両面太陽電池パネルは増加した出力電位を与える

投稿者：2018年5月9日、記事に掲載された：Eikeize、マイク・ライクロフト、EE出版社

太陽電池モジュールの裏面の反射および拡散放射は、大幅な効率の改善なしに太陽電池モジュールの出力を増加させる可能性があります。

歴史的に、バイフェイシャル（BF）太陽電池は、統合された太陽光発電アプリケーションの構築や、利用可能な太陽エネルギーの大部分が地面や周辺の物体から反射する拡散日光（極端な緯度や積雪の多い地域）でのターゲットでした。 しかし、近年の標準的なスクリーン印刷太陽電池の安定したピーク効率とソーラーガラスのコストの大幅な削減との組み合わせにより、二面式ソーラーモジュールが注目を浴びています[2]。 。

BF技術の目的は、太陽電池モジュールやパネルの効率を高めることではなく、モジュールあたりの太陽エネルギーを増やすことです。 地面の反射率、地面からの高さ、傾斜角などの要因に応じて、最大30％のゲインが予測されます。 モジュールが受ける放射線は、いくつかの要素で構成されています。

1.太陽からの直接放射。

2.空気中の粒子、雲などによって引き起こされる間接拡散放射。

3.太陽電池モジュールに近い面からの反射放射。

反射放射は一般に太陽エネルギーの計算では考慮されません。 拡散放射測定は、水平面より上の放射源を指します。 日射量を測定する通常の方法は、水平に取り付けられ、水平面より上の日射量を測定する日射計を使用します。 傾斜構成でも、日射計は測定面より下の放射線を測定しません（図1を参照）。

図1日射計による日射量の測定

拡散放射線は、全放射線のかなりの量を占める可能性がありますが、この多くは傾斜型または水平に取り付けられたモジュールには取り込まれません。 モジュールを傾けると直接放射の強度は増しますが、間接放射の大部分は遮断されます。 拡散放射は本質的に等方性であり、すなわちそれは光源に関係なく同じ値を有するのに対して、反射放射は太陽電池アレイを取り囲む表面の性質、アレイの角度および他の要因に依存するであろう。 前面パネルは、直接放射と拡散放射の両方を受信します。この比率はパネルの傾斜角によって異なります。

モジュールの背面は、2つの光源から光を受け取ります。

・          近接場散乱： 反射された直接および拡散放射。

・          拡散放射： 拡散源から直接反射されない放射。

異なる表面は異なる速度で光を反射し、反射特性はアルベドファクタによって記述される。 アルベドは、非発光面の反射率を表します。これは、表面から反射された光と付随する放射との比によって決まります。 測定されたアルベドのいくつかの値については表1を参照してください[2]

直接光に対する拡散光の比率は、条件によって異なります。 雲による低放射輝度下では、拡散光の割合は晴天時よりも高くなるため、単面PVと比較した場合の利得は晴天時よりも高くなる可能性があります[5]。

BFモジュールの構築

セル構造

モノフェイシャルＰＶセルは通常、前面に当たる光をより良く吸収するためにセルの背面に反射層を備えて構成される。 前面層で吸収されない光子は、戻りトリップで吸収される可能性があるため、セルの効率が向上します。 これは、法線と反対方向に進む光子が電気を発生させることができ、背面に落ちた光子がセルに入ることを許される場合、それらは電気を発生させるために効果的に使用されることができる。 これは、導体としても作用する反射層を部分的に除去することによって達成される（図２参照）。

図2：パネル背面の反射光[3]

セルの背面で導電層を減らすと抵抗が増加し、これを補償するために前面よりもセルの背面でより多くの導体が必要とされる。 これは、放射線に利用可能なセルの背面の面積を減少させる。

様々な種類のＰＶセルの構成は、示されているものよりも複雑であり、変換はそれほど単純ではない。 効率的に機能するBFセルを作るために必要な他のステップがあります。 BF原理を使用するいくつかの設計が登場しました。 大部分は既存の細胞の改変を含むが、BF細胞として特に設計されているものがいくつかある。

ヘテロ接合とパッシベーションエミッタリアセル（ＰＥＲＣ）の２種類の両面セル構造が市場で一般的に使用されている。 ヘテロ接合セルは単結晶シリコンを使用していますが、PERCセルは単結晶シリコンと多結晶シリコンの両方のバージョンがあります。 二面電池は製造がより複雑であり、これはモジュールのコストを増大させる。

表2に示すように、背面照明の効率は前面照明よりも低くなります。これは主に、前面に比べてセルの背面で導体が占める面積が増加しているためです。

モジュール構成

モノフェイシャル（ＭＦ）結晶シリコンパネルは通常、背面が不透明な封入剤で覆われているが、この方法はＢＦシステムでは使用できない。 モジュールは、機械的強度を提供する透明な背面と前面を持っている必要があります。 さらに、細胞は保護材料の層に封入されなければならない。 採用される最も一般的な構成は、保護ポリマー材料に封入されているセルを囲む二重層の光起電ガラスである。

紫外線を透過させる透明バックシート材料または追加のソーラーガラス層のいずれかが、両面セルの背面を照らすことを可能にするために必要とされる。 ほとんどの場合、図4に示すように、製造業者は、一般的にガラスオンフィルムオプションと比較してフィールド耐久性を向上させるガラスオングラスパッケージを選択します。 ガラス - オン - ガラスパッケージはより硬質であり、それは輸送、取扱いおよび設置中のセルに対する機械的応力、ならびに風または雪のような環境条件による応力を減少させる。 この構成はまた水に対する透過性が低く、これは年間の分解速度を低下させる可能性がある。 両面モジュールはフレームレスです。 アルミフレームを排除すると、潜在的な劣化（PID）の可能性が効果的に減少します[3]。

図3：単面と二面の太陽電池の違い。

二重ガラス（DG）マウントには多くの利点があります。

・          微小亀裂、層間剥離および湿気腐食の減少

・          セル温度を下げます。

・          アースを必要とする金属フレームがないため、電位による劣化はありません。

・          より低い分解率。

・          より高い難燃性評価。

・          より高い機械的強度およびより少ない撓み。

マーケット商品

表3に、現在市場で入手可能なBFシステムのいくつかとその特性を示します。

性能パラメータ

業界では、BFソーラーモジュールの特性を記述するためにいくつかのパラメータが使用されています。

二面性係数

これは、背面効率と前面効率の比、または標準テスト条件下で測定された前面と背面の電力の比です。

バイフェイシャルゲイン

これは、標準テスト条件でのモジュールの前面からの電力と比較して、モジュールの背面からの追加電力です。 バイフェイシャルゲインは、土台の構造（高さ、傾斜角度など）とアルベドによって異なります。

図4デュアルガラスBFモジュールの構成

二面利得=（ 𝑌𝐵𝑖 - 𝑌 ）/ 𝑌𝑀𝑜

ここで、

YB _i = BFモジュールからの電力。

YM _o =同じ条件下でのMFモジュールからの電力。

アルベド

これは、表面から反射された光と入射光の比率であり、表面の種類によって異なります。

図5：BFゲインに対する身長の影響 アルベド80％、列ピッチ2,5 m [4]。

対地被覆率

これは、設置によって占有されている総接地面積に対する、PVモジュールによって覆われている接地面積の比率です。 この比率は反射光に影響を与え、BFパネルの性能に影響を与える可能性があります。

BFモジュールの最適実装

両面モジュールは両側からの太陽放射を吸収するので、それらはさまざまな傾斜および設置オプションを可能にし、高地、屋上、砂漠および積雪地域の設置または水中用途に理想的です。 後方散乱と屋根からの反射を最適化するように設計された設置システムや地上設置では、より散乱または反射された光を捉えるために地面または屋根の上に構造物を持ち上げます。

構造の高さと間隔

地面より上の構造を上げると、パネルの背面に到達する放射量が増え、パフォーマンスとバイフェイシャルゲインが向上します。 行間の間隔を広げると、バイフェイシャルゲインも向上します（図6を参照）。

図6：垂直に取り付けられたBFパネル（三洋電機）の放射線。

利得の増加は、約1 mの高さで平らになるようです。 構造物の高さを高くすると、特に平屋根が含まれる場合は、ルーフマウントアレイに非常に顕著な影響があります。 風荷重が増大する危険性が問題になる可能性があります。 いくつかの取付構造製造業者は、地上設置と屋根設置の両方のための高架構造を製造している。

