Panel ogniw słonecznych - Solar cell panel

Panel słoneczny montowany na dachu

Panel ogniwa słonecznego , panel elektryczny słoneczna , zdjęcia fotowoltaicznych (PV) moduł lub po prostu panel słoneczny jest zespołem fotowoltaicznych ogniw montowane w ramy instalacji. Panele słoneczne wykorzystywać światło słoneczne jako źródło energii do generowania prądu stałego prądu . Zbiór modułów fotowoltaicznych nazywa się panelem fotowoltaicznym, a system paneli fotowoltaicznych nazywa się tablicą . Macierze systemu fotowoltaicznego dostarczają energię słoneczną do urządzeń elektrycznych.

Historia

W 1839 r. zdolność niektórych materiałów do tworzenia ładunku elektrycznego w wyniku ekspozycji na światło po raz pierwszy zaobserwował Alexandre-Edmond Becquerel .

Chociaż te początkowe panele słoneczne były zbyt nieefektywne dla nawet prostych urządzeń elektrycznych, były używane jako instrument do pomiaru światła.

Obserwacja Becquerela nie została powtórzona aż do 1873 roku, kiedy Willoughby Smith odkrył, że ładunek może być spowodowany uderzeniem światła w selen. Po tym odkryciu William Grylls Adams i Richard Evans Day opublikowali „Działanie światła na selen” w 1876 roku, opisując eksperyment, którego użyli do powtórzenia wyników Smitha.

W 1881 roku Charles Fritts stworzył pierwszy komercyjny panel słoneczny, który Fritts określił jako „ciągły, stały i o znacznej sile nie tylko przez wystawienie na działanie światła słonecznego, ale także przyćmionego, rozproszonego światła dziennego”. Jednak te panele słoneczne były bardzo nieefektywne, zwłaszcza w porównaniu z elektrowniami węglowymi.

W 1939 roku Russell Ohl stworzył projekt ogniwa słonecznego, który jest używany w wielu nowoczesnych panelach słonecznych. Opatentował swój projekt w 1941 roku.

W 1954 roku ten projekt został po raz pierwszy wykorzystany przez Bell Labs do stworzenia pierwszego komercyjnie opłacalnego krzemowego ogniwa słonecznego. W 1957 Mohamed M. Atalla opracował w Bell Labs proces pasywacji powierzchni krzemu przez utlenianie termiczne . Od tego czasu proces pasywacji powierzchni ma kluczowe znaczenie dla wydajności ogniw słonecznych .

Teoria i konstrukcja

Moduły fotowoltaiczne wykorzystują energię świetlną ( fotony ) ze Słońca do generowania elektryczności poprzez efekt fotowoltaiczny . Większość modułów użyciu wafla -na krystaliczne krzemu komórki lub komórek cienkowarstwowych . Element konstrukcyjny ( przenoszący obciążenie ) modułu może być warstwą wierzchnią lub warstwą tylną. Komórki muszą być chronione przed uszkodzeniami mechanicznymi i wilgocią. Większość modułów jest sztywna, ale dostępne są również półelastyczne, oparte na ogniwach cienkowarstwowych. Ogniwa są zwykle połączone elektrycznie szeregowo, jeden do drugiego do pożądanego napięcia, a następnie równolegle, aby zwiększyć prąd. Moc (w watach ) modułu jest produktem matematyczny z napięcia (w woltach ) i prądu (w amperach ) modułu. Specyfikacje produkcyjne paneli słonecznych są uzyskiwane w standardowych warunkach, które nie są rzeczywistymi warunkami pracy, na jakie panele słoneczne są narażone w miejscu instalacji.

Puszka przyłączeniowa PV jest przymocowana z tyłu panelu słonecznego i działa jako jego interfejs wyjściowy. Połączenia zewnętrzne dla większości modułów fotowoltaicznych wykorzystują złącza MC4, aby ułatwić łatwe połączenia odporne na warunki atmosferyczne z resztą niektórych systemów. Można również użyć interfejsu zasilania USB.

Kolejność podłączenia modułu

Połączenia elektryczne modułu są wykonywane szeregowo w celu uzyskania pożądanego napięcia wyjściowego lub równolegle, aby zapewnić pożądaną obciążalność prądową (w amperach) panelu słonecznego lub systemu fotowoltaicznego. Przewody przewodzące, które odprowadzają prąd z modułów, są zwymiarowane zgodnie z prądem znamionowym i mogą zawierać srebro, miedź lub inne niemagnetyczne przewodzące metale przejściowe. Diody obejściowe mogą być wbudowane lub używane zewnętrznie, w przypadku częściowego zacienienia modułu, aby zmaksymalizować moc wyjściową sekcji modułu nadal oświetlonych.

Niektóre specjalne moduły fotowoltaiczne zawierają koncentratory, w których światło jest skupiane przez soczewki lub lustra na mniejszych ogniwach. Umożliwia to wykorzystanie ogniw o wysokim koszcie na jednostkę powierzchni (takich jak arsenek galu ) w opłacalny sposób.

