Bifacial 태양 전지판은 향상된 출력 잠재력을 제공합니다

올린 사람 : 2018 년 5 월 9 일 기사 : Energize, Mike Rycroft, EE Publishers

태양 전지 모듈의 뒷면에 반사되고 확산 된 복사열은 주요 효율 개선없이 태양 전지 모듈의 전력 출력을 증가시킬 수 있습니다.

역사적으로 bifacial (BF) 태양 전지는 집적 된 PV 응용 프로그램을 구축하거나 사용 가능한 태양 에너지의 대부분이 지상 및 주변 물체, 즉 극한 위도 및 눈이 많이 내리는 지역에서 튀어 나온 확산 태양 광선을 대상으로했습니다. 그러나 표준 스크린 인쇄 태양 전지의 정체 된 최고 효율과 최근 듀얼 글래스 (DG) 캡슐화의 실용화를 가져온 태양 광 유리의 비용을 크게 줄인 것은 양면 태양 전지 모듈을 주목 받고있다 [2] .

BF 기술의 목적은 태양 광 모듈이나 패널의 효율을 높이는 것이 아니라 모듈 당 더 많은 태양 에너지를 포착하는 것입니다. 지면 반사율, 지상 높이, 경사각 및 기타 여러 요인에 따라 최대 30 %의 이득이 예상됩니다. 모듈이받는 방사선은 다음과 같은 여러 구성 요소로 구성됩니다.

1. 태양으로부터의 직접 복사.

2. 공기 입자, 구름 및 기타로 인한 간접 확산 복사.

3. 태양 광 모듈에 가까운 표면에서 반사 된 방사.

반사 된 방사선은 일반적으로 태양 에너지 계산에서 고려되지 않습니다. 확산 방사선 측정은 수평면 위의 방사선 소스를 의미합니다. 태양 복사를 측정하는 통상적 인 방법은 수평으로 설치되고 수평면 위의 복사만을 측정하는 일사량 계를 사용합니다. 기울어 진 구성에서도 평행 기는 측정면 아래에서 방사선을 측정하지 않습니다 (그림 1 참조).

그림 1 : 일사량 계의 일사량 측정.

확산 복사열은 총 복사량의 상당 부분을 차지하지만이 중 많은 부분이 기울어 진 또는 수평으로 장착 된 모듈에 캡처되지 않습니다. 모듈을 기울이면 직접적인 방사선의 강도는 증가하지만 간접 방사선의 많은 부분을 차단합니다. 확산 복사는 본질적으로 등 방성 (isoptropic)입니다. 즉, 광원에 관계없이 동일한 값을 가지지 만 반사 된 복사는 태양 전지 배열 주변의 표면의 성질, 배열의 각도 및 기타 요소에 따라 달라집니다. 전면 패널에는 직접 및 확산 복사열이 모두 수신되며이 비율은 패널의 경사각에 따라 다릅니다.

모듈의 뒷면에는 두 개의 광원이 있습니다.

·          근거리 산란 (near field scatter) : 반사 된 직접 및 확산 복사.

·          Diffuse radiation (확산 방사선) : 확산 소스에서 직접 반사되지 않는 방사선.

다른 표면은 다른 속도로 빛을 반사하고 반사 특성은 알베도 인자로 설명됩니다. 알베도는 비 발광 표면의 반사율을 묘사합니다. 이것은 표면에서 반사 된 빛과 부수적 인 방사선의 비율에 의해 결정됩니다. 측정 된 알베도 값에 대해서는 표 1을 참조하십시오 [2]

직접 빛에 대한 확산 광의 비율은 조건에 따라 다릅니다. 구름에 의한 낮은 복사도 하에서 확산 광선의 백분율은 맑은 날씨보다 높을 것이고 따라서 단일 평면 PV와 비교했을 때 이득은 맑은 날씨보다 높을 수있다.

BF 모듈의 제작

셀 구조

단면 PV 셀은 일반적으로 전면에 떨어지는 빛을보다 잘 흡수 할 수 있도록 셀의 뒷면에 반사층이 형성되어 있습니다. 앞쪽 레이어에 흡수되지 않은 광자는 왕복 여행에서 흡수되어 셀의 효율성을 높입니다. 즉, 정상 방향과 반대 방향으로 이동하는 광자가 전기를 생성 할 수 있으며 뒷면에 떨어지는 광자가 셀에 들어갈 수 있다면 전기를 생성하는 데 효과적으로 사용할 수 있습니다. 이것은 도체 역할을하는 반사층을 부분적으로 제거함으로써 성취됩니다 (그림 2 참조).

그림 2 : 패널 뒷면의 반사광 [3].

셀의 후면에서 전도성 레이어를 줄이면 저항이 증가하고이를 보완하기 위해 셀의 후면에서 더 많은 도체가 전면보다 필요합니다. 이렇게하면 방사선의 사용 가능한 셀 후면 영역이 줄어 듭니다.

PV 셀의 다른 유형의 구성은 표시된 것보다 더 복잡하며 변환은 간단하지 않습니다. 효율적으로 작동하는 BF 셀을 만드는 데 필요한 다른 단계가 있습니다. BF 원칙을 사용하는 몇 가지 디자인이 등장했습니다. 대부분은 기존 세포의 변형을 수반하지만 BF 세포로 특이 적으로 설계된 세포가 있습니다.

헤테로 접합 및 패시베이션 된 이미 터 후방 전지 (PERC)의 두 가지 유형의 이원 전지 구성이 시장에서 일반적으로 사용됩니다. 헤테로 접합 셀은 단결정 실리콘을 사용하고 PERC 셀은 단결정 및 다결정 실리콘 버전으로 사용할 수 있습니다. 양면 각형 셀은 제조하기가 더 복잡하며 이로 인해 모듈 비용이 추가됩니다.

후면 조명의 효율성은 표 2에 표시된 것처럼 전면 조명보다 낮습니다. 이는 주로 전면과 비교하여 셀 후면의 도체가 차지하는 면적이 증가했기 때문입니다.

모듈 구성

단층 (MF) 결정질 실리콘 패널은 일반적으로 후면의 불투명 봉지 재에 넣어 지지만이 방법은 BF 시스템과 함께 사용할 수 없습니다. 모듈은 기계적 강도를 제공하는 투명한 후면 및 전면을 가져야합니다. 또한 세포는 보호 물질 층에 넣어 져야합니다. 채택 된 가장 일반적인 구성은 보호 폴리머 재료로 캡슐화 된 세포를 둘러싸는 광전지 유리의 이중층이다.

양면 유리 뒷면에 빛이 비치도록하려면 자외선 차단 투명 백 시트 또는 태양 유리 추가 레이어가 필요합니다. 대부분의 경우 그림 4와 같이 제조업체는 유리 온 필름 옵션에 비해 현장 내구성을 일반적으로 향상시키는 유리 온 유리 패키지를 선택합니다. glass-on-glass 패키지는보다 견고하여 운송, 취급 및 설치 중 세포의 기계적 스트레스뿐만 아니라 바람이나 눈과 같은 환경 조건으로 인한 스트레스를 감소시킵니다. 또한이 구성은 물에 대한 투과성이 낮아 연간 열화 율을 감소시킬 수 있습니다. 양면 모듈은 프레임이 없습니다. 알루미늄 프레임을 제거하면 잠재적으로 유도 된 성능 저하 (PID) 가능성이 감소합니다 [3].

그림 3 : 단일 얼굴 및 이중 얼굴 PV 셀의 차이.

이중 유리 (DG) 장착에는 다음과 같은 여러 가지 장점이 있습니다.

·          미세 균열, 박리 및 습기 부식 감소.

·          낮은 셀 온도.

·          접지가 필요한 금속 프레임이 없으므로 잠재적으로 유발되는 성능 저하가 없습니다.

·          낮은 분해율.

·          높은 방염 등급.

·          높은 기계적 강도와 덜 굴곡.

시장 제품

표 3에는 현재 시장에서 사용 가능한 일부 BF 시스템과 그 특성이 나와 있습니다.

성능 파라미터

BF 태양 전지 모듈의 특성을 설명하기 위해 여러 매개 변수가 업계에서 사용됩니다.

양면 계수

이것은 후방 측면과 전방 측면의 효율 사이의 비율 또는 표준 테스트 조건에서 측정 된 전방과 후방 동력의 비율입니다.

양면 이득

이것은 표준 테스트 조건에서 모듈 전면의 전원과 비교하여 모듈 후면에서 얻은 추가 전력입니다. 양면 이득은 장착면 (구조, 높이, 경사각 등)과 지표면의 알베도에 따라 달라집니다.

그림 4 : 이중 유리 BF 모듈의 제작.

양면 이득 = ( 𝑌𝐵𝑖 - 𝑌 ) /

어디에:

YB _i = BF 모듈의 전원.

YM _o = 동일한 조건에서 MF 모듈로부터의 전력.

알베도

이것은 표면에서 반사 된 빛과 입사광의 비율이며 표면 유형에 따라 다릅니다.

그림 5 : 높이가 BF 게인에 미치는 영향. 알베도 80 %, 행 피치 2,5m [4].

지면 피복 율

이것은 PV 모듈이 차지하는지면 면적과 설치에 사용 된 총지면 면적의 비율입니다. 이 비율은 반사광에 영향을 미치며 BF 패널의 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.

BF 모듈의 최적 장착

양면 모듈은 양면에서 태양 복사를 흡수하기 때문에 다양한 기울기 및 설치 옵션이 가능하며 지상, 옥상, 사막 및 설원 지역 설치 또는 수중 적용에 이상적입니다. 지붕 및 지상 설치물에서 후방 산란 및 반사를 최적화하도록 설계된 장착 시스템은 지붕이나 지붕 위에 구조물을 올리므로 더 많은 산란 또는 반사 된 빛을 포착 할 수 있습니다.

구조물의 높이와 간격

지상에서 구조물을 들어 올리면 패널 뒤쪽에 도달하는 방사선의 양이 늘어나므로 성능과 양면 이득이 향상됩니다. 행간 간격을 늘리면 양면 이득도 향상됩니다 (그림 6 참조).

그림 6 : 수직으로 장착 된 BF 패널 (산요)의 방사선.

이득 증가는 약 1m의 높이에서 평평 해 보인다. 구조의 높이를 높이면 특히 지붕이 평평한 지붕 장착 배열에 매우 큰 영향을 미칩니다. 바람 하중 증가의 위험이 문제가 될 수 있습니다. 여러 마운팅 구조 제조업체는 지상 및 지붕 설치용으로 높은 구조를 생산했습니다.

증가 된 높이로 얻은 이득은 주차 공간 및 야외 저장 공간뿐만 아니라 엔터테인먼트 및 접대 분야와 같은 개방형 창고 형 구조물에 유용하게 사용될 수 있습니다. 투명 인 캡슐 런트 (encapsulant)는 모듈을 통해 약간의 빛이 필터링되도록합니다.

수직 배향 BF 패널

BF 어레이에서 나오는 가장 흥미로운 애플리케이션 중 하나는 수직으로 장착 된 어레이의 가능성입니다. 수직으로 장착 된 BF 패널은 과거에는 고속도로에서 소리와 빛의 장벽으로 효과적으로 사용되었습니다. 수직으로 장착 된 패널은 수평 또는 기울어 진 패널보다 훨씬 적은 공간을 차지합니다. 고전적인 남북 방향과 대안적인 동서 방향으로 두 가지 옵션이 있습니다.

낮 시간 동안 태양 광 발전 프로파일과 온 사이트 요구를 더 잘 일치 시키려면 동서 방향의 패널 방향을 사용하는 경향이 있습니다. 동쪽 방향 패널의 절반은 동쪽으로 기울어 져 아침에 생성 피크를 만들고 나머지 절반은 서쪽으로 기울어 져 있습니다. 오후에 또 다른 세대 피크를 허용합니다 (그림 7 참조). 이 이중 피크 프로파일은 특히 주거용 및 상업용 설치시 현장 전기 사용과 더 잘 일치 할 수 있습니다.

