Panel Surya Bifacial Memberikan Potensi Peningkatan Daya Output

Dari: 9 Mei 2018, Diterbitkan di Artikel: Berikan energi, oleh Mike Rycroft, Penerbit EE

Radiasi yang dipantulkan dan difus pada sisi sebaliknya dari modul surya dapat meningkatkan output daya modul surya tanpa peningkatan efisiensi yang besar.

Secara historis, sel surya bifacial (BF) ditargetkan untuk membangun aplikasi PV terintegrasi atau di daerah di mana banyak energi matahari yang tersedia adalah sinar matahari difus yang memantul dari tanah dan benda-benda di sekitarnya, yaitu lintang ekstrim dan daerah rawan salju. Namun, kombinasi efisiensi puncak dataran tinggi dari sel surya standar yang dicetak di layar dan pengurangan signifikan dalam biaya kaca surya dalam beberapa tahun terakhir membuat penggunaan enkapsulasi kaca ganda (DG) yang layak telah mendorong modul surya bifacial kembali menjadi sorotan [2] .

Tujuan teknologi BF bukan untuk meningkatkan efisiensi modul surya atau panel tetapi untuk menangkap lebih banyak energi surya per modul. Keuntungan hingga 30% diproyeksikan, tergantung pada faktor-faktor seperti reflektifitas permukaan tanah, ketinggian di atas tanah, sudut kemiringan dan beberapa lainnya. Radiasi yang diterima oleh modul terdiri dari beberapa komponen:

1. Radiasi langsung dari matahari.

2. Radiasi difus tidak langsung yang disebabkan oleh partikel udara, awan dan lainnya.

3. Radiasi yang dipantulkan dari permukaan yang dekat dengan modul surya.

Radiasi pantulan umumnya tidak diperhitungkan dalam perhitungan energi surya. Pengukuran radiasi difus mengacu pada sumber radiasi di atas bidang horizontal. Metode pengukuran radiasi matahari yang biasa menggunakan pyranometer yang dipasang secara horizontal dan hanya mengukur radiasi di atas bidang horizontal. Bahkan dalam konfigurasi miring, pyranometer tidak akan mengukur radiasi di bawah bidang pengukuran (lihat Gambar 1).

Gbr. 1: Pengukuran radiasi matahari dengan pyranometer.

Radiasi difus dapat menyumbang sejumlah besar dari total radiasi tetapi banyak dari ini tidak akan ditangkap dalam modul yang dimiringkan atau dipasang secara horizontal. Memiringkan modul meningkatkan intensitas radiasi langsung tetapi menghalangi sebagian besar radiasi tidak langsung. Radiasi difus bersifat isoptropik, yaitu memiliki nilai yang sama terlepas dari sumbernya sedangkan radiasi yang dipantulkan akan tergantung pada sifat permukaan yang mengelilingi susunan surya, sudut susunan dan faktor lainnya. Panel depan akan menerima radiasi langsung dan difus, rasionya bergantung pada sudut kemiringan panel.

Sisi belakang modul akan menerima cahaya dari dua sumber:

·          Penyebaran medan dekat: memantulkan radiasi langsung dan difus.

·          Radiasi difus: radiasi non-pantulan langsung dari sumber difus.

Permukaan yang berbeda memantulkan cahaya pada laju yang berbeda dan sifat reflektif dijelaskan oleh faktor albedo. Albedo menggambarkan reflektifitas permukaan yang tidak bercahaya - itu ditentukan oleh rasio antara cahaya yang dipantulkan dari permukaan dan radiasi yang tidak disengaja. Lihat Tabel 1 untuk beberapa nilai albedo yang diukur [2]

Rasio cahaya difus ke cahaya langsung akan bervariasi sesuai kondisi. Di bawah pancaran rendah karena awan, persentase cahaya difus akan lebih tinggi daripada di bawah kondisi cerah dan oleh karena itu keuntungan dibandingkan dengan PV monofasial dapat lebih tinggi daripada di bawah kondisi cerah [5].

