افزایش توان نامی پنلها تنها معیار پیشرفت صنعت فتوولتائیک نیست. در طراحی نیروگاههای خورشیدی، شاخص مهمتر این است که یک سامانه در طول سال و در شرایط واقعی چه مقدار انرژی تولید میکند و هزینه نهایی هر واحد برق آن چقدر خواهد بود.
پنلهای خورشیدی دوطرفه یا Bifacial با هدف افزایش تولید انرژی از سطح نصب شده توسعه یافتهاند. این ماژولها علاوه بر تابش دریافتی از سطح جلویی، میتوانند بخشی از نور پراکنده و بازتابشده از زمین، سقف یا محیط اطراف را از سطح پشتی جذب کنند.
بااینحال، دوطرفه بودن پنل بهتنهایی افزایش تولید را تضمین نمیکند. عملکرد واقعی این فناوری به طراحی کل سیستم وابسته است؛ از رنگ و جنس سطح زیر پنل گرفته تا ارتفاع سازه، زاویه نصب، فاصله ردیفها و میزان سایهای که ریلها و تجهیزات پشت ماژول ایجاد میکنند. به همین دلیل، پنل Bifacial را نباید صرفاً نسخه پیشرفته تر یک پنل معمولی دانست؛ بلکه باید آن را بخشی از یک راهکار مهندسی یکپارچه در نظر گرفت.
پنل خورشیدی دوطرفه(Bifacial) چیست؟
در پنل های متداول یک طرفه یا Monofacial، سلولهای خورشیدی عمدتاً از سمت جلوی ماژول تابش دریافت میکنند. سطح پشتی این پنلها معمولاً با یک بک شیت مات پوشانده شده و نقشی مستقیم در تولید برق ندارد.
در پنل دوطرفه، هر دو سمت سلولها برای دریافت نور و تولید انرژی فعال هستند:
- سطح جلو، تابش مستقیم و پراکنده خورشید را دریافت میکند.
- سطح پشت، از نور بازتاب شده یا پراکندهای استفاده میکند که از زمین و محیط اطراف به پشت ماژول میرسد.
پنل های دوطرفه در ساختارهای مختلف تولید میشوند. برخی قاب دار و برخی بدون قاب هستند؛ بعضی از ساختار شیشه–شیشه استفاده میکنند و برخی دارای بک شیت شفافاند. ویژگی اصلی همه آنها، امکان تولید برق از هر دو سطح سلول است. صرفاً شفافبودن پشت ماژول به معنی دوطرفه بودن واقعی آن نیست؛ سلول نیز باید از دو سمت قابلیت جمع آوری جریان داشته باشد.
پنل دوطرفه چگونه انرژی بیشتری تولید میکند؟
همه تابش خورشیدی واردشده به سطح یک پنل جذب نمیشود. بخشی از نور از سطح زمین، سقف، شن، بتن، برف یا سایر سطوح اطراف بازتاب پیدا میکند. در یک پنل یک طرفه، این انرژی معمولاً استفاده نمیشود؛ اما پنل دوطرفه میتواند بخشی از آن را از سطح پشت دریافت کند.
سطح پشتی ماژولهای Bifacial علاوه بر نور بازتابی، میتواند از بخشی از تابش پراکنده محیط نیز استفاده کند. بنابراین تولید پشت پنل فقط به بازتاب مستقیم زمین محدود نیست. میزان انرژی اضافه شده از سطح پشتی به عوامل متعددی بستگی دارد و در هر پروژه متفاوت است. به همین دلیل، نمیتوان برای همه پنل های دوطرفه یک درصد افزایش تولید ثابت تعریف کرد.
آلبدو (Albedo)؛ مهمترین عامل محیطی
یکی از مفاهیم کلیدی در طراحی سامانههای دوطرفه، یا ضریب بازتاب سطح است. آلبدو نشان میدهد چه سهمی از تابش برخوردکرده به یک سطح، دوباره به محیط بازتاب داده میشود.
سطوح روشن معمولاً نور بیشتری را به پشت پنل منتقل میکنند. برای مثال:
- سقف سفید
- بتن روشن
- شن یا سنگ ریزه روشن
- و سطوح پوشیده از برف
معمولاً شرایط مناسبتری برای ماژولهای دوطرفه ایجاد میکنند.
