پنل خورشیدی دوطرفه (Bifacial):عملکرد، مزایا، معایب

استفاده از انرژی خورشیدی به عنوان یک منبع پایدار و پاک، در سال‌های اخیر به سرعت رشد کرده و امروز یکی از ارکان اصلی تامین برق در جهان محسوب می‌شود. معمولاً سیستم‌های فتوولتائیک (PV) رایج با پنل‌های تک‌طرفه کار می‌کنند که نور را تنها از یک سو جذب می‌کنند. ولی نسل جدیدی از پنل‌ها به نام پنل خورشیدی دوطرفه قادرند هر دو سطح خود را برای جذب نور و تولید برق به کار بگیرند. این ماژول‌ها از سطح پشتی شفاف بهره می‌برند و نور بازتاب‌شده از زمین، سقف یا محیط اطراف را نیز به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. به دلیل بهره‌گیری از نور پراکنده و انعکاسی، راندمان پنل‌های دوطرفه در شرایط خاص می‌تواند به میزان قابل توجهی بالاتر از پنل‌های معمولی باشد.

هدف این مقاله ارائه یک مرجع جامع و کاربردی درباره پنل‌های دوطرفه است. به این منظور، ابتدا تعریف و ساختار این فناوری را بررسی می‌کنیم، سپس نحوه عملکرد و عوامل موثر بر بازده را تشریح کرده و مزایا و معایب آن را با جزئیات بیان می‌کنیم. بعد از آن به معرفی فناوری‌های سلول و سازندگان عمده می‌پردازیم و روندهای بازار را مرور می‌کنیم. در ادامه نکات اجرایی و تجربی نصب چنین پنل‌هایی را به طور کامل توضیح می‌دهیم و با معرفی مطالعات علمی و پروژه‌های نمونه، استفاده از پنل‌های دوطرفه در سیستم‌های عمودی، کشاورزی (agrivoltaics) و مناطق برف‌گیر را به‌طور ویژه بررسی خواهیم کرد. در نهایت، آینده این تکنولوژی و چالش‌های پیش‌رو را جمع‌بندی خواهیم کرد.

تاریخچه و تکامل

ایده استفاده از پنل خورشیدی دوطرفه تاریخچه‌ای نسبتا طولانی دارد. نخستین مفاهیم مربوط به بهره‌گیری از پشت سلول در دهه ۱۹۵۰ میلادی توسط پژوهشگران مطرح شد؛ اما به دلیل فناوری محدود و هزینه بالا، تا دهه‌های بعدی به مرحله تولید نرسید. طی دهه ۱۹۸۰ و ۱۹۹۰ چند شرکت اروپایی و آسیایی نمونه‌های آزمایشی تولید کردند ولی به‌دلیل قیمت بالاتر نسبت به پنل‌های تک‌طرفه و عدم وجود متریال مناسب، بازار استقبال گسترده‌ای نشان نداد.

نقطه عطف در سال‌های ۲۰۱۰ تا ۲۰۱۵ رخ داد، هنگامی که پیشرفت در فناوری شیشه‌های مقاوم و سلول‌های PERC و سپس TopCon و HJT، امکان ساخت پنل‌های دوطرفه با بازده بالا و هزینه قابل قبول را فراهم کرد. شرکت‌های پیشگامی مانند Yingli Solar، bSolar و LG اولین سری محصولات تجاری دوطرفه را در اوایل دهه ۲۰۱۰ عرضه کردند. با گسترش بازار فتوولتائیک و افزایش پروژه‌های utility-scale، تقاضا برای این ماژول‌ها به تدریج افزایش یافت. آمار نشان می‌دهد که ظرفیت نصب شده پنل‌های دوطرفه از کمتر از ۱۰۰ مگاوات در سال ۲۰۱۶ به بیش از ۲٫۶ گیگاوات در سال ۲۰۱۸ رسید و پیش‌بینی می‌شود این عدد تا سال ۲۰۲۴ به ۲۰ گیگاوات برسد.

عامل اصلی رشد، کاهش هزینه تولید شیشه دوطرفه و توسعه سلول‌های n-type بود که باعث شد بازدهی هر دو سطح به طور موثری افزایش یابد و نسبت بهره دوطرفه (bifaciality ratio) در برخی محصولات به بیش از ۸۵ درصد برسد. امروزه بسیاری از شرکت‌های مطرح مانند LONGi، Jinko، Canadian Solar و Trina Solar، چندین سری پنل دوطرفه در سبد محصولات خود دارند. پیش‌بینی‌ها نشان می‌دهد که تا سال ۲۰۳۰ سهم پنل‌های دوطرفه از بازار ماژول‌های فتوولتائیک بین ۳۵ تا ۷۰ درصد خواهد بود، خصوصاً در نیروگاه‌های بزرگ و پروژه‌های تجاری.

ساختار و اصول عملکرد پنل‌های دوطرفه

پنل‌های فتوولتائیک معمولی شامل سلول‌های سیلیکونی، شیشه محافظ و پشتی فلزی یا پلیمری هستند که مانع نفوذ رطوبت و نور از پشت می‌شود. در پنل خورشیدی دوطرفه، این پوشش پشت با ماده‌ای شفاف (معمولاً شیشه) جایگزین می‌شود تا نور بازتاب‌شده از محیط به سلول‌ها برسد. در ساختار شیشه‌ای دوگانه، دو لایه شیشه سکوریت در جلو و پشت پنل قرار می‌گیرد که با مواد بین‌لایه‌ای (مانند EVA) به هم چسبیده‌اند. میان این دو شیشه، سلول‌های خورشیدی قرار گرفته و توسط نوارهای رسانا به هم متصل می‌شوند.

