Painéis Solares Bifaciais Aumentam Potencial de Saída de Potência

De: 9 de maio de 2018, Publicado em Artigos: Energize, por Mike Rycroft, EE Publishers

A radiação refletida e difusa no verso dos módulos solares pode aumentar a potência dos módulos solares sem grandes melhorias na eficiência.

Historicamente, as células solares bifaciais (BF) foram direcionadas para a construção de aplicações fotovoltaicas integradas ou em áreas onde grande parte da energia solar disponível é luz do sol difusa que ricocheteou no chão e objetos adjacentes, ou seja, latitudes extremas e regiões propensas a neve. No entanto, a combinação de picos de eficiência de estabilização de células solares padrão com tela impressa e reduções significativas no custo do vidro solar nos últimos anos, tornando viável o uso do encapsulamento de vidro duplo (DG), levou os módulos solares bifacais de volta ao centro das atenções [2] .

O objetivo da tecnologia BF não é aumentar a eficiência do módulo ou painel solar, mas sim captar mais energia solar por módulo. Ganhos de até 30% são projetados, dependendo de fatores como a refletividade da superfície do solo, altura acima do solo, ângulo de inclinação e vários outros. A radiação recebida pelo módulo consiste em vários componentes:

1. Radiação direta do sol.

2. Radiação difusa indireta causada por partículas de ar, nuvens e outros.

3. Radiação refletida de superfícies próximas ao módulo solar.

A radiação refletida geralmente não é levada em conta nos cálculos de energia solar. Medições de radiação difusa referem-se a fontes de radiação acima do plano horizontal. O método usual de medir a radiação solar usa um piranômetro que é montado horizontalmente e apenas mede a radiação acima do plano horizontal. Mesmo em uma configuração inclinada, o piranômetro não medirá a radiação abaixo do plano de medição (veja a Fig. 1).

Fig. 1: Medição da radiação solar com um piranômetro.

A radiação difusa pode contribuir com uma quantidade substancial da radiação total, mas muito disso não será capturado em um módulo inclinado ou montado horizontalmente. Inclinar o módulo aumenta a intensidade da radiação direta, mas bloqueia uma grande parte da radiação indireta. A radiação difusa é isopropica na natureza, ou seja, tem o mesmo valor, independentemente da fonte, enquanto a radiação refletida dependerá da natureza da superfície que envolve o painel solar, o ângulo da matriz e outros fatores. O painel frontal receberá radiação direta e difusa, a relação depende do ângulo de inclinação do painel.

O lado traseiro do módulo receberá luz de duas fontes:

·          Dispersão de campo próximo: radiação refletida direta e difusa.

·          Radiação difusa: radiação não refletida diretamente de fontes difusas.

Superfícies diferentes refletem a luz em taxas diferentes e as propriedades refletivas são descritas pelo fator albedo. O albedo descreve a refletividade de uma superfície não luminosa - é determinada pela razão entre a luz refletida da superfície e a radiação incidental. Veja a Tabela 1 para alguns valores de albedo medidos [2]

A relação entre luz difusa e luz direta varia com as condições. Sob baixa radiância devido à nuvem, a porcentagem de luz difusa será maior do que sob condições de sol e o ganho comparado com a PV monofacial pode, portanto, ser maior do que sob condições de sol [5].

Construção de módulos BF

Construção celular

As células fotovoltaicas monofaciais são geralmente construídas com uma camada refletora na face posterior da célula para permitir uma melhor absorção da luz que incide sobre a superfície frontal. Fótons que não são absorvidos na camada frontal podem ser absorvidos na viagem de retorno, aumentando assim a eficiência da célula. Isso significa que os fótons que viajam na direção oposta ao normal podem gerar eletricidade e, se os fótons que caem na face traseira puderem entrar na célula, eles poderão ser usados efetivamente para gerar eletricidade. Isto é conseguido removendo parcialmente a camada refletora, que também atua como um condutor (veja a Fig. 2).

Fig. 2: Luz refletida na parte traseira do painel [3].

A redução da camada condutora na parte traseira da célula aumenta a resistência e mais condutores são necessários na parte traseira da célula do que na frente para compensar isso. Isso reduz a área da parte traseira da célula disponível para radiação.

A construção dos diferentes tipos de células fotovoltaicas é mais complexa do que a mostrada e a conversão não é tão simples. Há outras etapas necessárias para criar uma célula BF que funcione com eficiência. Vários projetos surgiram e usam o princípio BF. A maioria envolve modificação de células existentes, mas existem várias que foram projetadas especificamente como células BF.

Dois tipos de construção de células bifaciais são de uso comum no mercado: a heterojunção e a célula traseira do emissor passivado (PERC). Células de heterojunção usam silício monocristalino enquanto a célula PERC está disponível nas versões de silício mono e policristalino. As células bifaciais são mais complexas de fabricar e isso aumenta o custo do módulo.