高さを増すことで得られる利益は、駐車場や野外貯蔵庫などのオープンシェッドタイプの建造物、ならびに娯楽およびホスピタリティ分野で有効に活用することができます。 透明な封入剤は、いくらかの光がモジュールを通過するのを可能にする。

垂直方向のBFパネル

BFアレイから生まれた最も興味深いアプリケーションの1つは、垂直マウントアレイの可能性です。 垂直に設置されたＢＦパネルは、これまで高速道路上の防音壁および防音壁として効果的に使用されてきた。 垂直に取り付けられたパネルは、水平または傾斜したパネルよりはるかに少ないスペースを占めます。 2つの選択肢があります。古典的な南北方向と代替の東西向きです。

1日を通してオンサイトの需要と太陽光発電のプロファイルをよりよく一致させるために、パネルの半分を朝に発電ピークを作成するためにパネルの半分を東に傾け、残りの半分を西に傾ける東西パネルの向きを使用する傾向があります。午後に別の世代のピークを見込んでください（図7参照）。 この二重ピークのプロファイルは、特に住宅用および商業用の設置において、オンサイトの電力使用によりよく一致します。

図7：東西BFモジュールの日射量パターン[5]

垂直に取り付けられた東西向きの両面モジュールを使用すれば、この型にはまらないアプローチでさらに一歩進むことができます。これにより、同等の設置に必要なモジュール数が半分以上になります。 この構成もまた２つの生成ピークを生成するであろうが、モジュールに入る追加の拡散光からも利益を得るであろう。 BFパネルは、垂直に取り付けられた東西方向の向きを可能にし、モノフェイシャルパネルよりも高いエネルギー生産を可能にします。

南北方向では、前面パネルは直接および拡散放射を受け、パネルの背面は拡散放射を受ける。 反対側が東と西を向く東西方向では、両側は一日の異なる時間に直接と反射の放射線を受けます（図7参照）。 最初のサイトでは、マウント方法は非効率的に見えます。真昼の太陽はパネルに対して直角で、出力がないはずです。 重要な出力は、前面と後面の両方が最大量の拡散放射と反射放射を受けているという事実によるものです。

モジュールが受ける放射線は、近くの物体の反射率（アルベド）と地面に大きく依存します。 これは、直射日光が最も激しいけれども太陽の角度がモジュールによって受け取られる直射日光が比較的小さいことを意味する夏の正午頃の垂直モジュールにとって特に重要である。 垂直の二面パネルは、日中のほこりや雪の蓄積を減らし、2つの出力ピークを提供します。2番目のピークはピーク電力需要に合わせて調整されます（図8参照）。

図8：取り付けオプションの比較[5]

エネルギー生産量が多い理由の1つは、南向きモジュールと比較して、最大放射照度時の東西モジュールの温度が低いことです。 太陽の浸透率が高い多くのネットワークでは、正午のピーク生産時には余剰のエネルギーがあり、オフピーク時には不足しています。 新しい太陽光発電に垂直マウントの東西方向を使用してピークをシフトすると、より均等なエネルギー生産曲線が得られます（図9を参照）。

今後の見通し

BFモジュールを使用するプロジェクトはいくつかありますが、現時点では市場におけるBFモジュールの割合はごくわずかですが、製品の市場投入およびインストールの増加に伴って、将来大幅に増加すると予想されます。 技術開発で達成される可能性がある効率の数パーセントポイントの増加よりも、最大30％の出力の向上がはるかに魅力的であると予想されます。

図9：BF細胞の使用量の増加予測[1]

参考文献

[1] T Dullweber、et al： "Bifacial PERC +太陽電池：産業上の実施状況と将来の展望"、     bifiPV2017ワークショップ、コンスタンツ、2017年10月。
[2] W Herman：「2面PVモジュールの性能特性および電力ラベル」 、 bifiPV2017ワークショップ、コンスタンツ、2017年10月。
[3] D Brearly： "Bifacial PV Systems"、 Solarpro マガジン 発行 10.2、17 / 3/4 '17
[4] Solarworld： 「 バイフェイシャル技術を使ってエネルギー収量を最大化する方法」ホワイトペーパーSW9001US 160729
[5] EPRI：「Bifacial Solar PV Modules」、 www.epri.com