در طراحی پنل‌های دوطرفه رعایت چند اصل اساسی ضرورت دارد. نخست باید نوارهای باسبار و جعبه اتصال به گونه‌ای جانمایی شوند که حداقل سایه را روی سلول‌ها ایجاد کنند؛ به همین دلیل بسیاری از تولیدکنندگان جعبه اتصال را در لبه پنل تعبیه می‌کنند و تعداد باسبارها را افزایش می‌دهند تا جریان الکتریکی بدون افزایش سایه جریان یابد. دوم این‌که ضخامت شیشه در هر دو سمت معمولاً یکسان در نظر گرفته می‌شود (مثلاً ۲ میلی‌متر) تا توزیع تنش متوازن باشد و خطر شکست در اثر گرادیان حرارتی کاهش یابد. سومین اصل، استفاده از سلول‌های با بهره دوطرفه بالا (مانند n-type TopCon یا HJT) است که می‌توانند نور دریافتی از پشت را به طور موثری تبدیل کنند.

اصل عملکرد چنین پنل‌هایی مبتنی بر جذب نور مستقیم از خورشید در سطح جلو و نور بازتابی (diffuse و albedo) در سطح پشت است. میزان جذب نور پشت وابسته به سه عامل است: آلبدو (ضریب انعکاس سطح زیرین)، زاویه و ارتفاع نصب و میزان سایه و موانع. برای مثال، سطح سفید یا برفی دارای آلبدو بالا (تا ۸۰ درصد) بوده و می‌تواند نور قابل توجهی را به پشت پنل بازتاب دهد، در حالی که خاک تیره یا چمن مرطوب آلبدو کمتری داشته و تاثیر کمتری دارد. همچنین هرچه پنل از زمین فاصله بیشتری داشته باشد، نور بیشتری به سطح پشت می‌رسد؛ اما ارتفاع بیش از حد نیز هزینه سازه و خطر باد را افزایش می‌دهد.

عوامل موثر بر بازده و خروجی

عوامل موثر بر بازده و خروجی

رنگ و جنس سطح زیرین (آلبدو)

اثر آلبدو شاید مهم‌ترین عامل در عملکرد پنل خورشیدی دوطرفه است. در یک آزمایش تجربی، سه سطح مختلف شامل چمن سبز، خاک رس قهوه‌ای و شن سفید زیر پنل‌ها قرار داده شد و تابش دریافت شده در سه بازه زمانی ثبت شد. نتایج نشان داد که سطح شن سفید بیشترین شار تابشی را دریافت کرد (تا ۱۲۱۰ وات در متر مربع در ساعات ظهر)، در حالی که دو سطح دیگر مقدار کمتری داشتند. علاوه بر این، اندازه‌گیری جریان اتصال کوتاه و ولتاژ مدار باز نشان داد که پنل دوطرفه روی شن سفید حدود ۱۲٫۸ آمپر و ۴۵ ولت تولید کرد، در حالی که پنل تک‌طرفه ۹٫۸ آمپر و ۴۴ ولت به‌دست داد. این اختلاف ۲۰ تا ۲۵ درصدی نشان می‌دهد که با انتخاب سطح مناسب، می‌توان تولید بیشتری به‌دست آورد. بنابراین در پروژه‌هایی که زمین قابل تغییر است، استفاده از رنگ روشن، بتن سفید یا شن می‌تواند بازده پنل‌های دوطرفه را به‌طور محسوسی افزایش دهد.

زاویه، جهت و ارتفاع نصب

برخلاف پنل‌های تک‌طرفه که اغلب به سمت جنوب (در نیمکره شمالی) با زاویه ثابت نصب می‌شوند، پنل خورشیدی دوطرفه می‌توانند به شکل‌های مختلفی نصب شوند. زاویه تندتر (۳۰ تا ۴۵ درجه) نسبت به زمین باعث می‌شود که نور بازتابی بیشتری به پشت پنل برسد؛ اما زاویه کم (۱۰ تا ۱۵ درجه) در سیستم‌های سقفی ممکن است به دلیل محدودیت ارتفاع مناسب‌تر باشد. نتایج نشان می‌دهد که نصب عمودی (۹۰ درجه) نیز گزینه جذابی است، زیرا پنل‌ها برف نمی‌گیرند و تولید در صبح و عصر افزایش می‌یابد. جهت‌گیری شرق–غرب برای سیستم‌های عمودی به‌خصوص در عرض‌های جغرافیایی بالا مفید است؛ زیرا در صبح و عصر نور بیشتری دریافت می‌کنند و اوج تولید در حوالی ظهر کاهش می‌یابد. این امر با مصرف برق خانوارها و صنایع کوچک که صبح و عصر بالا است، هم‌راستا می‌شود.

