چکیده

مقصد بهبود کارایی انرژی در سیستم‌های فوتوولتائیک (PV) به‌ویژه در اماکن عمومی از اهمیت بالایی برخوردار است، زیرا محدودیت‌های مکانی در این گونه تاسیسات وجود دارد. این مقاله به بررسی روش‌های ارتقای کارایی سیستم‌های فوتوولتائیک در چنین اماکنی با استفاده از پنل‌های بیفاکسیال (Bifacial) می‌پردازد. در این مقاله، ارزیابی‌ای از بازدهی انرژی و کارایی نصب بر اساس نوع پوشش سقف ارائه شده و همچنین تحلیل اقتصادی اثرات استفاده از پنل‌های بیفاکسیال انجام شده است.

کلمات کلیدی

منابع انرژی تجدیدپذیر، انرژی خورشیدی، پنل‌های فوتوولتائیک (PV)، نیروگاه فوتوولتائیک (PV)

مقدمه

ساختمان‌های عمومی مانند مدارس، مهدکودک‌ها و غیره معمولاً از طرح‌های مشابهی برخوردارند و اغلب دارای سقف‌های تخت هستند. بهبود کارایی انرژی این گونه ساختمان‌ها می‌تواند با استفاده از سیستم‌های فوتوولتائیک نصب‌شده بر روی سقف محقق شود. ماژول‌های بیفاکسیال (Bifacial) امکان افزایش تولید برق در فضای سقف محدود نیروگاه‌های فوتوولتائیک را فراهم می‌کنند. کارایی سیستم‌های فوتوولتائیک می‌تواند با استفاده از پوشش‌های سقف با بازتابندگی بالا (آلبدو) بیشتر ارتقا یابد. این موضوع امکان کاهش دوره بازگشت سرمایه را نیز فراهم می‌کند، که برای سرمایه‌گذاران از اهمیت بالایی برخوردار است.

ویژگی‌های پنل‌های فوتوولتائیک بی‌فاکسیال

ماژول‌های فوتوولتائیک بیفاکسیال، برخلاف ماژول‌های تک‌روی، از جذب همزمان تابش خورشیدی از دو سطح برای تبدیل به برق استفاده می‌کنند.

فناوری بیفاکسیال از تابش خورشیدی نه‌تنها به‌صورت مستقیم، بلکه از تابش بازتاب‌شده و پراکنده نیز بهره می‌برد.

بخش اصلی تولید انرژی از نور خورشید به‌صورت مستقیم تأمین می‌شود. با این حال، این تنها نوع تابشی نیست که بر کارایی پنل‌های بیفاکسیال تأثیر می‌گذارد. ماهیت دوگانه این پنل‌ها، امکان بهره‌برداری همزمان از نور خورشید پراکنده در آسمان و تابش بازتاب‌شده از زمین و محیط پنل را فراهم می‌کند.

ساختار داخلی سلول‌های بیفاکسیال بسته به نوع نیمه‌رسانای مورد استفاده متفاوت است. شکل ۱ یک نمونه از این ساختار را نشان می‌دهد.

شکل ۱: نمودار باند انرژی یک سلول خورشیدی بیفاکسیال [۱]

تغییر ساختار پنل‌ها مستلزم معرفی پارامترهای اضافی برای توصیف پنل‌های فوتوولتائیک است. علاوه بر پارامترهای پایه‌ای که پنل‌های فوتوولتائیک سنتی را مشخص می‌کنند، پارامترهای جدیدی نیز وجود دارند:

• انرژی بیفاکسیال

که در آن: Isc,back – جریان کوتاه‌مدت سمت پشت ماژول تحت شرایط STC، Isc,front – جریان کوتاه‌مدت سمت رو ماژول تحت شرایط STC.

در عمل، این مقدار ظرفیت جذب فوتون سمت پشت ماژول بیفاکسیال را تعیین می‌کند.

GE – مقدار تابش برای اندازه‌گیری‌ها با استفاده از شبیه‌ساز نور [W/m²]

که در آن: G0 – تابش رادیاسیون برخوردکننده بر روی سمت رو پنل؛ Gread – تابش رادیاسیون برخوردکننده بر روی سمت پشت پنل.

