Les panneaux solaires bifaciaux augmentent le potentiel de puissance

De: 9 mai 2018, publié dans Articles: Energize, par Mike Rycroft, EE Publishers

Les radiations réfléchies et diffuses au verso des modules solaires peuvent augmenter la puissance de sortie des modules solaires sans amélioration majeure de l'efficacité.

Historiquement, les cellules solaires bifaciales (BF) étaient destinées aux applications photovoltaïques intégrées au bâtiment ou dans des zones où la majeure partie de l'énergie solaire disponible était constituée de lumière solaire diffuse qui avait rebondi sur le sol et les objets environnants, à savoir les latitudes extrêmes et les régions enneigées. Cependant, la combinaison des rendements de pointe des cellules solaires sérigraphiées standard et des réductions significatives du coût du verre solaire au cours des dernières années, rendant l'utilisation de l'encapsulation en double vitrage (DG) viable, a repoussé les projecteurs bifaciaux [2]. .

L'objectif de la technologie BF n'est pas d'augmenter l'efficacité du module ou du panneau solaire, mais de capter plus d'énergie solaire par module. Des gains pouvant atteindre 30% sont projetés, en fonction de facteurs tels que la réflectivité de la surface du sol, la hauteur par rapport au sol, l’angle d’inclinaison, etc. Le rayonnement reçu par le module est composé de plusieurs composants:

1. Rayonnement direct du soleil.

2. Rayonnement diffus indirect causé par les particules d’air, les nuages et autres.

3. Rayonnement réfléchi par les surfaces proches du module solaire.

Le rayonnement réfléchi n'est généralement pas pris en compte dans les calculs d'énergie solaire. Les mesures de rayonnement diffus font référence aux sources de rayonnement situées au-dessus du plan horizontal. La méthode habituelle de mesure du rayonnement solaire utilise un pyranomètre qui est monté horizontalement et ne mesure que le rayonnement au-dessus du plan horizontal. Même dans une configuration inclinée, le pyranomètre ne mesurera pas le rayonnement en dessous du plan de mesure (voir Fig. 1).

Fig. 1: Mesure du rayonnement solaire avec un pyranomètre.

Le rayonnement diffus peut contribuer pour une part substantielle au rayonnement total, mais une grande partie de celui-ci ne sera pas capturée dans un module incliné ou monté horizontalement. L'inclinaison du module augmente l'intensité du rayonnement direct mais bloque une grande partie du rayonnement indirect. Le rayonnement diffus est de nature isoptropique, c’est-à-dire qu’il a la même valeur quelle que soit la source, tandis que le rayonnement réfléchi dépend de la nature de la surface entourant le générateur solaire, de son angle et d’autres facteurs. Le panneau avant recevra un rayonnement direct et un rayonnement diffus, le rapport dépendant de l'angle d'inclinaison du panneau.

La partie arrière du module recevra la lumière de deux sources:

·          Diffusion en champ proche: rayonnement réfléchi direct et diffus.

·          Rayonnement diffus: rayonnement non réfléchi provenant directement de sources diffuses.

Différentes surfaces réfléchissent la lumière à des vitesses différentes et les propriétés de réflexion sont décrites par le facteur albédo. L'albédo décrit la réflectivité d'une surface non lumineuse. Il est déterminé par le rapport entre la lumière réfléchie par la surface et le rayonnement incident. Voir le tableau 1 pour quelques valeurs d'albédo mesurées [2]

Le rapport entre la lumière diffuse et la lumière directe varie en fonction des conditions. Sous un faible rayonnement dû aux nuages, le pourcentage de lumière diffuse sera plus élevé que sous le soleil et le gain par rapport au PV monofacial peut donc être plus élevé que sous le soleil [5].

Construction de modules BF

Construction de la cellule

Les cellules PV monofaciales sont généralement construites avec une couche réfléchissante sur la face arrière de la cellule pour permettre une meilleure absorption de la lumière qui tombe sur la surface avant. Les photons qui ne sont pas absorbés dans la couche avant peuvent être absorbés au retour, augmentant ainsi l'efficacité de la cellule. Cela signifie que les photons se déplaçant dans le sens opposé à la normale peuvent générer de l'électricité et que si les photons tombant sur la face arrière peuvent pénétrer dans la cellule, ils peuvent être utilisés efficacement pour générer de l'électricité. Ceci est réalisé en retirant partiellement la couche réfléchissante, qui sert également de conducteur (voir Fig. 2).

Fig. 2: Lumière réfléchie à l'arrière du panneau [3].

La réduction de la couche conductrice à l'arrière de la cellule augmente la résistance, ce qui nécessite davantage de conducteurs à l'arrière de la cellule qu'à l'avant. Cela réduit la zone de l'arrière de la cellule disponible pour le rayonnement.

La construction des différents types de cellules PV est plus complexe que celle montrée et la conversion n’est pas aussi simple. Il faut d’autres étapes pour fabriquer une cellule BF qui fonctionne efficacement. Plusieurs conceptions sont apparues qui utilisent le principe BF. La plupart impliquent la modification de cellules existantes, mais il en existe plusieurs spécialement conçues comme cellules BF.

Deux types de construction de cellules bifaciales sont couramment utilisés sur le marché: l’hétérojonction et la cellule arrière à émetteur passivé (PERC). Les cellules à hétérojonction utilisent du silicium monocristallin, tandis que la cellule PERC est disponible en versions à la fois en silicium monocristallin et polycristallin. Les cellules bifaciales sont plus complexes à fabriquer, ce qui augmente le coût du module.

L'efficacité de l'éclairage arrière est inférieure à celle de l'avant, comme l'indique le tableau 2. Cela est dû en grande partie à la plus grande surface occupée par les conducteurs situés à l'arrière de la cellule par rapport à l'avant.

Construction du module

Les panneaux de silicium cristallin monofacial (MF) sont généralement enfermés dans un agent d'encapsulation opaque à l'arrière, mais cette méthode ne peut pas être utilisée avec les systèmes BF. Le module doit avoir des surfaces arrière et avant transparentes offrant une résistance mécanique. De plus, les cellules doivent être enfermées dans une couche de matériau protecteur. La configuration la plus couramment adoptée est une double couche de verre photovoltaïque renfermant les cellules encapsulées dans un matériau polymère protecteur.

Un matériau de feuille de fond transparent résistant aux UV ou une couche supplémentaire de verre solaire est requis pour permettre à la lumière de briller à l'arrière d'une cellule bifaciale. Dans la plupart des cas, comme le montre la figure 4, les fabricants optent pour un boîtier verre sur verre qui améliore généralement la durabilité sur le terrain par rapport aux options verre sur film. L'emballage verre sur verre est plus rigide, ce qui réduit les contraintes mécaniques sur les cellules lors du transport, de la manipulation et de l'installation, ainsi que les contraintes dues aux conditions environnementales telles que le vent ou la neige. La configuration est également moins perméable à l'eau, ce qui peut réduire les taux de dégradation annuels. Les modules bifaciaux sont sans cadre. L'élimination du cadre en aluminium réduit efficacement les risques de dégradation induite par le potentiel (PID) [3].

Fig. 3: Différence entre les cellules PV monofaciales et bi-faciales.

Le montage en double vitrage (DG) présente de nombreux avantages:

·          Réduction de la micro-fissuration, du délaminage et de la corrosion due à l'humidité.

·          Abaisser la température de la cellule.

·          Aucune dégradation induite par le potentiel, car il n'y a pas de cadre métallique nécessitant une mise à la terre.

·          Taux de dégradation inférieur.

·          Indice antidéflagrant supérieur.

·          Plus grande résistance mécanique et moins de flexion.

Produits du marché

Le tableau 3 répertorie certains des systèmes BF disponibles sur le marché à l’heure actuelle, avec leurs caractéristiques.

Paramètres de performance

Plusieurs paramètres sont utilisés dans l’industrie pour décrire les caractéristiques des modules solaires BF.

Facteur de bifacialité

Il s'agit du rapport entre les rendements des faces arrière et avant, ou du rapport entre la puissance avant et arrière mesurée dans des conditions de test standard.

Gain bifacial

Il s'agit d'une puissance supplémentaire obtenue à l'arrière du module par rapport à la puissance à l'avant du module dans des conditions de test standard. Le gain bifacial dépend du montage (structure, hauteur, angle d'inclinaison et autres) et de l'albédo de la surface du sol.

Fig. 4: Construction d'un module double vitrage BF.

Gain bifacial = ( 𝑌𝐵𝑖 - 𝑌 ) / 𝑌𝑀𝑜

où:

YB _i = L'alimentation du module BF.

YM _o = La puissance d'un module MF dans les mêmes conditions.

Albédo

Il s'agit du rapport entre la lumière réfléchie par une surface et la lumière incidente et varie selon les types de surface.

Fig. 5: Effet de la hauteur sur le gain de BF. Albedo 80%, espacement des lignes de 2,5 m [4].

Ratio de couverture du sol

Il s'agit du rapport entre la surface au sol couverte par les modules PV et la surface au sol totale occupée par l'installation. Ce rapport a un effet sur la lumière réfléchie et peut influer sur les performances du panneau BF.

Montage optimal des modules BF

Étant donné que les modules bifaciaux absorbent le rayonnement solaire des deux côtés, ils permettent diverses options d’inclinaison et d’installation. Ils conviennent parfaitement aux installations sur sol élevé, sur les toits, dans les zones désertiques et enneigées ou les applications sur l’eau. Les systèmes de montage conçus pour optimiser la rétrodiffusion et la réflexion sur les toits et les installations au sol soulèvent la structure au-dessus du sol ou du toit pour capter davantage de lumière dispersée ou réfléchie.

Hauteur et espacement de la structure

Le fait de soulever la structure au-dessus du sol augmente la quantité de rayonnement atteignant l'arrière du panneau et améliore ainsi les performances et le gain bifacial. L'augmentation de l'espacement entre les rangées améliore également le gain bifacial (voir Fig. 6).

Fig. 6: Rayonnement sur un panneau BF monté verticalement (Sanyo).

L’augmentation du gain semble s’aplatir à une hauteur d’environ 1 m. L'augmentation de la hauteur de la structure a un effet très prononcé sur les baies de montage de toit, en particulier lorsque des toits plats sont impliqués. Le danger d'une augmentation de la charge du vent peut être un problème. Plusieurs fabricants de structures de montage ont produit des structures surélevées pour les installations au sol et sur le toit.

Les gains obtenus avec une hauteur accrue peuvent être utilisés à bon escient dans des structures de type hangar telles que des parcs de stationnement et des baies de stockage en plein air, ainsi que dans des espaces de divertissement et d'accueil. L'encapsulant transparent permet à la lumière de filtrer à travers le module.

Panneaux BF orientés verticalement

L'une des applications les plus intéressantes de la matrice BF est la possibilité d'une matrice montée verticalement. Les panneaux BF montés verticalement ont déjà été utilisés efficacement comme barrières antibruit et antibruit sur les autoroutes. Un panneau monté verticalement occupe beaucoup moins d'espace qu'un panneau horizontal ou incliné. Deux options existent: l'orientation classique nord-sud et l'alternative est-ouest.

Afin de mieux faire correspondre la demande sur site aux profils de production photovoltaïques tout au long de la journée, on a tendance à utiliser une orientation est-ouest des panneaux, la moitié des panneaux étant inclinée vers l’est pour créer un pic de génération le matin et la moitié restante vers l’ouest pour permettre un autre pic de génération dans l'après-midi (voir Fig. 7). Ce profil à double pic peut mieux correspondre à la consommation d'électricité sur site, en particulier pour les installations résidentielles et commerciales.