ارتفاع نصب باید به اندازه‌ای باشد که سطح پشت به طور مستقیم در معرض نور و بازتاب قرار گیرد؛ معمولاً فاصله ۵۰ تا ۸۰ سانتی‌متر برای سیستم‌های خانگی و ۱ تا ۲ متر برای پروژه‌های تجاری توصیه می‌شود. هرچه ارتفاع بیشتر باشد، تاثیر سایه اجزای سازه کمتر می‌شود ولی باید مقاومت سازه در برابر باد و بارندگی بیشتر در نظر گرفته شود.

استفاده از ردیاب خورشیدی (Tracker)

افزودن ردیاب‌های تک‌محور یا دو محور می‌تواند زاویه پنل را در طول روز تغییر داده و بهینه کند. داده‌های آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر (NREL) نشان می‌دهد که استفاده از ردیاب در پنل‌های دوطرفه می‌تواند حدود ۹ درصد انرژی بیشتری نسبت به پنل‌های تک‌طرفه ایجاد کند و هزینه اضافی برای این قابلیت کمتر از ۱۰ درصد است. اگرچه ردیاب‌های دو محور هزینه بیشتری دارند، اما در پروژه‌های صنعتی و مزرعه‌های خورشیدی می‌توانند تولید را به میزان قابل توجهی افزایش دهند.

تاثیر دما و شرایط محیطی

بازده سلول‌های سیلیکونی با افزایش دمای پنل کاهش می‌یابد. فناوری‌های مختلف در برابر دما رفتارهای متفاوتی دارند. در آزمون سه‌ساله‌ای که در محیط بیابانی انجام شد، پنل‌های HJT کمترین افت بازده در دماهای بالا (حدود ۵٪ کاهش) را داشتند، در حالی که پنل‌های TopCon و PERC به ترتیب حدود ۹٫۸٪ و بیشتر افت کردند. بنابراین انتخاب نوع سلول بر اساس اقلیم و شرایط محیطی اهمیت دارد.

فاصله ردیف‌ها و سایه‌بانی میان ردیف‌ها

در سیستم‌های زمینی، فاصله ردیف‌های پنل باید به گونه‌ای باشد که پشت پنل‌های ردیف جلو، سایه‌ای بر ردیف عقب ایجاد نکند. همچنین در سیستم‌های کشاورزی (agrivoltaics)، فاصله ردیف‌ها باید به گونه‌ای باشد که محصولات نور کافی دریافت کنند. پژوهش فنلاندی نشان داد که فاصله ۱۱٫۳ تا ۱۳٫۷ متر برای حفظ ۹۰ درصد نور مناسب محصولات لازم است و با فاصله ۸ متر نیز حداقل ۷۵ درصد نور تامین می‌شود.

مزایا و معایب پنل خورشیدی دوطرفه در مقایسه با پنل‌های تک‌طرفه

مزایا

1. تولید انرژی بیشتر: پنل‌های دوطرفه با بهره‌برداری از نور مستقیم و بازتابی، بسته به شرایط محل، می‌توانند بین 5 تا 30 درصد انرژی بیشتری نسبت به پنل‌های تک‌طرفه تولید کنند. در مناطق برفی یا با آلبدو بالا این تفاوت بیشتر است و در برخی مطالعات تا 27 درصد افزایش گزارش شده است.

2. افزایش انرژی تولید شده در صبح و عصر: به دلیل دریافت نور از پشت و جلو، این پنل‌ها در ساعات اولیه صبح و بعدازظهر انرژی بیشتری تولید می‌کنند و منحنی خروجی روزانه را مسطح می‌کنند. این موضوع با الگوی مصرف بسیاری از خانوارها و صنایع کوچک هماهنگ است و نیاز به ذخیره‌سازی را کاهش می‌دهد.

3. کاهش نیاز به زمین اضافی: در سیستم‌های عمودی یا سایه‌بان‌ها، پنل‌های دوطرفه می‌توانند نقش حصار یا سایبان را ایفا کرده و از زمین به طور مؤثرتری استفاده کنند. ترکیب آن‌ها با کشاورزی نیز باعث می‌شود کشاورزان بتوانند همزمان برق و محصول تولید کنند.

4. دوام و طول عمر بیشتر: ساختار شیشه‌ای دوطرفه مقاومت بیشتری در برابر نفوذ آب، رطوبت و خوردگی دارد و نرخ خرابی مکانیکی در آن کمتر است. برخی سازندگان تا ۳۰ یا حتی ۴۰ سال ضمانت عملکرد ارائه می‌کنند.

5. کاهش هزینه سطح انرژی (LCOE): با تولید بیشتر و طول عمر بیشتر، هزینه هر کیلووات ساعت تولید شده کاهش می‌یابد. اگرچه پنل‌های دوطرفه گران‌تر هستند، اما در پروژه‌های بزرگ، این افزایش هزینه نسبت به افزایش تولید ناچیز است و منجر به کاهش LCOE می‌شود.

6. زیبایی‌شناسی و کاربرد معماری: ظاهر شفاف و مدرن این پنل‌ها می‌تواند به عنوان عنصر معماری در نماها، سایبان‌ها و فضاهای عمومی به کار رود و علاوه بر تولید برق، به زیبایی محیط کمک کند.

معایب

1. هزینه اولیه بالا: پنل‌های دوطرفه به طور متوسط ۱۰ تا ۲۰ درصد گران‌تر از پنل‌های تک‌طرفه هستند. به علاوه، هزینه نصب، سازه‌های بلندتر، پوشش‌های بازتابنده و تجهیزات الکتریکی اضافی نیز باید محاسبه شود.