Konstruksi modul BF

Konstruksi sel

Sel PV monofasial biasanya dibangun dengan lapisan reflektif pada permukaan belakang sel untuk memungkinkan penyerapan cahaya yang lebih baik jatuh di permukaan depan. Foton yang tidak terserap di lapisan depan dapat diserap pada perjalanan pulang, sehingga meningkatkan efisiensi sel. Ini berarti bahwa foton yang bergerak berlawanan arah dengan normal dapat menghasilkan listrik dan jika foton yang jatuh di bagian belakang dapat diizinkan masuk ke dalam sel, foton dapat digunakan secara efektif untuk menghasilkan listrik. Ini dicapai dengan melepas sebagian lapisan reflektif, yang juga bertindak sebagai konduktor (lihat Gambar 2).

Gbr. 2: Lampu yang dipantulkan di bagian belakang panel [3].

Pengurangan lapisan konduktif di bagian belakang sel meningkatkan resistensi dan lebih banyak konduktor diperlukan di bagian belakang sel daripada di bagian depan untuk mengimbangi ini. Ini mengurangi area belakang sel yang tersedia untuk radiasi.

Konstruksi berbagai jenis sel PV lebih kompleks daripada yang ditunjukkan dan konversi tidak sesederhana itu. Ada langkah-langkah lain yang diperlukan untuk membuat sel BF yang bekerja secara efisien. Beberapa desain telah muncul yang menggunakan prinsip BF. Sebagian besar melibatkan modifikasi sel yang ada, tetapi ada beberapa yang telah dirancang khusus sebagai sel BF.

Dua jenis konstruksi sel bifacial yang umum digunakan di pasar: heterojunction dan sel belakang emitor pasif (PERC). Sel hetero menggunakan silikon monokristalin sementara sel PERC tersedia dalam versi silikon mono dan polikristalin. Sel bifacial lebih kompleks untuk diproduksi dan ini menambah biaya modul.

Efisiensi iluminasi belakang lebih rendah daripada iluminasi depan, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 2. Ini sebagian besar disebabkan oleh peningkatan area yang ditempati oleh konduktor di bagian belakang sel dibandingkan dengan depan.

Konstruksi modul

Panel silikon kristal monofasial (MF) biasanya terbungkus dalam enkapsulan buram di bagian belakang tetapi metode ini tidak dapat digunakan dengan sistem BF. Modul harus memiliki permukaan belakang dan depan transparan yang memberikan kekuatan mekanis. Selain itu, sel-sel harus ditutup dalam lapisan bahan pelindung. Konfigurasi paling umum yang diadopsi adalah lapisan ganda dari kaca fotovoltaik yang menutupi sel-sel yang dienkapsulasi dalam bahan polimer pelindung.

Baik bahan lembar belakang transparan tahan UV atau lapisan tambahan kaca surya diperlukan untuk memungkinkan cahaya untuk menyinari bagian belakang sel bifacial. Dalam kebanyakan kasus, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4, pabrikan memilih paket kaca-ke-kaca yang umumnya meningkatkan daya tahan medan dibandingkan dengan opsi kaca-pada-film. Paket kaca-pada-kaca lebih kaku, yang mengurangi tekanan mekanis pada sel selama transportasi, penanganan dan pemasangan, serta tekanan karena kondisi lingkungan seperti angin atau salju. Konfigurasi ini juga kurang permeabel terhadap air, yang dapat mengurangi laju degradasi tahunan. Modul bifacial tidak memiliki bingkai. Menghilangkan bingkai aluminium secara efektif mengurangi peluang degradasi yang diinduksi potensial (PID) [3].

Gambar 3: Perbedaan antara sel PV mono-facial dan bi-facial.

Pemasangan kaca ganda (DG) memiliki sejumlah keunggulan:

·          Pengurangan microcracking, delaminasi dan korosi kelembaban.

·          Suhu sel lebih rendah.

·          Tidak ada degradasi yang disebabkan potensial karena tidak ada bingkai logam yang membutuhkan pembumian.

·          Tingkat degradasi yang lebih rendah.

·          Peringkat tahan api lebih tinggi.

·          Kekuatan mekanik lebih tinggi dan lebih sedikit kelenturan.

Memasarkan produk

Tabel 3 mencantumkan beberapa sistem BF yang tersedia di pasar saat ini, dengan karakteristiknya.

Parameter kinerja

Beberapa parameter digunakan dalam industri untuk menggambarkan karakteristik modul surya BF.

Faktor bifaciality

Ini adalah rasio antara sisi belakang dan efisiensi sisi depan, atau rasio daya depan ke belakang yang diukur dalam kondisi pengujian standar.

Keuntungan bifasial

Ini adalah daya tambahan yang diperoleh dari bagian belakang modul dibandingkan dengan daya dari bagian depan modul pada kondisi pengujian standar. Keuntungan bifacial tergantung pada pemasangan (struktur, tinggi, sudut kemiringan dan lainnya) dan Albedo dari permukaan tanah.

Gbr. 4: Konstruksi modul BF kaca ganda.

Keuntungan bifasial = ( 𝑌𝐵𝑖 - 𝑌 ) / 𝑌𝑀𝑜

dimana:

YB _i = Kekuatan dari modul BF.

YM _o = Daya dari modul MF dalam kondisi yang sama.

Albedo

Ini adalah rasio cahaya yang dipantulkan dari permukaan ke cahaya yang datang dan bervariasi dengan jenis permukaan yang berbeda.

Gbr. 5: Efek ketinggian pada penguatan BF. Albedo 80%, baris pitch 2,5 m [4].

Rasio cakupan tanah

Ini adalah rasio luas tanah yang dicakup oleh modul PV terhadap total luas tanah yang ditempati oleh instalasi. Rasio ini memiliki efek pada cahaya yang dipantulkan dan dapat memengaruhi kinerja panel BF.

Pemasangan modul BF yang optimal

Karena modul bifacial menyerap radiasi matahari dari kedua sisi, mereka memungkinkan berbagai opsi kemiringan dan instalasi dan ideal untuk pemasangan di permukaan tanah, atap, gurun, dan area bersalju atau aplikasi di atas air. Sistem pemasangan yang dirancang untuk mengoptimalkan hamburan balik dan pantulan dari atap dan pemasangan di tanah meningkatkan struktur di atas tanah atau atap untuk menangkap lebih banyak cahaya yang tersebar atau terpantul.

Struktur tinggi dan jarak

Meningkatkan struktur di atas tanah meningkatkan jumlah radiasi yang mencapai bagian belakang panel sehingga meningkatkan kinerja dan keuntungan bifacial. Meningkatkan jarak antar baris juga meningkatkan keuntungan bifacial (lihat Gambar 6).

Gbr. 6: Radiasi pada panel BF yang dipasang secara vertikal (Sanyo).

Peningkatan gain tampaknya rata pada ketinggian sekitar 1 m. Peningkatan ketinggian struktur memiliki efek yang sangat nyata pada susunan dudukan atap, terutama jika atap datar dilibatkan. Bahaya peningkatan pemuatan angin bisa menjadi masalah. Beberapa produsen struktur pemasangan telah menghasilkan struktur yang ditinggikan baik untuk instalasi tanah maupun atap.

Keuntungan yang diperoleh dengan peningkatan ketinggian dapat dimanfaatkan dengan baik dalam struktur tipe gudang terbuka seperti tempat parkir dan ruang penyimpanan udara terbuka, serta area hiburan dan perhotelan. Encapsulant transparan memungkinkan cahaya menyaring modul.

Panel BF yang berorientasi vertikal

Salah satu aplikasi yang paling menarik untuk muncul dari array BF adalah kemungkinan array yang dipasang secara vertikal. Panel BF yang dipasang secara vertikal telah digunakan secara efektif di masa lalu sebagai penghalang suara dan cahaya di jalan TOL. Panel yang dipasang secara vertikal menempati ruang yang jauh lebih sedikit daripada panel horizontal atau miring. Ada dua pilihan, orientasi utara-selatan klasik dan alternatif menghadap timur-barat.

Untuk lebih mencocokkan permintaan di lokasi dengan profil pembuatan PV sepanjang hari, ada kecenderungan untuk menggunakan orientasi panel timur-barat, di mana separuh panel dimiringkan ke arah timur untuk menciptakan puncak generasi di pagi hari dan sisanya sisanya dimiringkan ke barat untuk memungkinkan untuk puncak generasi lain di sore hari (lihat Gambar 7). Profil puncak ganda ini dapat lebih cocok dengan penggunaan listrik di lokasi, terutama untuk instalasi perumahan dan komersial.

Gbr. 7: Pola radiasi harian pada modul BF timur-barat [5].

Pendekatan tidak konvensional ini dapat melangkah lebih jauh jika digunakan modul bifacial menghadap ke barat-barat yang dipasang secara vertikal, yang akan lebih dari separuh jumlah modul yang diperlukan untuk instalasi yang setara. Konfigurasi ini lagi akan menghasilkan dua puncak generasi tetapi juga akan mendapat manfaat dari cahaya difus tambahan memasuki modul. Panel BF memungkinkan orientasi timur-barat yang dipasang vertikal dengan potensi menghasilkan produksi energi yang lebih tinggi daripada panel monofasial.

Dalam orientasi utara-selatan, panel depan menerima radiasi langsung dan difus dan bagian belakang panel menerima radiasi difus. Dalam orientasi timur-barat dengan sisi berlawanan menghadap timur dan barat, kedua belah pihak menerima radiasi langsung dan pantulan pada waktu yang berbeda dalam sehari (lihat Gambar 7). Di situs pertama, metode pemasangan tampaknya tidak efisien, karena pada siang hari, matahari berada pada sudut yang tepat ke panel dan seharusnya tidak ada output. Output yang signifikan disebabkan oleh kenyataan bahwa permukaan depan dan belakang menerima jumlah maksimum dari radiasi difus dan pantulan.

Radiasi yang diterima oleh modul akan sangat tergantung pada reflektivitas (albedo) dari benda-benda terdekat dan tanah. Ini sangat penting untuk modul vertikal sekitar tengah hari di musim panas, ketika sinar matahari langsung paling kuat tetapi ketika sudut matahari berarti sinar matahari langsung yang diterima oleh modul relatif kecil. Panel bifacial vertikal mengurangi akumulasi debu dan salju dan memberikan dua puncak keluaran pada siang hari, dengan puncak kedua disejajarkan dengan permintaan listrik puncak (lihat Gambar 8).

Gbr. 8: Perbandingan antara opsi pemasangan [5].

Salah satu alasan untuk produksi energi yang lebih besar adalah bahwa suhu modul timur-barat lebih rendah selama waktu radiasi maksimum, dibandingkan dengan modul berorientasi selatan. Banyak jaringan dengan penetrasi matahari yang tinggi memiliki kelebihan energi selama masa puncak produksi tengah hari dan kekurangan selama periode off-peak. Menggeser puncak dengan menggunakan orientasi pemasangan vertikal barat-timur untuk PV baru memberikan kurva produksi energi yang lebih merata (lihat Gambar 9).

Prospek masa depan

Meskipun ada beberapa proyek yang menggunakan modul BF, persentase modul BF di pasar sangat kecil saat ini tetapi diperkirakan akan meningkat secara signifikan di masa depan karena lebih banyak produk datang ke pasar dan lebih banyak instalasi dilakukan. Kemungkinan peningkatan hingga 30% dalam output diharapkan akan jauh lebih menarik daripada peningkatan beberapa poin persentase dalam efisiensi yang mungkin dicapai dengan pengembangan teknologi.

Gambar 9: Pertumbuhan yang diharapkan dalam penggunaan sel BF [1].

Referensi

[1] T Dullweber, et al: "sel surya Bifacial PERC +: status implementasi industri dan perspektif masa depan",     lokakarya bifiPV2017, Konstanz, Oktober 2017.
[2] W Herman: "Karakteristik kinerja modul PV bifasial dan pelabelan daya" , lokakarya bifiPV2017, Konstanz, Oktober 2017.
[3] D Brearly: "Sistem Bifacial PV", majalah Solarpro Edisi 10.2, Mar / Apr '17
[4] Solarworld: " Cara memaksimalkan hasil energi dengan teknologi bifacial", White paper SW9001US 160729
[5] EPRI: "Modul PV surya bifacial", www.epri.com