Fig. 7: Diagramme de rayonnement quotidien sur les modules FB est-ouest [5].

Cette approche non conventionnelle peut aller encore plus loin si des modules bifaciaux orientés est-ouest, montés verticalement, permettraient de réduire de plus de moitié le nombre de modules nécessaires pour une installation équivalente. Cette configuration produirait à nouveau deux pics de génération mais bénéficierait également de la lumière diffuse supplémentaire entrant dans le module. Les panneaux BF permettent une orientation verticale est-ouest avec un potentiel de production d'énergie supérieur à celui des panneaux monofaciaux.

Dans l’orientation nord-sud, le panneau avant reçoit un rayonnement direct et diffus et l’arrière du panneau reçoit un rayonnement diffus. Dans l'orientation est-ouest avec les côtés opposés orientés est et ouest, les deux côtés reçoivent un rayonnement direct et réfléchi à différents moments de la journée (voir Fig. 7). Sur le premier site, la méthode de montage semble inefficace, car à midi, le soleil est perpendiculaire aux panneaux et il ne devrait y avoir aucune sortie. Un rendement important est dû au fait que les surfaces avant et arrière reçoivent le maximum de rayonnement diffus et réfléchi.

Le rayonnement reçu par un module dépendra dans une large mesure de la réflectivité (albédo) des objets proches et du sol. Ceci est particulièrement important pour les modules verticaux aux alentours de midi en été, lorsque l'ensoleillement direct est le plus intense mais que l'angle du soleil signifie que l'ensoleillement direct reçu par les modules est relativement faible. Un panneau bifacial vertical réduit l'accumulation de poussière et de neige et fournit deux pics de sortie pendant la journée, le second pic étant aligné sur la demande de pointe en électricité (voir fig. 8).

Fig. 8: Comparaison entre les options de montage [5].

L’une des raisons de l’augmentation de la production d’énergie est que la température du module est-ouest est plus basse pendant la période d’éclairement énergétique maximale que celle du module orienté au sud. De nombreux réseaux à fortes pénétrations d’énergie solaire présentent un excédent d’énergie pendant les périodes de pointe de la production à midi et une pénurie pendant les périodes creuses. Déplacer les pics en utilisant l'orientation verticale est-ouest pour les nouveaux PV donne une courbe de production d'énergie plus uniforme (voir Fig. 9).

Perspectives d'avenir

Bien que plusieurs projets utilisent des modules BF, le pourcentage de modules BF sur le marché est très faible pour le moment, mais il devrait augmenter considérablement à l'avenir, à mesure que davantage de produits arriveront sur le marché et que plus d'installations seront réalisées. L’amélioration possible de la production pouvant aller jusqu’à 30% devrait être bien plus intéressante que les quelques points de pourcentage d’augmentation de l’efficacité pouvant être obtenus avec le développement technologique.

Fig. 9: Croissance attendue de l'utilisation des cellules BF [1].

Références

[1] T Dullweber, et al: «Cellules solaires PERC + bifaciales: état de la mise en œuvre industrielle et perspectives d'avenir»,     Atelier bifiPV2017, Constance, octobre 2017.
[2] W Herman: «Caractéristiques de performance des modules photovoltaïques bifaciaux et étiquetage de l'alimentation» , atelier bifiPV2017, Constance, octobre 2017.
[3] D Brearly: «Systèmes photovoltaïques bifaciaux», magazine Solarpro , numéro 10.2, mars / avril 2017.
[4] Solarworld: « Comment maximiser le rendement énergétique avec la technologie bifaciale», livre blanc SW9001US 160729
[5] EPRI: “Modules photovoltaïques bifaciaux”, www.epri.com