2. وابستگی به شرایط زمین و محیط: عملکرد این پنل‌ها به شدت به آلبدو و انعکاس سطح زیرین وابسته است؛ در مناطقی با خاک تیره یا پوشش گیاهی غیر انعکاس‌دهنده، بهره‌وری پشت پنل کاهش می‌یابد و ممکن است تفاوت تولید آن با پنل‌های معمولی کم باشد.

3. پیچیدگی نصب و نگهداری: سیم‌کشی، اتصال و نگهداری پنل‌های دوطرفه پیچیده‌تر است؛ باید از سایه انداختن کابل‌ها و جعبه اتصال بر پشت پنل جلوگیری شود و هر دو سطح پنل تمیز نگه داشته شوند. آلودگی، گرد و غبار، برف و باران می‌تواند به سرعت بر عملکرد پنل‌ها تاثیر بگذارد و نیاز به پاک‌سازی مکرر دارد.

4. پایداری مکانیکی و مقاومت در برابر تگرگ: برخی آزمایش‌ها نشان داده‌اند که شیشه دوطرفه با ضخامت کمتر (۲ میلی‌متر) نسبت به شیشه جلو در پنل‌های تک‌طرفه (۳٫۲ میلی‌متر) ممکن است در برابر تگرگ بزرگ آسیب‌پذیرتر باشد. بنابراین در مناطق با بارش تگرگ، استفاده از پنل‌های دوطرفه نیازمند بررسی دقیق و شاید کاربرد پوشش‌های محافظتی یا بیمه جداگانه است.

5. نبود استانداردهای جهانی و داده‌های بلندمدت: فناوری دوطرفه نسبتاً جدید است و هنوز استانداردهای آزمایشی، روش‌های اندازه‌گیری و داده‌های بلندمدت کافی برای آن وجود ندارد. این موضوع ممکن است اعتماد سرمایه‌گذاران و بیمه‌گران را کاهش دهد و ریسک پروژه‌ها را افزایش دهد.

فناوری‌های سلولی در پنل‌های دوطرفه

فناوری‌های سلولی در پنل‌های دوطرفه

PERC

سلول‌های PERC (Passivated Emitter and Rear Cell) بر پایه سیلیکون p-type ساخته می‌شوند و با افزودن لایه‌های دی‌الکتریک روی سطح پشت، نرخ بازترکیب حامل‌های بار را کاهش می‌دهند. این فناوری در دهه ۲۰۱۰ به تولید انبوه رسید و نقش مهمی در افزایش راندمان پنل‌های تک‌طرفه داشت. در پنل‌های دوطرفه نیز از سلول‌های PERC استفاده می‌شود، اما نسبت بهره دوطرفه آن‌ها معمولاً پایین‌تر از فناوری‌های n-type است. مزیت اصلی PERC هزینه پایین‌تر نسبت به فناوری‌های جدید است، ولی حساسیت بیشتر به نور فرابنفش و احتمال کاهش بازده در طول زمان از نقاط ضعف آن محسوب می‌شود.

TopCon

فناوری TopCon (Tunnel Oxide Passivated Contact) یکی از جدیدترین فناوری‌های n-type است که ترکیبی از لایه نازک اکسید و لایه‌های پلی‌سیلیکون بسیار دوپ شده را برای ایجاد تماس یکپارچه و کاهش تلفات بازترکیب استفاده می‌کند. راندمان این سلول‌ها به راحتی می‌تواند به بالای ۲۳ درصد برسد و نسبت بهره دوطرفه حدود ۷۰ تا ۸۰ درصد است. در آزمایش سه‌ساله در شرایط بیابانی، پنل‌های TopCon کمترین کاهش توان (۰٫۱۴٪) را طی سه سال تجربه کردند، در حالی که پنل‌های HJT بیشترین کاهش (۸٫۷۳٪) را نشان دادند. همچنین انرژی ویژه تولیدی پنل‌های TopCon در تابستان بیشتر از پنل‌های PERC بود. بسیاری از تولیدکنندگان در سال‌های اخیر به سمت تولید انبوه پنل‌های دوطرفه TopCon حرکت کرده‌اند و انتظار می‌رود این فناوری سهم بزرگی از بازار را در دهه آینده تصاحب کند.

HJT

فناوری Heterojunction (HJT) با ترکیب سیلیکون کریستالی و لایه نازک سیلیکون آمورف، راندمان بسیار بالایی ارائه می‌دهد و ویژگی‌های دمایی بهتری نسبت به PERC و حتی TopCon دارد. نسبت بهره دوطرفه در این فناوری می‌تواند تا ۹۰ درصد برسد، زیرا لایه‌های نازک آمورف هر دو سمت سلول را می‌پوشانند و ساختار مزوپینجور بسیار کارآمدی ایجاد می‌کنند. از سوی دیگر، تولید و فرآیند ساخت HJT پیچیده و گران‌تر است و نیاز به تجهیزات پیشرفته (مانند PECVD) دارد. آزمون‌های طولانی‌مدت نشان داده‌اند که پنل‌های HJT در دمای بالا افت عملکرد کمتری دارند، اما در برخی شرایط ممکن است نرخ کاهش توان در طول زمان بیشتر از سایر فناوری‌ها باشد.

