, a szczególną ostrożność należy zachować, aby zapobiec przekręceniu śrub i uszkodzeniu szkła. Idealnie sprawdzają się tutaj panele typu szkło-szkło, dzięki zwiększonej sztywności modułu.

Im wyżej znajduje się panel bifacjalny, tym więcej mocy wytwarza z odbitego światła. Moduł taki, zamontowany równo z dachem blokuje wszelkie odbite światło przed dotarciem do tylnej części ogniwa. Dlatego moduły bifacjalne lepiej sprawdzają się na płaskich dachach lub systemach montowanych na ziemi, ponieważ jest więcej miejsca na przejście odbitego światła do tyłu modułów.