Panele fotowoltaiczne bifacial - czym są?

Panel fotowoltaiczny (PV) to najbardziej rzucający się w oczy element instalacji PV, umiejscowiony najczęściej na dachu lub specjalnej konstrukcji na powierzchni gruntu. W dużym uproszczeniu można go opisać jako osadzony na wspólnej ramie zestaw kilkudziesięciu (najczęściej 48-72), połączonych szeregowo elementów o wymiarach około 15x15 cm. Każde z nich kolei to kilkadziesiąt miniaturowych ogniw fotowoltaicznych – elementów półprzewodnikowych, które dzięki swoim właściwościom są w stanie przekształcać padające na nie promienie słoneczne w energię elektryczną w postaci prądu stałego. Po konwersji na prąd zmienny, za pośrednictwem falownika (inwertera), jest on przesyłany do instalacji elektrycznej budynku i wykorzystywany do zasilania podłączonych do niej urządzeń. 

Zarówno panele, jak i ogniwa PV to struktury przypominające „kanapkę”, czyli poszczególne warstwy i elementy są nakładane na siebie. W dużym uproszczeniu można powiedzieć, że podstawą panelu fotowoltaicznego są dwie warstwy materiału półprzewodnikowego (najczęściej wykonanego na bazie krzemu, rzadziej selenu lub germanu). Górna warstwa (tak zwana warstwa p), wystawiona bezpośrednio na działanie promieni słonecznych przyjmuje formę cienkiej, przeźroczystej struktury, nad którą umiejscowiona jest elektroda ujemna oraz powłoka antyrefleksyjna. Druga, dolna warstwa (zwana n) jest grubsza, natomiast pod nią znajduje się elektroda dodatnia. Obie warstwy oddzielone są odpowiednią barierą potencjałów, opartą o złącza p-n (półprzewodników niesamoistnych). 

Aby zabezpieczyć ogniwo przed negatywnym wpływem warunków atmosferycznych, uszkodzeniami mechanicznymi i zapewnić odpowiedni poziom hermetyzacji są one oklejane foliami polimerowymi (najczęściej wykonanymi z octanu winylu etylowego, EVA). Powierzchnie górne pokrywane są z kolei warstwami antyrefleksyjnymi i pasywacyjnymi (zabezpieczającymi przez zachodzeniem niepożądanych reakcji chemicznych, m.in. utlenianiu elektrod). Z zewnątrz, od strony, na którą padają promienie słoneczne, panel PV chroniony jest od uszkodzeń mechanicznych hartowaną szybą o grubości kilku milimetrów. Ważnym elementem jest również tak zwana puszka przyłączeniowa, z której wystają kable umożliwiające łączenie poszczególnych ogniw.

Proces wytwarzania prądu stałego w ogniwach PV można opisać jako reakcję fizyczną. Emitowany przez Słońce strumień fotonów niesie ze sobą określoną dawkę energii. Padając na powierzchnię półprzewodnikowego ogniwa PV, zderzają się one z elektronami, przekazując im swoją energię. Jest ona pochłaniana przez elektron, który przenosi się do pasma przewodnictwa i chwilowo zmienia właściwości materiału półprzewodnikowego. Inaczej rzecz ujmując, uderzenie fotonu w elektron przenosi go na wyższy poziomy energetyczny, który wywołuje siłę elektromotoryczną. To jest właśnie istota zjawiska fotowoltaicznego. 

Fotowoltaika to dziedzina, którą charakteryzuje stały i dynamiczny rozwój. Wciąż pojawiają się nowe technologie i nowe materiały. Obecnie stosowane ogniwa PV można podzielić na trzy generacje:

• Generacja I – to ogniwa krzemowe w wersji mono- i polikrystalicznej. Ze względu na korzystną relację cena-jakość wciąż należą do najczęściej stosowanych. 
• Generacja II – została zapoczątkowana wprowadzeniem na rynek ogniw z krzemu amorficznego. Obejmuje również ogniwa z tellurku kadmu (CdTe) oraz mieszanek miedzi, indu, galu i selenu (CIGS). Są to przeważnie ogniwa cienkowarstwowe, w których warstwa półprzewodnika ma grubość ok. 1-3 μm (mikrometrów, czyli jednej milionowej metra). 
• Generacja III- to ogniwa barwnikowe i polimerowe, pozbawione złącz p-n. Ich zasada działania opiera się na wykorzystaniu znanego z roślin zjawiska fotosyntezy - nanokomórki ogniw trzeciej generacji zawierają syntetyczny „chlorofil”. Ich główne wady, ograniczające zastosowanie komercyjne, to przede wszystkim wysoka cena oraz niewielka wydajność (kształtująca się na poziomie około 8%) i trwałość niższa od ogniw pierwszej i drugiej generacji. 

Do ogniw III generacji zalicza się również opracowane w ostatnim czasie ogniwa perowskitowe, których fabrykę firma Saule Technologies otworzyła w 2021 roku we Wrocławiu. Ogniwa tego typu generują energię ze światła słonecznego i sztucznego, nawet w słabych warunkach oświetleniowych. Są bardzo lekkie i elastyczne, a koszt ich produkcji jest niższy niż ogniw krzemowych. 

Jak wspomnieliśmy na początku, panel fotowoltaiczny to zbiór kilkudziesięciu mniejszych ogniw, połączonych równolegle lub szeregowo i osadzonych na wspólnej ramie. Rozwiązanie takie wynika z faktu, że moc pojedynczego ogniwa PV oscyluje na poziomie 1-2 W (watów), co dla większości zastosowań jest niewystarczające. Składający się z kilkudziesięciu ogniw panel o powierzchni 2 m² potrafi osiągnąć w warunkach standardowych (STC) moc szczytową (Wp) znacznie wyższą, dochodzącą nawet do 600 Wp. Panele instalacji fotowoltaicznej rzadko jednak działają w „standardowych” warunkach, dlatego też przy ich wyborze przydaje się znajomość charakterystyk prądowo-napięciowych I(U) w szerokim zakresie warunków pracy.

Wydajność najlepszych ogniw fotowoltaicznych do komercyjnych zastosowań sięga obecnie nawet 25% a zwiększanie mocy instalacji odbywa się drogą zwiększania powierzchni zainstalowanych paneli. Ze względu na technologię budowy paneli fotowoltaicznych można je podzielić na:

• Panele w technologii HIT – cienka warstwa krzemu krystalicznego typu „n” umieszczona jest pomiędzy dwiema równie cienkimi warstwami krzemu amorficznego. Ich zaletą jest zdolność do wytwarzania energii elektrycznej nawet z niskoenergetycznego promieniowania podczerwonego oraz niski temperaturowy współczynnik spadku mocy. Panele często występują w formie „plastra miodu” (sześciokąta), co pozwala na bardziej ekonomiczne wykorzystanie „wafli” krystalicznego krzemu.
• Technologia ogniw monokrystalicznych typu „p” – najbardziej obecnie rozpowszechniona, zaliczana do ogniw I generacji. Na etapie produkcji krzemu dodawane są do niego domieszki (np. bor), sprawiają, że cały materiał jest złączem typu „p”. W górnej części ogniwa znajduje się dodatkowo cienka warstwa krzemu typu N.  
• Panele z obiema elektrodami z tyłu – tak zwane all back contact. Charakteryzuje je stosunkowo wysoka sprawność i podwyższona odporność na korozję połączeń elektrycznych. Wadą tego typu rozwiązania jest efekt degradacji PID. Polega on na przepływie ładunków do ziemi i spadku mocy panelu w efekcie indukowania wysokich napięć (rzędu ~600V) pomiędzy ramą panelu a półprzewodnikiem. Konieczne jest wtedy uziemienie bieguna dodatniego i odpowiedni dobór falownika.
• Technologiia SmartWire – proces lutowania zastąpiono laminowaniem przodu i tyłu panelu specjalna folią z mikroprzewodami. W efekcie uzyskano znacznie większą ilość punktów kontaktowych, dzięki czemu ogniwo pracuje nawet przy mikropęknięciach. 
• Technologia typu PERC – z ang. Passivated Emitter and Rear Cell. Z tyłu ogniwa dodano dodatkową warstwę pasywującą, która jednocześnie odbija część niezaabsorbowanych promieni słonecznych z powrotem do ogniwa fotowoltaicznego. Uzyskano w ten sposób ograniczoną zdolność wykorzystania światła odbitego od strony spodniej panelu. Technologia ta zwiększa wydajność ogniw zwłaszcza w pochmurne dni, poranki i wieczory. 
• Panele dwustronnie aktywne (bifacial) - ich ogniwa charakteryzuje zdolność absorpcji światła słonecznego z obu stron. Zarówno przód, jak i tył modułu PV pokryty jest szkłem hartowanym lub specjalną folią. Większa ilość absorbowanego światła przekłada się z kolei na wyższą wydajność modułów bifacjalnych, sięgającą nawet o 25-30% w porównaniu do paneli jednostronnych.

Historia paneli dwustronnie aktywnych sięga lat osiemdziesiątych XX w., jednak skomercjalizowania i upowszechnia tej technologii dokonała firma Sanyo w pierwszej dekadzie XXI w. Obecnie dostępne są również w ofercie konkurencyjnych firm, takich jak: Prism Solar, PVGS, Yingli oraz LG. Zdaniem większości specjalistów ogniwa „bifacjalne” mają szansę stać się w najbliższej przyszłości dominującym trendem w fotowoltaice.  

Krzemowe panele bifacial wyróżnia zdolność generowania energii przez przednią i tylną część urządzenia. Dodatkowo dawka promieniowania, absorbowanego przez tylną część panelu sprawia, że generuje on więcej prądu i o wyższym napięciu niż klasyczne panele jednostronne (monofacjalne). Jak łatwo się domyśleć, pozwala to również na uzyskanie większej mocy z ogniw o tej samej powierzchni. 

Panele bifacial zbudowane są z ogniw typu „n”(negative), co oznacza, że powierzchnia krzemowego półprzewodnika pokryta jest dodatkowo cienką warstwą fosforu. Atomy fosforu posiadają o jeden elektron więcej od atomów krzemu, co sprawia, że przenoszony przez nie ładunek elektryczny jest ujemny. Ogniwa typu „n” w porównaniu z dominującymi w panelach jednostronnych ogniwami typu „p” (positive) charakteryzuje wyższa wydajność, większa sprawność, mniejsza podatność na degradację wraz z upływem czasu. 

Efektywność ogniw typu „n” podnosi znacząco stosowane w „bifacjalach” dwustronne szklenie. Hartowana szyba bez problemu wytrzymuje intensywne opady deszczu i śniegu, zapewnia również dość efektywną ochronę przeciwpożarową paneli. 

Panele bifacial i współczynnik albedo

Dodatkowy uzysk z tylnej strony panelu uzależniony jest przede wszystkim od ilości promieniowania odbitego od podłoża. Dlatego też jednym z kluczowych parametrów dla wyliczania efektywności paneli dwustronnie aktywnych jest tak zwany współczynnik albedo (łac. białość). Opisuje on zdolność powierzchni do odbijania padającego na nią światła słonecznego. Dla wybranych powierzchni jego wartość przedstawia się następująco:

• czarna ziemia: 0,08 – 0,14,
• grunt: 0,07 – 0,20,
• trawa: 0,14 – 0,37, 
• piasek suchy: 0,35 – 0,45,
• piasek mokry: 0,20 – 0,30, 
• beton (np. chodnik): 0,20 – 0,35, 
• asfalt: 0,05 – 0,20, 
• śnieg świeży: 0,80 – 0,95, 
• membrana dachowa biała: ~0,8. 

Takie wartości współczynnika albedo oznaczają, że padające na czarną ziemię światło słoneczne zostanie odbite w najlepszym razie w 14%, natomiast w przypadku świeżego śniegu może to być nawet 95%. Średnia wartość albedo dla całej powierzchni Ziemi wynosi około 0,37, w tym dla obszarów lądowych od 0,1 do 0,4. Współczynnik albedo zmienia się oczywiście zależnie od pory roku, można jednak uśrednić jego wartość. 

Inne parametry, wpływające na wydajność paneli bifacial, to kąt nachylenia dachu, na którym są zainstalowane (w praktyce nie instaluje się „bifaciali” na dachach skośnych) oraz wysokość ich umiejscowienia nad powierzchnią odbijającą światło. Z uwagi na fakt, że panele bifacial zbudowane są według schematu szyba – ogniwa – szyba większa jest ich odporność na zewnętrzne uszkodzenia mechaniczne oraz działanie związków chemicznych. Dzieje się to jednak kosztem ciężaru, który jest wyższy niż w przypadku analogicznego panelu jednostronnego. 

Panele dwustronnie aktywne mogą być instalowane zarówno na gruncie, jak i na dachach budynków. Podobnie jak w przypadku rozwiązań monofacjalnych najlepszą orientacją - zarówno w aspekcie wydajności, jak i kosztów montażu - będzie ich skierowanie wprost na południe. Możliwa jest jednak także orientacja wschód-zachód. 

W porównaniu z panelami jednostronnymi główna różnica sprowadza się do minimalizacji efektu zacienienia tylnej strony modułów, a tym samym użycia nieco innych systemów montażowych. Konstrukcja wsporcza pod panele bifacial musi uwzględniać fakt, że nie mogą one być zacienione od dołu. Drugi ważny aspekt montażu to wysokość montażu paneli, a konkretnie ich odległość od powierzchni odbijającej padające światło. Lepszy uzysk energii zapewnia montaż na wysokim stelażu. Praktyka pokazuje, że panele bifacial najwyższą wydajność osiągają w przypadku orientacji południowej pod kątem nachylenia ok. 35º, ustawieniu pionowym w orientacji wschód-zachód lub zamontowane na jednoosiowym trackerze, czyli obrotowej konstrukcji podążającej za ruchem Słońca. To ostatnie rozwiązanie jest najefektywniejsze, ale zarazem najdroższe w realizacji.

Paneli tego typu nie można montować równolegle do powierzchni dachu, gdyż zablokowało by to odbijanie padającego światła. Im większy kąt nachylenia względem powierzchni dachu lub gruntu, tym wydajniejsza praca jest praca „bifaciali”. Dobrze sprawdzają się one na rozległych, płaskich dachach obiektów handlowych lub produkcyjnych oraz na konstrukcjach naziemnych.

Dwustronne moduły fotowoltaiczne to rozwiązanie stosunkowo nowe, jednak mające duży potencjał by stać się trwałym trendem na rynku technologii fotowoltaicznych. W porównaniu z rozwiązaniami monofacjalnymi ich najważniejsze zalety to: 

• wysoka wydajność nawet w warunkach gorszego oświetlenia, 
• większy uzysk energii z pojedynczego modułu, 
• możliwość instalacji większej mocy na tej samej powierzchni dachu, 
• dłuższa żywotność i wyższa odporność na uszkodzenia mechaniczne. 

Z dostępnego w Internecie raportu firmy Solarworld wynika, że ogniwo bifacial o mocy 330 Wp (330 W mocy szczytowej) jest w stanie wygenerować taka samą ilość energii elektrycznej co jednostronny moduł o mocy 410 Wp. Jest to więc wydajność wyższa ok. 25% w punkcie szczytowym (uśredniona wartość z całego dnia waha się zazwyczaj w przedziale 10-15%).

Podwójne szkło„bifaciali”to również minimalizacja ryzyka uszkodzeń spowodowanych indukowanym napięciem (tzw. PID - Potential Induced Degradation), czyli różnicą potencjału pomiędzy uziemioną ramą aluminiową paneli (zerowe napięcie) a skrajnie położonymi modułami o różnej biegunowości (napięcie rzędu 600V). PID może prowadzić do znacznych start mocy paneli, zwłaszcza w warunkach wysokiej temperatury i podwyższonej wilgotności. Przyczyną zjawiska często jest rozwarstwienie (delaminacja) powłoki antyrefleksyjnej, która odkleja się od krzemowej powierzchni ogniw – zwiększając tym samym absorpcję światła i ilość generowanej w ogniwie energii. 

Dwustronne panele bifacial sprawdzą się przede wszystkim w sytuacji, gdy inwestor dysponuje rozległą połacią płaskiego dachu lub niezabudowanym gruntem, którego nie planuje wykorzystywać w inny sposób. Istotna jest również możliwość dostosowania podłoża tak, by maksymalnie zwiększyć współczynnik albedo (np. pomalowanie na biało), co pozwoli zmaksymalizować pracę tylnej strony panelu i przyśpieszyć zwrot z inwestycji. 

Renomowani producenci zapewniają, że ich panele bifacial utrzymują średnio ponad 80% gwarantowanej mocy nawet po 30 latach pracy. Biorąc pod uwagę wszystkie powyższe aspekty, większą wydajność, zdolność pracy przy słabym nasłonecznieniu i niewielką różnicę w cenie, wydaje się, że instalacja paneli dwustronnie aktywnych jest opcją wartą poważnego rozważenia.

Masz pytania? Potrzebujesz więcej informacji? Skontaktuj się z nami