فناوری‌های دیگر

فناوری Interdigitated Back Contact (IBC) خطوط تماس را به پشت سلول منتقل می‌کند و سطح جلوی سلول را کاملاً بدون باسبار می‌سازد. برخی شرکت‌ها این فناوری را به صورت دوطرفه ارائه داده‌اند، ولی به دلیل هزینه بالا و پیچیدگی تولید، سهم کوچکی از بازار را دارد. فناوری‌های نوظهور دیگری مانند سلول‌های پرکوسکایت–سیلیکون هیبرید نیز در مرحله تحقیق و توسعه هستند و ممکن است در آینده پنل‌های دوطرفه با راندمان بسیار بالا تولید کنند. همچنین افزایش اندازه ویفرها (۱۸۲ و ۲۱۰ میلی‌متری) و تعداد باسبارها (۹ تا ۱۲) باعث شده است که ماژول‌های دوطرفه با توان بالای ۷۰۰ وات تولید شوند.

روندهای بازار و سیاست‌گذاری

رشد بازار جهانی

همان‌گونه که اشاره شد، ظرفیت جهانی پنل‌های دوطرفه طی چند سال اخیر به سرعت افزایش یافته است. بسیاری از پروژه‌های بزرگ نیروگاهی در خاورمیانه، آمریکای لاتین، آسیای شرقی و اروپا از این فناوری بهره می‌برند. شرکت‌های چینی از جمله LONGi، JA Solar و Jinko Solar بیشترین سهم بازار را در اختیار دارند و محصولات خود را به کشورهای مختلف صادر می‌کنند. کشورهای خاورمیانه به دلیل زمین وسیع و آلبدو بالای شن و ماسه برای این تکنولوژی بسیار مناسب هستند. بر اساس گزارشات، مصر، امارات متحده عربی و عمان جزو بزرگ‌ترین واردکنندگان پنل‌های دوطرفه در سال‌های اخیر بوده‌اند.

پیش‌بینی می‌شود که کاهش هزینه تولید، بهبود فناوری‌های n-type و نیاز به بهره‌برداری بهتر از زمین، باعث شود تا سال ۲۰۳۰، پنل‌های دوطرفه سهم غالبی از بازار نیروگاه‌های بزرگ را به خود اختصاص دهند. همچنین سیاست‌های حمایتی در برخی کشورها، شامل تعرفه‌های کاهش‌یافته و مشوق‌های مالیاتی برای پروژه‌های دوطرفه، انگیزه سرمایه‌گذاران را افزایش داده است. با این حال، سیاست‌های تجاری نامتعادل و تعرفه‌های وارداتی در برخی کشورها (مثل ایالات متحده) باعث بی‌ثباتی بازار شده و شرکت‌ها را وادار به بررسی دقیق‌تر هزینه‌های واردات و تولید کرده است.

تغییرات در زنجیره تامین و تولید

برای تولید پنل‌های دوطرفه نیاز به مواد اولیه خاص مانند شیشه‌های مقاوم دوطرفه، پلیمرهای شفاف و سلول‌های n-type با کیفیت بالا است. بسیاری از شرکت‌ها خطوط تولید جدید برای شیشه‌های نازک و مقاوم راه‌اندازی کرده‌اند تا نیاز رو به رشد بازار را پاسخ دهند. همچنین سرمایه‌گذاری در تحقیق و توسعه جهت بهبود لحیم‌کاری و کاهش تلفات بین سلول‌ها افزایش یافته است. رقابت شدید بین تولیدکنندگان باعث شده برخی شرکت‌ها به سراغ ادغام عمودی بروند و کل زنجیره تامین، از تولید ویفر و سلول تا ماژول نهایی، را تحت کنترل داشته باشند. این روند ضمن کاهش قیمت، کیفیت و قابلیت اطمینان محصولات را نیز بالا می‌برد.

استانداردها و گواهینامه‌ها

با گسترش این فناوری، نیاز به تدوین استانداردها و روش‌های آزمایشی مشخص احساس می‌شود. استاندارد IEC 61215 برای پنل‌های دوطرفه به‌روز شده و روش اندازه‌گیری نسبت بهره دوطرفه و عملکرد پشت پنل را تعریف کرده است. همچنین استاندارد IEC 61724-3 برای اندازه‌گیری عملکرد در میدان و استاندارد IEC 60904-1-2 به بررسی اندازه‌گیری جریان و ولتاژ در شرایط بایفیشیال می‌پردازند. پیروی از این استانداردها، امکان مقایسه عادلانه بین محصولات مختلف و اعتماد بیشتر سرمایه‌گذاران را فراهم می‌کند. علاوه بر این، سازمان‌هایی مانند PVEL (PV Evolution Labs) هر ساله ارزیابی‌های جامعی از ماژول‌های برتر بازار انجام می‌دهند که نتایج آنها به سازندگان و مصرف‌کنندگان کمک می‌کند تا انتخاب بهتری داشته باشند.