در مقابل، آسفالت، خاک تیره، پوشش گیاهی متراکم یا سقفهای تیره نور کمتری بازتاب میدهند. بنابراین دو سامانه با پنل و اینورتر کاملاً یکسان ممکن است به دلیل تفاوت سطح زیر سازه، بهره دوطرفه متفاوتی داشته باشند.
افزایش مصنوعی بازتاب سطح نیز همیشه راهکار اقتصادی نیست. استفاده از رنگ سفید، غشاهای روشن یا مصالح بازتابنده میتواند تولید را افزایش دهد، اما هزینه اجرا، نگهداری، گردوغبار و تغییر خواص سطح در طول زمان باید در محاسبات مالی لحاظ شود.
پنل دوطرفه چقدر بیشتر برق تولید میکند؟
میزان افزایش تولید باید بر اساس شرایط واقعی هر پروژه برآورد شود. EnergySage به مطالعهای اشاره میکند که در آن، پنل های دوطرفه در یک سامانه زمینی ثابت حدود ۱۱ درصد انرژی بیشتر از پنل های یکطرفه تولید کردند. در همان بررسی، با استفاده از ردیاب خورشیدی، افزایش تولید به حدود ۲۷ درصد رسید.
Solar Power World نیز گزارش میدهد که برخی سازندگان در شرایط بسیار مناسب، مانند نصب روی سقف سفید یا زمین پوشیده از سنگریزه روشن، افزایش تولید سطح پشتی تا حدود ۳۰ درصد را اعلام کردهاند. این مقدار یک ادعای وابسته به شرایط نصب است و نباید بهعنوان نتیجه تضمینشده همه پروژهها استفاده شود.
این اعداد باید با احتیاط تفسیر شوند. سه مفهوم متفاوت وجود دارد:
- توان نامی سطح جلو: عددی که معمولاً روی پلاک پنل درج میشود.
- توان لحظهای حاصل از سطح پشت: وابسته به مقدار تابش پشت ماژول است.
- افزایش انرژی سالانه: مهمترین معیار اقتصادی که باید در مدل تولید پروژه محاسبه شود.
بنابراین افزایش ۱۰ یا ۲۰ درصدی تولید سالانه به این معنا نیست که توان نامی روی پلاک پنل نیز به همان میزان افزایش یافته است.
عوامل مؤثر بر عملکرد پنلهای Bifacial
ارتفاع سازه از سطح زمین یا سقف
هرچه فاصله پشت پنل از سطح زیرین بیشتر باشد، نور بازتابی فضای بیشتری برای انتشار و رسیدن به سطح پشتی خواهد داشت. نصب پنل تقریباً چسبیده به سقف، مسیر تابش پشت ماژول را مسدود میکند و بخش عمده مزیت دوطرفهبودن را از بین میبرد.
به همین دلیل، سامانههای زمینی مرتفع و سقفهای تخت با سازه زاویهدار معمولاً برای پنلهای دوطرفه مناسبتر از نصب همسطح روی سقف شیبدار هستند.
زاویه نصب
زاویه پنل هم بر تابش سطح جلو و هم بر مقدار نوری که به پشت آن میرسد اثر میگذارد. افزایش زاویه میتواند فضای باز پشت پنل را بیشتر کند، اما زاویه بهینه باید با توجه به موقعیت جغرافیایی، بار باد، فاصله ردیفها و الگوی مصرف تعیین شود.
هدف طراحی صرفاً بیشینه کردن تولید یک پنل نیست؛ بلکه باید بیشترین تولید اقتصادی کل آرایه در واحد سطح زمین به دست آید.
طراحی سازه و سایه پشت ماژول
ریلها، تیرهای عرضی، لوله گشتاور ردیاب، کابلها و جعبه اتصال میتوانند روی سلولهای پشت پنل سایه ایجاد کنند. برخلاف پنل یکطرفه، پشت ماژول Bifacial باید تا حد امکان باز و بدون مانع باشد.