FFbi – ضریب پر کردن سلول دوگانه

که در آن: pFF – ضریب پر کردن که تلفات در مقاومت سری را در نظر نمی‌گیرد؛ UOC,bi – ولتاژ مدار باز سلول دوگانه.

تابش برخوردکننده بر پنل‌های بی‌فاکسیال فوتوولتائیک

تولید برق از سیستم‌های فوتوولتائیک، به دلیل وابستگی به عوامل مختلف محیطی [۵] و پیری پنل‌ها [۶]، ناپایدار است. پیش‌بینی دقیق تغییرات آب‌وهوا بسیار دشوار [۷]، اما تخمین مقدار انرژی قابل دست‌یافتن در بازه‌های زمانی طولانی‌تر (مانند ماهانه) ساده‌تر است. کارایی عملیاتی نیروگاه‌های فوتوولتائیک تا حد زیادی به نوع پنل‌های استفاده‌شده، موقعیت آنها، اینورتر و سایر اجزای سیستم بستگی دارد [۸، ۹].

میزان تابش بازتاب‌شده به نوع سطح زیر سیستم فوتوولتائیک بستگی دارد. پارامتر کلیدی که این پدیده را تعیین می‌کند، ضریب آلبدو (جدول ۱) است؛ این ضریب نسبت نور بازتاب‌شده به نور ورودی بر روی یک صفحه را نشان می‌دهد. هر چه ضریب آلبدو بالاتر باشد، نور بازتاب‌شده بیشتری به سمت پشت ماژول بیفاکسیال می‌رسد که می‌تواند تولید انرژی را تا ۳۰٪ نسبت به ماژول تک‌روی افزایش دهد. مقایسه قدر تولیدشده توسط انواع مختلف سیستم‌های فوتوولتائیک در شکل ۲ ارائه شده است.

شکل ۲: روش‌های نصب ماژول‌های بیفاکسیال (a‑d)، که در آن S/N به معنای جنوب/شمال، B/T به معنای بالا/پایین، و E/W به معنای شرق/غرب هستند؛ همچنین نشان‌دهنده مقایسه قدر تولیدشده توسط انواع خاص تاسیسات (e) [۲] است.

جدول ضریب آلبدو سطوح منتخب

فرضیات تاسیسات مورد تحلیل

در اینجا فرضیات مورد استفاده در تحلیل سیستم‌های فوتوولتائیک ارائه شده است: مساحت سقف قابل استفاده، زاویه میل، نوع پوشش سقف، داده‌های طیفی تابش خورشید، نرخ‌های تاriff برق، عمر مفید پیش‌بینی‌شده و نرخ بازده مالی مورد نیاز.

پنل‌های بدون فاکسیل: راهی برای افزایش کارایی انرژی در تاسیسات عمومی

این بخش دوم از سه بخش مقاله اصلی است. آن را به طور کامل به زبان فارسی و به صورت HTML ترجمه کنید.

محتوای اصلی (بخش دوم از سه بخش):

تاسیسات مورد بررسی در ساختمانی با سقف مسطح به ابعاد ۵۰x۲۰ متر و ارتفاع ۱۰ متر واقع شده است. این ساختمان دارای مساحت سقف ۱۰۰۰ متر مربع می‌باشد. طراحی این تاسیسات شامل ویژگی‌های معمولی است که در تاسیسات عمومی مانند مدارس، مهدکودک‌ها و دیگر مکان‌های مشابه استفاده می‌شود. این ساختمان در بخش شمال شرقی لهستان، در شهر بیانستوک قرار دارد. تاسیسات به سمت جنوب (زاویه ۰ درجه) طراحی شده و شیب ماژول‌ها ۱۵ درجه است. قدرت تاسیسات خورشیدی معادل ۵۰ کیلووات می‌باشد و از اینورتر با قدرت P=۵۰ کیلووات (مدل: هوواوی – SUN2000-50KTL-M3) بهره‌برداری شده است. همچنین تاسیسات بر روی یک سازه حمایتی با بار بلالس نصب خواهد شد که به طور خاص برای نوع خاصی از ماژول‌ها تنظیم شده است.

عنصر متغیر در این تحلیل، نوع ماژول‌های خورشیدی است. موارد زیر از نظر تولید انرژی با هم مقایسه خواهند شد:

• پنل تک‌سویه مونوکریستالی تولید شده توسط لانگی سولار، با قدرت P= ۵۰۰ وات پیکسلی – شماره مدل LR5-66HIH500M،
• پنل دو سویه مونوکریستالی تولید شده توسط لانگی سولار، با قدرت P= ۵۰۰ وات پیکسلی، شماره مدل LR5-66HBD-500M.

تحلیل تولید انرژی و کارایی مدل‌های انتخابی تاسیسات خورشیدی در تاسیسات عمومی

مدل‌های زیر مورد تحلیل قرار خواهند گرفت:

• مدل ۱: تاسیسات خورشیدی با ماژول‌های تک‌سویه بر روی یک سازه استاندارد و بر روی سقفی ساخته شده از آب‌بندی قیرگونی با گرافیت،
• مدل ۲: تاسیسات خورشیدی با ماژول‌های دو سویه بر روی یک سازه مرتفع و بر روی سقفی ساخته شده از آب‌بندی قیرگونی با گرافیت (آلبدو = ۰.۲)،
• مدل ۳: تاسیسات خورشیدی با ماژول‌های دو سویه بر روی یک سازه مرتفع و بر روی سقفی ساخته شده از آب‌بندی قیرگونی سبز (آلبدو = ۰.۴۵)،
• مدل ۴: تاسیسات خورشیدی با ماژول‌های دو سویه بر روی یک سازه مرتفع و بر روی سقفی ساخته شده از آب‌بندی قیرگونی خاکستری (آلبدو = ۰.۷۵)،
• مدل ۵: تاسیسات خورشیدی با ماژول‌های دو سویه بر روی یک سازه مرتفع و بر روی سقفی ساخته شده از غشای سفید یا فویل سقفی (آلبدو = ۰.۹۵)،

در تمام مدل‌های مورد تحلیل، قدرت تاسیسات خورشیدی ۵۰ کیلووات در نظر گرفته شده است. تاسیسات شامل ۱۰۰ ماژول با قدرت ۵۰۰ وات هر کدام بودند. سیستم به ۵ رشته از ۲۰ ماژول خورشیدی تقسیم شد تا پارامترهای الکتریکی ورودی اینورتر به خوبی تامین شود. این ملاحظات فرض می‌کنند که قدرت تاسیسات به مقداری محدود است که تنها نیاز به اطلاع‌رسانی به DSO دارد و نیازی به تغییر ظرفیت اتصال برای تاسیسات آموزشی عمومی معمول نیست.

پس از تحلیل ابعاد ساختمان و تعیین تعداد ماژول‌ها و رشته‌ها، یک مدل سه‌بعدی برای تمامی شرایط طراحی ایجاد شد. سیستم خورشیدی به ۱۰ ردیف از ۱۰ پنل تقسیم شد. فاصله بین ردیف‌ها ۴ متر در نظر گرفته شد تا سایه‌اندازی پنل‌ها به حداقل برسد. این مدل امکان تحلیل تولید انرژی و کارایی سیستم را در تمام مدل‌های طراحی‌شده فراهم آورد.

اطلاعات آب‌وهوایی در محل کار تاسیسات خورشیدی مورد بررسی در جدول ۳ ارائه شده است.

نتایج شبیه‌سازی مدل‌های فردی

نتایج شبیه‌سازی مدل‌های فردی امکان تحلیل مقایسه‌ای دقیق تولید انرژی و کارایی تاسیسات خورشیدی با استفاده از ماژول‌های تک‌سویه و دو سویه را فراهم کرد. مقادیر تابش بر روی دو طرف ماژول‌های خورشیدی بسته به مقدار آلبدو سطح در شکل ۳ ارائه شده است.

شکل ۳. تابش بر روی دو طرف ماژول خورشیدی بسته به مقدار ضریب آلبدو سطح.

ستون‌های سبز مقادیر تابش بر روی سطح ماژول‌های تک‌سویه و بر روی طرف جلویی ماژول‌های دو سویه را نشان می‌دهند. در حالی که ستون‌های با رنگ‌های مختلف، مقدار تابش بر روی سطح پشتی ماژول‌های دو سویه را در هر یک از مدل‌ها منعکس می‌کنند. بهترین مدل مورد تحلیل، امکان وارد کردن انرژی اضافی به شبکه را با مقدار ۹۸۲۴ کیلووات ساعت، یعنی ۱۹ درصد بیشتر نسبت به استفاده از ماژول‌های تک‌سویه، فراهم می‌کند. مقدار انرژی سالانه وارد شده به شبکه در تمام مدل‌های مورد تحلیل و مقادیر درصدی نسبت به استفاده از ماژول‌های تک‌سویه در شکل ۵ و شکل ۶ ارائه شده‌اند.

مقدار کلیدی این تحلیل، ضریب PR (نسبت عملکرد) کارایی تاسیسات خورشیدی مورد آزمایش است. این ضریب به عنوان یک شاخص کلی برای مقایسه سیستم‌ها عمل می‌کند: هر چه مقدار آن بالاتر باشد، تاسیسات کارآمدتر خواهد بود.

شکل ۴. درصد افزایش تابش رسیده به ماژول‌ها.

شکل ۵. انرژی سالانه وارد شده به شبکه در هر یک از مدل‌ها.

شکل ۶. درصد افزایش سالانه انرژی وارد شده به شبکه

شکل ۷. نسبت عملکرد (PR) کارایی تاسیسات خورشیدی مورد آزمایش.

اطلاعات مهم دیگر توزیع سالانه برق پیش‌بینی شده برای وارد شدن به شبکه برق است. نمودارهای پیش‌بینی انرژی وارد شده به شبکه برق در ماه‌های آینده برای تمام مدل‌های مورد تحلیل در شکل ۸ ارائه شده‌اند.

تحلیل نشان می‌دهد که در دوره زمستان (نوامبر تا فوریه) مقدار انرژی تولید شده در تاسیسات بسیار مشابه است. این وضعیت به دلیل تعداد کم روزهای آفتابی و دوره کوتاه قرار گرفتن در معرض تابش خورشید است. علاوه بر این، لازم است که امکان پوشش برفی را نیز در نظر بگیریم؛ این امر امکان تولید انرژی از طرف جلویی ماژول‌های خورشیدی را کاهش می‌دهد و در عین حال مقدار آلبدو زمین را افزایش می‌دهد، که نتیجه آن افزایش مقدار انرژی تولید شده از سطح پشتی ماژول خورشیدی خواهد بود. مزیت استفاده از ماژول‌های دو سویه، با بهره‌برداری همزمان از پوشش‌های سقفی با ضریب آلبدو بالا، در دوره‌ای از اوایل بهار تا پاییز بیشتر نمایان می‌شود. با این حال، معیار اصلی برای انتخاب نوع تاسیسات باید تحلیل اقتصادی باشد. با توجه به تغییرات مکرر در روش‌های تسویه‌حساب برق از تاسیسات خورشیدی و نوسانات قیمت برق، از روش دوره بازپرداخت برای تحلیل استفاده شد.

تحلیل اقتصادی و بازده سرمایه‌گذاری

هزینه‌های مختلف تاسیسات فتوولتائیک که در جدول ۴ بررسی شده‌اند، شامل هزینه‌های پوشش سقف نیستند؛ چرا که این هزینه‌ها در هزینه ساخت ساختمان گنجانده شده‌اند. کلی هزینه نصب با استفاده از ماژول‌های بی‌فاکسیال و سازه‌ی خاص، حدود ۷.۷۵٪ بالاتر از نسخهٔ پایه که از ماژول‌های تک‌فاز استفاده می‌کند، محاسبه می‌شود.

شکل ۸. پیش‌بینی انرژی ورودی به شبکه در انواع مورد تحلیل تاسیسات فتوولتائیک.

شکل ۹. دوره بازگشت سرمایه برای ساختمان در انواع مختلف تاسیس فتوولتائیک.