سیاست‌های حمایتی و مالی

دولت‌ها و سازمان‌های بین‌المللی برای تشویق توسعه انرژی پاک، سیاست‌های مالی مختلفی ارائه می‌دهند. در بسیاری از کشورها، تعرفه‌های واردات بر پنل‌های خورشیدی کاهش یافته یا حذف شده و مشوق‌هایی مانند مالیات صفر و یارانه‌های سرمایه‌گذاری برای پنل‌های دوطرفه اعطا می‌شود. با این حال، سیاست‌های محدودکننده نیز وجود دارد؛ مثلاً در آمریکا طی سال‌های 2020 تا 2022 تعرفه Section 201 بر پنل‌های وارداتی دوطرفه حذف و سپس مجدداً اعمال شد که موجب بی‌ثباتی بازار شد. این تغییرات پیامدهایی مانند کاهش سرمایه‌گذاری در پروژه‌های خورشیدی و از دست رفتن فرصت‌های شغلی داشت. بنابراین تدوین سیاست‌های پایدار و حمایت درازمدت از فناوری‌های نو مثل پنل‌های دوطرفه برای رشد این صنعت ضروری است.

نکات اجرایی و توصیه‌های نصب

برای بهره‌گیری حداکثری از پنل‌های دوطرفه، رعایت نکات زیر هنگام طراحی، نصب و بهره‌برداری پیشنهاد می‌شود:

1. تحلیل محل و آلبدو: پیش از نصب، باید میزان آلبدو و بازتاب سطح زمین اندازه‌گیری شود. در مناطقی که سطح خاک تیره است، بهتر است از پوشش‌های سفید، سنگریزه روشن یا بتن رنگ‌شده استفاده شود. حتی استفاده از حصیر یا پارچه بازتابنده در زیر پنل می‌تواند تولید انرژی را افزایش دهد.

2. محاسبه زاویه و ارتفاع بهینه: زاویه پنل باید به‌گونه‌ای باشد که تعادل بین جذب نور مستقیم و بازتابی حفظ شود. می‌توان از نرم‌افزارهای شبیه‌سازی برای تعیین زاویه مناسب استفاده کرد. به طور کلی، زاویه‌های بالاتر (۳۰ تا ۴۵ درجه) بازتاب بیشتری ایجاد می‌کنند، اما در مناطق بادخیز یا سقف‌های ساختمان، باید زاویه کمتر انتخاب شود. ارتفاع مناسب نیز برای دسترسی نور به پشت پنل ضروری است.

3. انتخاب جهت‌گیری مناسب: در سیستم‌های عمودی، جهت شرق–غرب برای بهره‌برداری از نور صبح و عصر توصیه می‌شود. اما در سیستم‌های مورب، جهت جنوب (در نیمکره شمالی) همچنان گزینه اصلی است. اگر مصرف برق عصرگاهی بالاتر باشد، می‌توان اندکی پنل‌ها را به سمت غرب متمایل کرد.

4. استفاده از ردیاب‌ها و اپتیمایزرها: نصب ردیاب‌های خورشیدی به افزایش تولید پنل‌های دوطرفه کمک می‌کند. علاوه بر این، بکارگیری اپتیمایزرهای توان یا میکرواینورترها باعث می‌شود عملکرد هر پنل به طور مستقل کنترل شده و تاثیر سایه یا آلودگی یک پنل بر پنل‌های دیگر کاهش یابد.

5. سیم‌کشی و مدیریت کابل‌ها: کابل‌ها و کانکتورها باید در پشت سازه به گونه‌ای قرار گیرند که سایه روی پنل نیندازند. بهتر است کابل‌ها نزدیک لبه‌ها و در مسیرهای کوتاه حرکت کنند و از بست‌های مقاوم در برابر UV برای نصب استفاده شود.

6. نگهداری و تمیزکاری: هر دو سطح پنل باید به طور دوره‌ای تمیز شوند. گرد و غبار، فضولات پرندگان و برف می‌توانند بهره‌وری را کاهش دهند، بنابراین برنامه‌های منظم شستشو باید اجرا شود. همچنین استفاده از پوشش‌های آب‌گریز و ضدبازتاب می‌تواند به کاهش نیاز به نظافت کمک کند.

7. پایش و تست‌های دوره‌ای: نصب سیستم‌های پایش آنلاین و ثبت داده‌ها (مانند میزان تولید جلو و پشت پنل، دما و تابش) اهمیت دارد. با استفاده از این داده‌ها می‌توان کارایی سیستم را تجزیه و تحلیل کرد و در صورت کاهش غیرعادی تولید، عیب‌یابی انجام داد.

8. سازگاری با باد و باران: سازه‌ها باید به گونه‌ای طراحی شوند که در برابر باد و باران مقاومت کافی داشته باشند. استفاده از مواد مقاوم و بررسی نیروهای جانبی در طراحی ساختاری اهمیت دارد. در مناطق با بارش تگرگ، شاید لازم باشد از پوشش‌های محافظ یا شیشه ضخیم‌تر استفاده کنید.

9. بررسی مقررات محلی و بیمه: پیش از نصب، باید مقررات ساختمانی و مالیات‌ها بررسی شود و از بیمه مناسب برای پوشش خسارات احتمالی (مثلاً در اثر تگرگ یا طوفان) استفاده گردد. همچنین در برخی مناطق، ممکن است برای دریافت مشوق‌های دولتی نیاز به ثبت‌نام و تأییدیه باشد.