سازههای مخصوص این فناوری معمولاً از ویژگیهای زیر استفاده میکنند:
- ریلها و اعضای نگهدارنده باریکتر
- کاهش تعداد موانع پشت پنل
- جعبههای اتصال کوچکتر یا چندبخشی
- و جانمایی مناسب کابلها و بستها
نوع و محل اعضای سازه میتواند مستقیماً بر بهره دوطرفه و یکنواختی تابش پشت سلولها اثر بگذارد.
فاصله میان ردیفها
کاهش بیش از حد فاصله ردیفها باعث سایهاندازی متقابل و محدودشدن نور رسیده به سطح پشت میشود. از طرف دیگر، افزایش زیاد فاصله ردیفها، سطح زمین، کابلکشی و هزینه زیرساخت را بیشتر میکند.
فاصله بهینه باید با درنظرگرفتن موارد زیر تعیین شود:
- زاویه خورشید در فصلهای مختلف
- ارتفاع سازه
- نسبت پوشش زمین
- آلبدو
- قیمت زمین
- و هزینه تجهیزات جانبی
استفاده از ردیاب خورشیدی
ردیابهای تک محوره میتوانند میزان تابش دریافتی از هر دو سمت پنل را افزایش دهند. بااینحال، همه ردیابها برای پنل دوطرفه بهینه نیستند. تیرهای مرکزی، پایهها یا اعضای مکانیکی ممکن است پشت پنل سایه ایجاد کنند.
ترکیب پنل دوطرفه و ردیاب میتواند افزایش تولید قابلتوجهی ایجاد کند، اما باید هزینه اولیه، تعمیرات، نیاز به شستوشوی دو سمت پنل و پیچیدگی مکانیکی نیز بررسی شود.
مزایای پنلهای خورشیدی دوطرفه
تولید انرژی بیشتر در مساحت مشابه
مهمترین مزیت این فناوری، افزایش انرژی تولیدی بدون افزایش تعداد یا سطح اشغالشده پنلها است. این ویژگی برای پروژههایی که محدودیت زمین، سازه یا ظرفیت اتصال دارند اهمیت بیشتری دارد.
کاهش بالقوه هزینه برق تولیدی
اگر افزایش تولید سطح پشت از هزینه اضافی پنل و سازه بیشتر باشد، سامانه میتواند هزینه نهایی برق یا LCOE پایینتری داشته باشد. تولید بیشتر از یک آرایه کوچکتر ممکن است بخشی از هزینههای سازه، کابل، کانکتور، عملیات اجرایی و سایر اجزای Balance of System را کاهش دهد. (این مزیت خودکار نیست. در پروژهای با آلبدوی پایین یا نصب نامناسب، انرژی اضافه ممکن است هزینه بیشتر سامانه را جبران نکند.)
دوام ساختاری در مدلهای شیشه – شیشه
بسیاری از پنلهای دوطرفه از دو لایه شیشه برای محافظت از سلولها استفاده میکنند. این ساختار میتواند مقاومت مناسبی در برابر رطوبت، باد، تگرگ و عوامل محیطی ایجاد کند.
بااینحال، دوام یک ماژول فقط به دوطرفه یا شیشه–شیشهبودن آن وابسته نیست و باید گواهیها، کیفیت ساخت، ضخامت شیشه، فریم و ضمانت سازنده نیز بررسی شود.
امکان نصب عمودی
پنلهای Bifacial در برخی کاربردها میتوانند بهصورت عمودی و با راستای شرق–غرب نصب شوند. چنین آرایشی معمولاً تولید را به ساعات صبح و عصر منتقل میکند و میتواند تجمع برف و آلودگی روی سطح پنل را کاهش دهد.
این روش برای پروژههای کشاورزی–خورشیدی، حصارهای خورشیدی و سایتهایی با پیک مصرف صبحگاهی و عصرگاهی قابلبررسی است.
محدودیتها و چالشهای اجرایی
پنل دوطرفه الزاماً گزینه مناسبتری برای همه پروژهها نیست. مهمترین محدودیتهای آن عبارتاند از:
- قیمت اولیه بالاتر در برخی محصولات
- نیاز به سازه و جانمایی مناسب
- پیچیدگی بیشتر مدلسازی تولید
- حساسیت به آلبدو و تغییرات محیطی
- سایهپذیری سطح پشت
- و ضرورت بررسی هزینه نصب و نگهداری
مدلهای بدون قاب نیز ممکن است به گیرههای مخصوص، محافظ لاستیکی و کنترل دقیق گشتاور پیچها نیاز داشته باشند تا شیشه آسیب نبیند.