A eficiência da iluminação traseira é menor do que a iluminação frontal, conforme mostrado na Tabela 2. Isso se deve em grande parte ao aumento da área ocupada pelos condutores na parte traseira da célula em comparação com a frente.

Construção do módulo

Painéis de silício cristalino monofacial (MF) são geralmente envoltos em encapsulante opaco na parte traseira, mas este método não pode ser usado com sistemas BF. O módulo deve ter superfícies traseiras e frontais transparentes que forneçam resistência mecânica. Além disso, as células devem ser envolvidas por uma camada de material protetor. A configuração mais comum adotada é uma dupla camada de vidro fotovoltaico que envolve as células que são encapsuladas em um material polimérico protetor.

É necessário um material de folha de base transparente resistente a UV ou uma camada adicional de vidro solar para permitir que a luz brilhe na parte traseira de uma célula bifacial. Na maioria dos casos, como mostrado na Fig. 4, os fabricantes optam por um pacote de vidro sobre vidro que geralmente melhora a durabilidade do campo em comparação com as opções de vidro sobre filme. O pacote de vidro sobre vidro é mais rígido, o que reduz o estresse mecânico nas células durante o transporte, manuseio e instalação, bem como o estresse devido a condições ambientais, como vento ou neve. A configuração também é menos permeável à água, o que pode reduzir as taxas anuais de degradação. Módulos bifaciais são sem moldura. A eliminação da estrutura de alumínio reduz efetivamente as oportunidades de degradação induzida por potencial (PID) [3].

Fig. 3: A diferença entre células fotovoltaicas mono-faciais e bifacetárias.

A montagem de vidro duplo (DG) possui várias vantagens:

·          Redução no microfissuramento, delaminação e corrosão por umidade.

·          Baixa temperatura da célula

·          Nenhuma degradação induzida por potencial, já que não há estrutura metálica que exija aterramento.

·          Menor taxa de degradação

·          Maior classificação à prova de fogo.

·          Maior resistência mecânica e menos flexão.

Produtos de mercado

A Tabela 3 lista alguns dos sistemas BF disponíveis no mercado no momento, com suas características.

Parâmetros de desempenho

Vários parâmetros são usados na indústria para descrever as características dos módulos solares BF.

Fator de bifacialidade

Essa é a relação entre as eficiências do lado traseiro e do lado frontal, ou a relação entre a potência dianteira e a traseira medida em condições de teste padrão.

Ganho bifacial

Esta é a potência adicional obtida na parte de trás do módulo em comparação com a potência da frente do módulo em condições de teste padrão. O ganho bifacial depende da montagem (estrutura, altura, ângulo de inclinação e outros) e do albedo da superfície do solo.

Fig. 4: Construção de um módulo BF de vidro duplo.

Ganho bifacial = ( 𝑌𝐵𝑖 - 𝑌 ) / 𝑌𝑀𝑜

Onde:

YB _i = A potência do módulo BF.

YM _o = A energia de um módulo MF sob as mesmas condições.

Albedo

Essa é a proporção de luz refletida de uma superfície para a luz incidente e varia de acordo com os diferentes tipos de superfície.

Fig. 5: Efeito da altura no ganho de BF. Albedo 80%, linha de inclinação 2,5 m [4].

Relação de cobertura do solo

Esta é a relação entre a área do solo coberta pelos módulos fotovoltaicos e a área total do solo ocupada pela instalação. Essa relação afeta a luz refletida e pode influenciar o desempenho do painel BF.

Montagem ideal de módulos BF

Como os módulos bifaciais absorvem a radiação solar de ambos os lados, eles permitem uma variedade de opções de inclinação e instalação e são ideais para instalações em solo elevado, telhado, deserto e áreas com neve ou aplicações na água. Os sistemas de montagem projetados para otimizar o backscatter e a reflexão dos telhados e das instalações montadas no solo elevam a estrutura acima do solo ou do teto para captar mais luz difusa ou refletida.

Altura e espaçamento da estrutura

Elevar a estrutura acima do solo aumenta a quantidade de radiação que chega às costas do painel e, assim, melhora o desempenho e o ganho bifacial. Aumentar o espaçamento entre linhas também melhora o ganho bifacial (ver Fig. 6).

Fig. 6: Radiação no painel BF montado verticalmente (Sanyo).

O aumento de ganho parece achatar a uma altura de cerca de 1 m. Aumentar a altura da estrutura tem um efeito muito pronunciado nos arranjos de montagem no telhado, especialmente onde telhados planos estão envolvidos. O perigo de aumento do carregamento de vento pode ser um problema. Vários fabricantes de estruturas de montagem produziram estruturas elevadas para as instalações no solo e no telhado.