بررسی مطالعات و پروژه‌های نمونه

مطالعه MDPI بر روی انواع سطوح

در تحقیق منتشر شده در مجله Energies در سال ۲۰۲4، محققان اثر سه نوع سطح زمین – شن سفید، چمن سبز و خاک رس قهوه‌ای – را بر عملکرد پنل‌های دوطرفه و تک‌طرفه بررسی کردند. اندازه‌گیری‌ها در سه بازه زمانی (صبح، ظهر و عصر) انجام شد. نتیجه این آزمایش نشان داد که پنل‌های دوطرفه روی شن سفید بیشترین دریافت تابش و تولید برق را داشتند؛ در ساعات ظهر، شار تابشی بالاتر از ۱۲۱۰ وات در متر مربع و جریان اتصال کوتاه ۱۲٫۸ آمپر ثبت شد. در مقابل، پنل‌های تک‌طرفه حدود ۹٫۸ آمپر تولید کردند. این مطالعه تاکید می‌کند که پوشش سفید یا مواد بازتابنده می‌تواند عملکرد پنل‌های دوطرفه را به طور معنی‌داری افزایش دهد.

مطالعه دانشگاه یورک بر سیستم عمودی

دانشگاه یورک در یک پروژه تحقیقاتی، سیستم فتوولتائیک دوطرفه عمودی را با سیستم عمودی تک‌طرفه و سیستم مورب تک‌طرفه مقایسه کرد. نتایج نشان داد که سیستم عمودی دوطرفه در ساعات صبح و عصر به ترتیب 7.12٪ و 10.12٪ انرژی بیشتری نسبت به سیستم عمودی تک‌طرفه تولید کرد و در مجموع 26.91٪ تولید بیشتری نسبت به سیستم مورب تک‌طرفه داشت. این مزیت در فصول مختلف نیز حفظ شد و به طور متوسط در زمستان 24.52 درصد تولید اضافی نسبت به سیستم مورب مشاهده شد.

مطالعه Agrivoltaics در فنلاند

پژوهشی که در سال 2025 در مجله PV Magazine منتشر شد، به بررسی استفاده از پنل‌های دوطرفه عمودی در مزرعه گندم در فنلاند پرداخت. در این مطالعه، فاصله ردیف‌ها و اثر آن بر عملکرد انرژی و رشد محصولات بررسی شد. نتایج نشان داد که فاصله 11.3 تا 13.7 متر برای حفظ 90 درصد تولید محصول مناسب است، ولی در فاصله 8 متر نیز 75 درصد نور برای محصولات تامین می‌شود، که ممکن است برای کشاورزان قابل قبول باشد. همچنین مشخص شد که تولید انرژی در فاصله 20 متر دیگر افزایش قابل توجهی ندارد و منحنی بازده تقریبا یکنواخت می‌شود. این مطالعه همچنین تاکید کرد که جهت شرق–غرب برای پنل‌های عمودی در عرض‌های شمالی سودآورتر است زیرا اوج تولید در صبح و عصر رخ می‌دهد و برای خودمصرفی بسیار مفید است.

آزمایش‌های NREL روی ردیاب‌های دوطرفه

آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر آمریکا (NREL) در سال 2019 داده‌های آزمایشی از سیستم‌های ردیاب تک‌محوری با پنل‌های دوطرفه و تک‌طرفه منتشر کرد. نتایج نشان داد که پنل‌های دوطرفه مجهز به ردیاب حدود 9 درصد انرژی بیشتری نسبت به پنل‌های تک‌طرفه تولید کردند. این افزایش عمدتاً به دلیل جذب نور بازتابی از زمین و سطح برف است. همچنین هزینه اضافی پنل‌های دوطرفه نسبت به پنل‌های تک‌طرفه کمتر از 10 درصد برآورد شد. این داده‌ها بیانگر آن است که در بسیاری از پروژه‌ها، استفاده از پنل‌های دوطرفه همراه با ردیاب می‌تواند سرمایه‌گذاری مناسبی باشد.

بررسی عملکرد فناوری‌های مختلف در شرایط بیابانی

مطالعه‌ای که توسط مجله PV Magazine در سال 2025 منتشر شد، عملکرد پنل‌های TopCon، HJT و PERC را در شرایط بیابانی طی سه سال مقایسه کرد. نتایج نشان داد که پنل‌های TopCon کمترین کاهش توان (0.14%) را داشتند و پنل‌های HJT بیشترین کاهش (تا 8.73%) را تجربه کردند. همچنین انرژی ویژه تولید شده توسط پنل‌های HJT و TopCon در تابستان بیشتر از پنل‌های PERC بود. این مطالعه نشان می‌دهد که انتخاب فناوری مناسب بر اساس شرایط آب و هوایی و طول عمر پروژه اهمیت زیادی دارد.

مثال‌های اجرایی در سراسر جهان

• نیروگاه خورشیدی صحرای دوبی: پروژه Mohammed Bin Rashid Al Maktoum Solar Park در امارات یکی از بزرگ‌ترین نیروگاه‌های خورشیدی جهان است که از پنل‌های دوطرفه استفاده می‌کند. سطح شن و ماسه صحرای دوبی آلبدو نسبتاً بالایی دارد و استفاده از پنل‌های دوطرفه باعث افزایش تولید نسبت به پنل‌های تک‌طرفه شده است.

• حصارهای خورشیدی در هلند: در مناطق کشاورزی هلند، برخی مزارع از پنل‌های دوطرفه عمودی به عنوان حصار استفاده می‌کنند که علاوه بر تولید انرژی، زمین را از باد محافظت کرده و به دکوراسیون محیط کمک می‌کند.