در سامانههای ردیاب، هر دو سطح پنل باید تمیز نگه داشته شوند. آلودگی سطح پشت، بهویژه در سازههای کمارتفاع یا مناطق غبارآلود، میتواند بخشی از تولید اضافی مورد انتظار را کاهش دهد.
مقایسه پنل یکطرفه و دوطرفه
پنل دوطرفه برای چه پروژههایی مناسبتر است؟
پنلهای Bifacial معمولاً در کاربردهای زیر عملکرد بهتری دارند:
- نیروگاههای زمینی با ارتفاع مناسب
- نیروگاههای مجهز به ردیاب تکمحوره
- سقفهای تخت تجاری و صنعتی با سطح روشن
- سایبانها و پارکینگهای خورشیدی
- پرگولاهای خورشیدی
- پروژههای کشاورزی–خورشیدی
- و نصبهای عمودی با فضای باز در هر دو سمت
در این پروژهها، فضای پشت پنل باز است و نور بازتابی راحتتر به سلولهای پشتی میرسد. به همین دلیل، EnergySage کاربرد تجاری و نیروگاهی را مناسبترین حوزه استفاده از پنلهای دوطرفه میداند.
آیا پنل دوطرفه برای خانه مناسب است؟
در بیشتر سامانههای مسکونی، پنلها با فاصله کمی روی سقف شیبدار نصب میشوند. سقف مسیر رسیدن نور به سطح پشت را محدود میکند؛ در نتیجه، افزایش تولید معمولاً بهاندازهای نیست که هزینه اضافی پنل و نصب را توجیه کند.
اما در برخی کاربردهای مسکونی، پنل دوطرفه میتواند مناسب باشد:
- سامانه زمینی
- پارکینگ خورشیدی
- سایبان یا آلاچیق
- پرگولا
- و سقف تخت با سازه مرتفع و سطح روشن
بنابراین تصمیمگیری نباید فقط بر اساس مسکونی یا تجاریبودن پروژه انجام شود؛ وضعیت واقعی پشت پنل و میزان تابش قابلدریافت تعیینکننده است.
معیار حرفهای انتخاب پنل Bifacial
مقایسه پنلهای یکطرفه و دوطرفه فقط بر اساس قیمت هر وات یا توان درجشده روی پلاک کافی نیست. ارزیابی حرفهای باید شامل این موارد باشد:
- تولید سالانه شبیهسازیشده
- ضریب بازتاب سطح
- ارتفاع و زاویه سازه
- میزان سایه پشت پنل
- فاصله ردیفها
- هزینه پنل، سازه و نصب
- هزینه شستوشو و نگهداری
- عدم قطعیت پیشبینی بهره پشت
- و هزینه برق تولیدی در طول عمر پروژه
مهمترین پرسش این نیست که پنل دوطرفه چند درصد بیشتر تولید میکند؛ بلکه باید مشخص شود انرژی اضافهشده در طول عمر نیروگاه چه ارزشی دارد و آیا این ارزش از هزینه اضافی سامانه بیشتر است یا خیر.
پنلهای خورشیدی دوطرفه میتوانند با استفاده از تابش مستقیم، پراکنده و بازتابشده، انرژی بیشتری از یک سطح نصب مشخص تولید کنند. بااینحال، بهره واقعی آنها بیشتر از آنکه فقط به فناوری ماژول وابسته باشد، نتیجه طراحی سایت و سازه است.
در نیروگاههای زمینی، پروژههای مجهز به ردیاب، سقفهای تخت روشن، سایبانها و سازههای باز، پنل Bifacial میتواند تولید سالانه و ارزش اقتصادی پروژه را افزایش دهد. در مقابل، روی سقفهای شیبدار و نصبهای نزدیک به سطح، مزیت پشت پنل معمولاً محدود است. بنابراین انتخاب میان پنل یکطرفه و دوطرفه باید بر پایه تولید انرژی سالانه، شرایط نصب، هزینه کل سیستم و LCOE انجام شود؛ نه صرفاً جدیدتر بودن فناوری یا درصدهای تبلیغاتی سازنده.
منابع: