Moduły dwustronne - przyszły standard w branży PV?

Analiza rozwoju rynku światowego dwustronnych modułów PV

Konwencjonalne moduły fotowoltaiczne są wykonane z nieprzezroczystą tylną powierzchnią.W przeciwieństwie do tego rozwiązania, moduły typu bifacial mają przezroczystą tylną stronę i wykorzystują dwustronne ogniwa PV. Dzięki temu moduły te są w stanie wykorzystywać promieniowanie słoneczne światło z obu stron: promieniowanie bezpośrednie oraz także promieniowanie odbite od podłoża pod modułami.

Rys. Idea pracy modułu dwustronnego

Moduły bifacial są dostępne w różnych wersjach.Każdy liczący się producent ma je w swojej ofercie i wskazuje je najczęściej jako produkt premium. Niektóre posiadają klasyczne ramki, a inne są bezramkowe.Większość wykorzystuje tylną szybę szklaną, a inni producenci używają przezroczystego polimeru jako arkusza tylnego (obniżając w ten sposób ich cenę).Większość producentów używa ogniw monokrystalicznych, ale istnieją też konstrukcje polikrystaliczne. W rozwiązaniach modułów bifacjalnych stosuje się najnowsze technologie, które są obecnie popularne na rynku PV, tzn. technologię half-cut, technologię heterozłoącza, czy technologię TOPCon.

Doniesienia największych producentów modułów PV na świecie wskazują, że przy obecnej dynamice rozwoju technologii branży PV modyfikacja klasycznej linii produkcyjnej modułów PV w celu wyprodukowania ogniw i modułów typu bifacial nie zajmuje dużo czasu i środków.Pod względem wydajności części frontowa ogniwa jest zasadniczo identyczna jak strona przednia. Wg doniesień linie produkcyjne szczególnie chińskich producentów ogniw są w większości kompatybilne z technologią typu bifacial. Producenci nie muszą inwestować znacznych środków aby zacząć produkować moduły dwustronne. Stad należy oczekiwać, że technologia ta stanie się niedługo powszechnym standardem branżowym. Oczywiście o wszystkim zadecyduje cena i opłacalność takich działań [3].

Wzrost popularności modułów typu bifacial jest także związana z coraz lepszego odbiorem i popularyzacji tej technologii. Są już działające przez dłuższy okres instalacje bazowe i referencyjne, które wykazują po prostu większą efektywność tej technologii. Wyższą produktywność potwierdzają też niezależne instytucje typu TÜV SÜD, realizujące wspólne projekty z producentami tych modułów [8], [9].

Jaki procent tej technologii będzie udziałem prognozowanego rekordowego przyrostu w 2021 roku? Trudno powiedzieć. Przemysł fotowoltaiczny czeka na pewno dynamiczny rok, aby oddać do użytkowania instalacje PV prognozowane przez z IHS Markit. Wskazywana jest rekordowa wartość blisko 160 GW w 2021 r.Planowany rekord wynika z odłożonych lub opóźnionych przez Covid projektów z 2020 roku. Rynek PV wzrośnie o 34% także w związku ze zwiększonym zapotrzebowaniem na odnawialne źródła energii na całym świecie. Wg prognoz na pewno nie należy oczekiwać jednak dynamicznego spadku cen instalacji PV, do których przyzwyczaiła nas już branża w ostatnich latach [3][4][5].

Rys. Prognoza rozwoju mocy instalowanej PV na świecie [4]

International Technology Roadmap for Photovoltaic (ITRPV) szacuje, że wzrost liczby modułów dwustronnych na rynku globalnym może osiągnąć nawet 35% udziału w 2028 roku. Realizacja takich trendów będzie zależna między innymi np. od cen szkła. W przypadku masowej produkcji układu typu szkło-szkło w modułach dwustronnych mogą podnosić ceny tego surowca, co już jest obserwowane na rynkach światowych.

Rys. Prognozy rozwoju rynku modułów dwustronnych - Źródło: ITRPV.vdma.org

Rozwój technologii dwustronnych modułów PV – czynniki zależne

Rzecz ciekawa technologia modułów bifacial nie jest nowa i rewolucyjna! Jest ona znana od lat sześćdziesiątych XX wieku. Zmianę jakościową spowodował rozwój technologii PERC. Ta zmiana w technologii wytwarzania modułów znacznie zwiększyła ich wydajność i stworzyła dla nich potencjał, aby stać się przełomową rynkowo technologią na rynku fotowoltaiki [5].