• سیستم‌های سقفی و سایبان پارکینگ: در اروپا و آمریکا، بسیاری از ساختمان‌ها از پنل‌های دوطرفه در سایبان‌های پارکینگ استفاده می‌کنند. سقف سفید یا بتن رنگ‌شده زیر این پنل‌ها باعث می‌شود بازده پشت پنل افزایش یابد و در عین حال فضای زیرین سایه‌دار برای خودروها یا عابران فراهم شود.

آینده پنل‌های دوطرفه

انتظار می‌رود در آینده نزدیک، پنل‌های دوطرفه به طور گسترده در پروژه‌های مختلف مورد استفاده قرار گیرند. روندهای زیر می‌تواند به رشد این فناوری کمک کند:

1. کاهش هزینه تولید: با توسعه خطوط تولید جدید و افزایش بهره‌وری، هزینه پنل‌های دوطرفه کاهش خواهد یافت. تولیدکنندگان در حال جایگزینی مواد گران با مواد ارزان‌تر و استفاده از فرایندهای اتوماسیون هستند که موجب کاهش قیمت تمام شده می‌شود.

2. بهبود فناوری‌های سلولی: توسعه سلول‌های پرکوسکایت-سیلیکون هیبرید، سلول‌های نانو سیم و روش‌های نوین پاسیو کردن می‌تواند راندمان پنل‌های دوطرفه را به بیش از 30 درصد برساند. تحقیقات بسیاری برای ساخت پنل‌های دوطرفه با مواد پایدارتر و دوستدار محیط زیست در حال انجام است.

3. تکمیل استانداردهای بین‌المللی: تدوین استانداردهای دقیق‌تر برای آزمایش و گواهی پنل‌های دوطرفه باعث افزایش اعتماد بازار می‌شود. همچنین ایجاد پروتکل‌های مشترک برای اندازه‌گیری نسبت بهره دوطرفه و عملکرد پشت پنل امکان مقایسه آسان محصولات را فراهم می‌کند.

4. ادغام با سیستم‌های ذخیره‌سازی و مدیریت هوشمند: ترکیب پنل‌های دوطرفه با باتری‌های لیتیوم-یون یا سیستم‌های ذخیره حرارتی می‌تواند تولید برق پایدار و قابل اطمینان فراهم کند. استفاده از هوش مصنوعی و اینترنت اشیاء برای کنترل و بهینه‌سازی عملکرد سیستم‌ها نیز در حال گسترش است.

5. کاربرد در حمل و نقل و ساختمان‌ها: نصب پنل‌های دوطرفه در قطارها، اتوبوس‌های برقی و ساختمان‌های مرتفع، فرصت‌های جدیدی ایجاد می‌کند. در ساختمان‌ها، پنل‌های دوطرفه می‌توانند در نمای شیشه‌ای یا به عنوان بادشکن استفاده شوند و ضمن کاهش گرمایش ساختمان، برق تولید کنند.

6. توسعه پروژه‌های کشاورزی و صنعتی: ادغام گسترده‌تر پنل‌های دوطرفه با کشاورزی (agrivoltaics) و صنایع روباز مانند استخراج معادن می‌تواند بهره‌وری زمین را بهبود دهد. به‌کارگیری این پنل‌ها در مزارع دام و پرورش آبزیان نیز می‌تواند سایه فراهم کرده و در مصرف آب صرفه‌جویی نماید.

نتیجه‌گیری

پنل خورشیدی دوطرفه با بهره‌گیری از نور مستقیم و بازتابی، نسل جدیدی از ماژول‌های فتوولتائیک هستند که قابلیت افزایش تولید انرژی و بهره‌برداری بهینه از زمین را فراهم می‌کنند. آزمایش‌های عملی و مطالعات متعدد نشان می‌دهد که این پنل‌ها در شرایط مناسب می‌توانند تا 30 درصد انرژی بیشتری نسبت به پنل‌های تک‌طرفه تولید کنند، به ویژه در صبح و عصر و مناطق برفی یا با آلبدو بالا ساختار شیشه‌ای دوطرفه دوام و طول عمر بالایی ایجاد می‌کند و شرکت‌ها ضمانت‌های طولانی‌تری برای این محصولات ارائه می‌دهند

با این حال، نصب پنل خورشیدی دوطرفه نیازمند بررسی دقیق آلبدو، زاویه، ارتفاع، جهت‌گیری و شرایط آب‌وهوایی است. هزینه اولیه این پنل‌ها نسبت به پنل‌های معمولی بالاتر است و نیاز به نگهداری و پاک‌سازی دو سطح نیز وجود دارد

روندهای بازار جهانی و توسعه فناوری‌های n-type مانند TopCon و HJT نشان می‌دهد که آینده این فناوری روشن است و احتمالاً تا سال 2030 سهم قابل توجهی از بازار را در اختیار خواهد گرفت شرکت‌ها به دنبال کاهش هزینه تولید و افزایش راندمان هستند و پروژه‌های بزرگی در سراسر جهان برای استفاده از این پنل‌ها در حال اجراست. ترکیب پنل‌های دوطرفه با کشاورزی، نصب‌های عمودی، ردیاب‌ها و سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی می‌تواند بهره‌وری و کارایی آنها را به‌طور چشمگیری افزایش دهد و مسیری جدید برای توسعه پایدار فراهم آورد.