Os ganhos obtidos com o aumento da altura podem ser aproveitados em estruturas abertas, como estacionamentos e áreas de armazenamento ao ar livre, além de áreas de entretenimento e hospitalidade. O encapsulante transparente permite que alguma luz seja filtrada pelo módulo.

Painéis BF orientados verticalmente

Uma das aplicações mais interessantes para emergir da matriz BF é a possibilidade de uma matriz montada verticalmente. Painéis BF montados verticalmente têm sido usados efetivamente no passado como barreiras de luz e som nas rodovias. Um painel montado verticalmente ocupa muito menos espaço que um painel horizontal ou inclinado. Existem duas opções, orientação norte-sul clássica e orientação alternativa leste-oeste.

Para atender melhor à demanda no local com perfis de geração fotovoltaica ao longo do dia, há uma tendência de usar uma orientação de painel leste-oeste, onde metade dos painéis são inclinados para o leste para criar um pico de geração pela manhã e a metade restante inclinada para oeste permitir outro pico de geração no período da tarde (ver Fig. 7). Este perfil de pico duplo pode combinar melhor o uso de eletricidade no local, especialmente para instalações residenciais e comerciais.

Fig. 7: Padrão de radiação diária nos módulos BF leste-oeste [5].

Esta abordagem não convencional pode ir um pouco mais longe se forem usados módulos bifaciais de montagem leste-oeste montados verticalmente, o que reduziria em mais de metade o número de módulos necessários para uma instalação equivalente. Essa configuração produziria novamente dois picos de geração, mas também se beneficiaria da entrada de luz difusa adicional no módulo. Os painéis BF permitem uma orientação leste-oeste vertical montada, com potencial para fornecer maior produção de energia que os painéis monofaciais.

Na orientação norte-sul, o painel frontal recebe radiação direta e difusa e a parte traseira do painel recebe radiação difusa. Na orientação leste-oeste, com lados opostos voltados para leste e oeste, ambos os lados recebem radiação direta e refletida em diferentes momentos do dia (ver Fig. 7). No primeiro local, o método de montagem parece ser ineficiente, já que ao meio dia o sol está perpendicular aos painéis e não deve haver saída. A saída significativa deve-se ao fato de que as superfícies frontal e traseira estão recebendo a quantidade máxima de radiação refletida e difusa.

A radiação recebida por um módulo dependerá em grande parte da refletividade (albedo) de objetos próximos e do solo. Isto é particularmente importante para os módulos verticais em torno do meio-dia no verão, quando a luz solar direta do feixe é mais intensa, mas quando o ângulo do sol significa que a luz solar direta do feixe recebida pelos módulos é relativamente pequena. Um painel bifacial vertical reduz o acúmulo de poeira e neve e fornece dois picos de saída durante o dia, com o segundo pico alinhado com a demanda de pico de eletricidade (ver Fig. 8).

Fig. 8: Comparação entre as opções de montagem [5].

Uma das razões para uma maior produção de energia é que a temperatura do módulo leste-oeste é menor durante o tempo de irradiância máxima, em comparação com o módulo orientado a sul. Muitas redes com alta penetração de energia solar têm excedente de energia durante os horários de pico de produção do meio-dia e uma escassez durante o período fora de pico. Mudar os picos usando orientação de leste-oeste de montagem vertical para nova PV dá uma curva de produção de energia mais uniforme (ver Fig. 9).

Perspectivas futuras

Embora existam vários projetos usando módulos BF, a porcentagem de módulos BF no mercado é muito pequena no momento, mas espera-se que aumente significativamente no futuro, à medida que mais produtos chegam ao mercado e mais instalações são feitas. A possível melhoria de até 30% na produção deverá ser muito mais atraente do que os poucos pontos percentuais de aumento na eficiência que pode ser alcançada com o desenvolvimento de tecnologia.

Fig. 9: Crescimento esperado no uso de células BF [1].

Referências

[1] T Dullweber, et al: “células solares Bifacial PERC +: status de implementação industrial e perspectivas futuras”,     Oficina bifiPV2017, Konstanz, outubro de 2017.
[2] W Herman: “Características de desempenho de módulos fotovoltaicos bifaciais e rotulagem de potência” , oficina bifiPV2017, Konstanz, outubro de 2017.
[3] D Brearly: “Bifacial PV Systems”, revista Solarpro Edição 10.2, mar / abr '17
[4] Solarworld: “ Como maximizar o rendimento energético com tecnologia bifacial”, White paper SW9001US 160729
[5] EPRI: “Módulos solares fotovoltaicos bifaciais”, www.epri.com