그림 7 : 동서 BF 모듈의 일일 방사 패턴 [5].

이처럼 비 전통적 접근 방식은 수직 설치 형 동서 방향 양면 모듈을 사용하면 동등한 설치에 필요한 모듈의 수를 절반 이상으로 줄일 수 있습니다. 이 구성은 다시 2 세대 피크를 생성하지만 모듈에 들어가는 추가 확산 광의 이점도 얻을 수 있습니다. BF 패널은 단면 패널보다 높은 에너지 생산을 제공 할 수있는 동서 방향을 수직으로 장착 할 수 있습니다.

남북 방향에서 전면 패널은 직접 및 확산 방사능을받으며 패널 후면은 확산 복사열을받습니다. 반대쪽이 동쪽과 서쪽을 향한 동서 방향에서 양측은 하루 중 다른 시간대에 직접 반사 된 방사선을 받는다 (그림 7 참조). 첫 번째 현장에서, 설치 방법은 비효율적 인 것처럼 보이는데, 한낮에는 태양이 패널과 직각을 이루며 출력이 없어야합니다. 현저한 출력은 전방 및 후방 표면 모두가 확산 및 반사 된 방사선의 최대량을 수신한다는 사실에 기인한다.

모듈에 의해 수신 된 방사선은 가까운 물체와지면의 반사율 (알베도)에 크게 좌우됩니다. 이는 직접 광선 햇빛이 가장 강렬한 여름에 정오 경 수직 모듈에서 특히 중요하지만 태양의 각도가 모듈에 의해 수신되는 직접 광선 일조가 비교적 작다는 것을 의미합니다. 수직 이중 패널은 먼지와 눈의 누적을 줄이고 낮에는 2 개의 출력 봉우리를 제공하며 두 번째 봉우리는 최대 전력 수요에 맞 춥니 다 (그림 8 참조).

그림 8 : 장착 옵션 비교 [5].

에너지 생산량이 더 많은 이유 중 하나는 동쪽 - 서쪽 모듈의 온도가 남쪽 방향 모듈과 비교하여 최대 방사 조 명 시간 동안 낮다는 것입니다. 태양 광의 침투력이 높은 많은 네트워크는 한낮의 정점 생산 시간 동안 과량의 에너지를 소비하며, 비수기에는 부족합니다. 새로운 태양 광에 대해 수직 방향으로 동서 방향을 사용하여 피크를 이동하면 에너지 생산 곡선이 더 균일하게됩니다 (그림 9 참조).

미래 전망

BF 모듈을 사용하는 프로젝트가 여러 개 있지만 BF 모듈의 비율은 현재 매우 적지 만 앞으로 더 많은 제품이 출시되고 더 많은 설치가 진행됨에 따라 향후 크게 증가 할 것으로 예상됩니다. 생산량에서 최대 30 %의 가능한 개선은 기술 개발을 통해 달성 될 수있는 효율성의 몇 % 포인트 증가보다 훨씬 더 매력적 일 것으로 예상됩니다.

그림 9 : BF 셀 사용에서 예상되는 성장 [1].

참고 문헌

[1] T Dullweber, 외 : "Bifacial PERC + 태양 전지 : 산업 구현 상태 및 향후 전망",     bifiPV2017 워크샵, Konstanz, October 2017.
[2] W Herman : "bifacial PV 모듈 및 전력 라벨링의 성능 특성" , bifiPV2017 워크숍, Konstanz, October 2017
[3] D Brearly : "Bifacial PV Systems", Solarpro 매거진 10.2, Mar / Apr '17
[4] Solarworld : " 이중 기술로 에너지 수율을 극대화하는 방법", 백서 SW9001US 160729
[5] EPRI : "양면 태양 PV 모듈", www.epri.com