Żeby zobrazować rozwój potencjału tej technologii warto wskazać, że instalacje PV na świecie z modułami dwustronnymi w 2016 roku na świecie miały moc zaledwie 97 MW. W 2019 roku moc ta wzrosła do prawie 6 GW [6]

Rys. Spadek cen modułów na światowym rynku oraz relacja ceny modułów dwustronnych (bifacial) oraz klasycznych (monofacial) [7]

Powyższy wykres przedstawia jeden z głównych powodów, dla których przewiduje się dalszy wzrost udziału w rynku dwustronnych modułów PV.W miarę zmniejszania się różnicy cenowej między technologią modułów dwustronnych, a technologią klasyczną, jednostronną należy oczekiwać coraz większego udziału tej technologii w rynku. Wyniki dotychczasowych badań wykazały, że moduły dwustronne mogą wytwarzać dodatkową moc na poziomie nawet 20% w porównaniu z modułami jednostronnymi.Jeśli natomiast warunki pracy takich modułów są zoptymalizowane i zastosowane są trackery np. jednoosiowe, dodatkowa moc może sięgać nawet 40% [6][8][9][10][12].

Rozwój tej technologii będzie uzależniony od uzyskiwanego optymalnego wskaźnika kosztu wytwarzania energii – LCOE (Levelized Cost of Electricity). Należy pamiętać, że inwestorzy szukają optymalnego wskaźnika LCOE, a nie maksymalnej możliwej do uzyskania mocy nominalnej.Wskaźnik LCOE można obliczyć stosując poniższy wzór :

gdzie:

CAPEX (capital expenditures)-wydatki inwestycyjne- początkowa inwestycja, w tym koszt komponentów, robocizny i dodatkowe koszty związane z systemem PV.

OPEX (operating expenditures)- wydatki związane z utrzymaniem - to koszty takie jak utylizacja, konserwacja, podatki itp.

Produkcja energii -to ilość energii, jaką system pozyskuje podczas użytkowania.

W szerszym ujęciu LCOE jest niezwykle przydatnym wskaźnikiem do określenia opłacalności inwestycji danej technologii OZE w porównaniu z innymi technologiami. Inwestorzy mogą dzięki takiemu wskaźnikowi poszukać odpowiedzi na różne problematyczne pytania. Jednym z nich jest to, czy powinni w nowych inwestycjach w instalacje PV wykorzystywać produkty nieco droższe, wysokiej jakości, reprezentujące zaawansowane technologie (wyższa sprawność - wyższa cena), czy też powinni wybierać bardziej opłacalne tańsze, standardowe alternatywy, gwarantujące przewidywalne zyski i amortyzację inwestycji.

Przykładem „kuszenia” inwestorów produktem premium w postaci modułów dwustronnych jest rozwiązanie bifacial typu szkło-szkło. Ze względu na dwustronne zastosowane szkła hartowanego, producenci standardowo udzielają na ten typu modułów nawet 30 lat gwarancji produktowej oraz 30 lat gwarancji liniowej na produkcję prądu, gwarantując po 30 latach 87% uzysku. To bardzo dużo. Takie sprawności klasycznych ogniw po 30 latach użytkowania są nieosiągalne dla większości producentów. Niebagatelne znaczenie ma również czynnik p-poż. Moduły te pozbawione są folii tylnej, co sprawia, że są niepalne. Dla wielu klientów ogromne znaczenie ma ten właśnie aspekt bezpieczeństwa. Oferowane moduły tego typu standardowo wraz z nowymi modelami mają większą moc nominalną. Pokrywa się z oczekiwaniami szczególnie inwestorów posiadających ograniczone przestrzenie dachowe do wybudowania swoich instalacji.

Podsumowanie

Moduły dwustronne na pewno wpisują w trend ograniczenia zwiększenia wykorzystania efektywnej powierzchni zajmowanej przez instalacje PV. Jedną z wad fotowoltaiki, wynikającą jednak z ograniczeń fundamentalnych – niskiej gęstości mocy dostarczanej przez Słońce (przyjmuje się wartość 1367 W ponad atmosferą Ziemi), jest konieczność zajmowania dużych obszarów w celu wybudowania elektrowni dużej mocy. Mimo, iż w chwili obecnej stanowi to jedynie niewielki problem, wraz z rozwojem fotowoltaiki powierzchnie zajmowane przez systemy mogą stać się czynnikiem ograniczającym dostęp dla rolnictwa i innych celów, a także elementem zniekształcającym naturalny krajobraz.

Moduły bifacjalne mają wiele zalet w porównaniu z tradycyjnymi modułami.Energia elektryczna jest wytwarzana jest z obu stron modułu, zwiększając przy tym całkowitą produkcję energii.Moduły tego typu są trwalsze, ponieważ obie strony są odporne na promieniowanie UV. Ten typ modułów ma też mniejsze problemy związane z degradacją światłem (LID) oraz indukowanym napięciem (PID).

Oczywiście najważniejszym aspektem wyboru modułów dwustronnych będzie czynnik ekonomiczny. Według danych PVXChange z listopada 2020 r., Moduły bifacial kosztowały średnio 0,31 EURO/Wp w porównaniu z wysokowydajnymi modułami jednostronnymi o wartości 0,30 EURO/Wp.Różnica ta wynosi około 0,01 EURO/Wp (3%).Jest to znacząca redukcja w porównaniu do zaledwie pięciu lat temu, kiedy różnica kosztów była bliska 20% [7].

Rys. Zmiana cent modułów PV w zależności od technologii do listopada 2020

Ekonomia to jedno i ona najczęściej będzie decydować. Podejmując temat modułów dwustronnych warto zdawać sobie sprawę, że nie jest to rozwiązanie na każdy problem inwestora, który ma ograniczoną powierzchnię do dyspozycji i dzięki modułom dwustronnym uzyska zawsze zdecydowany wzrost efektywności produkcji energii elektrycznej.

Należy zdawać sobie sprawę, że zastosowanie modułów dwustronnych wymaga odpowiedniej wiedzy na temat w jakich warunkach ten typ modułów gwarantuje odpowiednie uzyski. Jaki powinien być zastosowany system montażowy, jak prowadzić przewody, jakie zastosować podłoże pod modułami, na jakiej wysokości moduły powinny być zamontowane. Te inne czynniki są bardzo istotne [3][8][9].

W następnych artykułach podjęte zostaną próby prezentacji różnych zastosowań modułów dwustronnych oraz wskazanie jakie kluczowe parametry trzeba uwzględnić, aby uzyskiwać oczekiwane efekty.

Wykorzystana literatura

1. Flizikowski J. Mroziński A.: Inżynieria instalacji fotowoltaicznych. Monografia pod redakcją A. Mrozińskiego. Wydawnictwo Grafpol. ISBN: 978-83-64423-40-6, Bydgoszcz 2016

2. Mroziński A.: Poradnik dobrych praktyk wdrażania instalacji odnawialnych źródeł energii. Wydawnictwo 1studio.pl Arkadiusz Bartnik, ISBN 978-83-943206-0-7, Bydgoszcz 2015

3. Szymański B.: Instalacje fotowoltaiczne. Wydanie IX. Wydawnictwo GLOBEnergia 2020

4. www.jolywood.hewes.pl/moduly-bifacjalne-co-to-takiego

5. www.solarwatt.pl/produkcja-energii/moduly-szklo-folia

6. www.pv-magazine.com/2020/11/05/prospects-for-bifacial-and-large-format-products

7. www.pv-magazine.com/magazine-archive/fasten-your-seat-belts

8. www.pv-magazine.com/2020/08/19/bifacial-modules-the-challenges-and-advantages

9. www.pv-magazine-usa.com/2020/08/19/bifacial-modules-the-challenges-and-advantages

10. www.thinkrcg.com/using-bifacial-solar-modules-can-boost-production

11. www.tuv-sud.com

12. www.prnewswire.com/pl/komunikat-prasowy/tuv-sud-wyda-firmie-ja-solar-wiadectwo-kwalifikacji-laboratorium-ctf-579607981.html