آینهٔ بازبینی دوره بازگشت سرمایه برای تمام انواع طراحی‌های تاسیسات در شکل ۹ نشان داده شده است و از این رو برای یک کیلووات ساعت انرژی ورودی، مبلغ ۱.۳ زلوتی لهستانی در نظر گرفته شده است.

خلاصه

تاسیس فتوولتائیک با استفاده از پنل‌های بی‌فاکسیال نیازمند یک سازه‌ی مناسب است که بتواند پنل‌ها را به ارتفاعی بالاتر ببرد. با در نظر گرفتن قیمت بالاتر نسبت به پنل‌های تک‌فاز، هزینه کل نصب یک تاسیس ۵۰ کیلووات حدود ۷.۵٪ بالاتر از نسخهٔ استاندارد است. زمان بازگشت سرمایه برای تاسیسات تک‌فاز و بی‌فاکسیال در لیست‌های گرافیتی و فلت سبز حدود به چند ماه کوتاهی می‌رسد؛ مقدار دقیقی بین ۲۲.۵ تا ۲۳.۵ ماه است.

در صورتی که ضریب بازتابی صدک ( reflectance) از ۰.۷۵ بیشتر باشد، دوره بازگشت سرمایه مربوط به تاسیس بی‌فاکسیال ۲۰.۵ ماه خواهد بود. این نکات نشان می‌دهند که اگر امکان بهره‌برداری از پوشش سقف با ضریب بازتابی بالا در طول ساخت یا بازسازی یک پروژه وجود داشته باشد، نصب ماژول‌ها روی ارتفاع بالا بیشترین توجیه را دارد.

مزایا این‌که تولید انرژی حدود ۲۰٪ افزایش می‌یابد و به شدت به ویژگی‌های زمین وابسته است. به‌ویژه در قتل‌های که سقف صاف دارند، بازده اضافه تاسیسات با ماژول‌های بی‌فاکسیال بالاتر است و این ماژول‌ها انعطاف‌پذیری بیشتری برای قرارگیری دارند. به‌عنوان مثال، نصب ماژول‌های بی‌فاکسیال به صورت عمودی به سمت شرق‑غربی می‌تواند زمان تولید روزانه را افزایش دهد و به بهتر هم‌سطح‌سازی با منحنی تقاضای مصرف‌کننده کمک می‌کند. به این ترتیب می‌توان سطح بهره‌برداری خودکار (self‑consumption) را بالا برد و ابعاد ذخیره‌ساز انرژی مورد نیاز را کاهش داد.

تشکر و حمایت مالی

Funding: این تحقیق توسط دانشگاه فناوری بیالیستاک (Bialystok University of Technology) در چارچوب کار WZ/WEIA/3/2023 تأمین هزینه شده است.

منابع

1. Chowdhury A. A., Design, Modeling, Fabrication & Characterization of Industrial Si Solar Cells, Published by ProQuest LLC (2017).
2. Kopecek R.; Libal J., Bifacial Photovoltaics 2021: Status, Opportunities and Challenges. Energies 2021, 14, 2076. https://doi.org/10.3390/en14082076
3. Kopecek R., Libal J., Towards large-scale deployment of bifacial photovoltaics. Nat Energy 3, 443–446 (2018). https://doi.org/10.1038/s41560-018-0178-0
4. Kurz D., Lewandowski K., Szydłowska M., Analiza uzysku energii z fotowoltaicznych ogniv bifacjalnych. Część 1 – budowa i parametry ogniv bifacjalnych, Poznan University of Technology Academic Journals. Electrical Engineering, 2018, 215-223
5. Kusznier J., Influence of Environmental Factors on the Intelligent Management of Photovoltaic and Wind Sections in a Hybrid Power Plant. Energies 2023, 16, 1716. https://doi.org/10.3390/en16041716
6. Kusznier J., Wojtkowski W., “Impact of climatic conditions and solar exposure on the aging of PV panels,” 2019 15th Selected Issues of Electrical Engineering and Electronics (WZEE), Zakopane, Poland, 2019, pp. 1-6, doi: 10.1109/WZEE48932.2019.8979821.
7. Drałus G.; Mazur D.; Kusznier J.; Drałus J., Application of Artificial Intelligence Algorithms in Multilayer Perceptron and Elman Networks to Predict Photovoltaic Power Plant Generation. Energies 2023, 16, 6697. https://doi.org/10.3390/en16186697
8. Alhmoud L., Why Does the PV Solar Power Plant Operate Ineffectively? Energies 2023, 16, 4074. https://doi.org/10.3390/en16104074
9. Rusănescu C.O.; Rusănescu M.; Istrate I.A.; Constantin G.A.; Begea M., The Effect of Dust Deposition on the Performance of Photovoltaic Panels. Energies 2023, 16, 6794. https://doi.org/10.3390/en16196794
10. Jinko Solar, Transparent backsheet vs dual glass – Advantages and disadvantages, PV-tech website, 2020.
11. LR5-66HIH-490~510M datasheet, en.longi-solar.com
12. LR5-66HBD-475~500M datasheet, en.longi-solar.com

نویسندگان

Jacek Kusznier، دانشکده مهندسی برق، دانشگاه فناوری بیالیستاک، بیالیستاک، لهستان، ایمیل: j.kusznier@pb.edu.pl.

Marcin Sulkowski، دانشکده مهندسی برق، دانشگاه فناوری بیالیستاک، بیالیستاک، لهستان، ایمیل: m.sullkowski@pb.edu.pl.

Gabriela Druć، دانشکده مهندسی برق، دانشگاه فناوری بیالیستاک، بیالیستاک، لهستان

منبع و شناسه انتشار: PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY، ISSN ۰۰۳۳-۲۰۹۷، R. ۱۰۰ NR ۷/۲۰۲۴. doi:۱۰.۱۵۱۹۹/۴۸.۲۰۲۴.۰۷.۳۶

منتشر شده توسط PQBlog

Electrical Engineer

پرسش‌های متداول

پنل‌های بی‌فاکسیال چگونه می‌توانند بهره‌وری انرژی در تاسیسات عمومی را افزایش دهند؟

پنل‌های بی‌فاکسیال از تابش دو طرفه خورشید بهره می‌برند؛ پرتوهای مستقیم و بازتاب‌شده از سقف و زمین را جذب کرده و تبدیل به الکتریسیته می‌کنند، که می‌تواند کارایی را تا ۳۰٪ نسبت به پنل‌های تک‌روی افزایش دهد.

ضریب آلبدو سقف چه تأثیری بر عملکرد پنل‌های بی‌فاکسیال دارد؟

ضریب آلبدو بیانگر درصد نور بازتاب‌شده از سطح است. سطوح با آلبدو بالا (مانند بتن سفید) بازتاب بیشتری تولید می‌کنند و به نوبه خود نور بیشتری را به پنل‌های بی‌فاکسیال می‌رسانند و تولید انرژی را افزایش می‌دهند.

مهم‌ترین مزایای اقتصادی استفاده از پنل‌های بی‌فاکسیال در ساختمان‌های عمومی چیست؟

با افزایش تولید انرژی، دوره بازگشت سرمایه کوتاه‌تر می‌شود. این امر سرمایه‌گذار را برای تاسیسات عمومی جذاب‌تر کرده و در درازمدت هزینه‌های انرژی را کاهش می‌دهد.

چه نوع پوشش بام برای حداکثر بهره‌وری با پنل‌های بی‌فاکسیال مناسب است؟

پوشش‌های با Reflectance (آلبدو) بالا مانند سقف‌های آسفالتی سفید شده، صفحات فلزی سفید یا بتن سفید بهترین انتخاب هستند، زیرا بازتاب نور به پنل‌های بی‌فاکسیال را به حداکثر می‌رسانند.

عمر مفید پنل‌های بی‌فاکسیال چقدر است و آیا نیاز به حفظ نگهداری ویژه‌ای دارد؟

پنل‌های بی‌فاکسیال معمولاً عمر مفید مشابهی با پنل‌های فوتوولتائیک استاندارد دارند (۲۵–۳۰ سال). با این حال، نظافت منظم برای جلوگیری از تجمع آلودگی بر روی سطح پشت آن و بررسی اتصال‌ها توصیه می‌شود.

منبع: powerquality.blog