Panele słoneczne wykorzystują również metalowe ramy składające się z elementów regałów, wsporników, kształtów reflektorów i koryt, aby lepiej podtrzymywać strukturę panelu.

Rodzaje paneli słonecznych

Trzy rodzaje paneli słonecznych. Każdy z tych typów ogniw słonecznych jest wykonany w unikalny sposób i ma inny estetyczny wygląd.

  1. Monokrystaliczny
  2. Polikrystaliczny
  3. Cienkowarstwowe panele słoneczne

Efektywność

Zgłoszony harmonogram mistrzowskiej wydajności konwersji energii modułów słonecznych od 1988 r. ( Krajowe Laboratorium Energii Odnawialnej )

Każdy moduł jest oceniany na podstawie mocy wyjściowej prądu stałego w standardowych warunkach testowych (STC), a zatem moc wyjściowa w terenie może się różnić. Moc zwykle waha się od 100 do 365 watów (W). Wydajność modułu określa powierzchnię modułu takiego samego moc znamionową - 8% skuteczny moduł 230 W będzie Dwukrotnie obszar 16% efektywnego 230 modułu W. Niektóre dostępne na rynku moduły fotowoltaiczne przekraczają 24% wydajności. Obecnie najlepszy osiągany współczynnik konwersji światła słonecznego (wydajność modułu słonecznego) wynosi około 21,5% w nowych produktach komercyjnych zazwyczaj niższy niż wydajność ich ogniw w izolacji. Najbardziej wydajne moduły fotowoltaiczne produkowane masowo mają gęstość mocy do 175 W/m 2 (16,22 W/ft 2 ).

Naukowcy ze Spectrolab, spółki zależnej Boeinga , poinformowali o opracowaniu wielozłączowych ogniw słonecznych o wydajności ponad 40%, co jest nowym światowym rekordem w dziedzinie fotowoltaicznych ogniw słonecznych. Naukowcy Spectrolab przewidują również, że koncentratorowe ogniwa słoneczne mogą osiągnąć w przyszłości sprawność powyżej 45% lub nawet 50%, przy czym teoretyczna sprawność wynosi około 58% w ogniwach z więcej niż trzema złączami.

Współczynnik wydajności paneli słonecznych jest ograniczony głównie szerokością geograficzną i różni się znacznie w zależności od zachmurzenia, kurzu, długości dnia i innych czynników. W Wielkiej Brytanii współczynnik wydajności sezonowej waha się od 2% (grudzień) do 20% (lipiec), przy średnim rocznym współczynniku wydajności wynoszącym 10-11%, podczas gdy w Hiszpanii wartość sięga 18%. Globalnie współczynnik mocy dla farm fotowoltaicznych na skalę przemysłową wyniósł 16,1% w 2019 r.

Sprawność zależna od promieniowania

W zależności od konstrukcji, moduły fotowoltaiczne mogą wytwarzać energię elektryczną z różnych częstotliwości światła , ale zazwyczaj nie mogą pokryć całego zakresu promieniowania słonecznego (w szczególności ultrafioletowego , podczerwonego oraz światła słabego lub rozproszonego). Stąd znaczna część padającego światła słonecznego energii jest marnowana przez modułów słonecznych i mogą dać znacznie wyższą wydajność jeśli oświetlone monochromatycznego światła. Dlatego inną koncepcją projektową jest podzielenie światła na sześć do ośmiu różnych zakresów długości fal, które będą wytwarzać inny kolor światła i skierowanie wiązki na różne komórki dostrojone do tych zakresów. Przewiduje się, że może to zwiększyć wydajność o 50%.

Tablice modułów PV

Pojedynczy moduł słoneczny może wytworzyć tylko ograniczoną ilość energii; większość instalacji zawiera wiele modułów dodających napięcia lub prąd do okablowania i systemu fotowoltaicznego. System fotowoltaiczny zazwyczaj zawiera szereg modułów fotowoltaicznych, falownik , zestaw akumulatorów do magazynowania energii, kontroler ładowania, okablowanie łączące, wyłączniki, bezpieczniki, odłączniki, mierniki napięcia i opcjonalnie mechanizm śledzenia słońca . Sprzęt jest starannie dobierany, aby zoptymalizować moc wyjściową, magazynowanie energii, zmniejszyć straty mocy podczas przesyłania energii i przełączyć z prądu stałego na prąd przemienny.

Nanocylindry aluminiowe

Badania przeprowadzone przez Imperial College w Londynie wykazały, że wydajność kolektorów słonecznych jest poprawiona przez kołkowanie światła odbierający półprzewodnikową powierzchnię aluminium nanocylinders, podobny do grzbietów na bloki Lego . Rozproszonego światła , a następnie przemieszcza się wzdłuż dłuższej drogi w produkcji półprzewodników, pochłania więcej fotonów być przekształcany w prąd. Chociaż te nanocylindry były już wcześniej stosowane (aluminium zostało poprzedzone złotem i srebrem ), to rozpraszanie światła zachodziło w obszarze bliskiej podczerwieni, a światło widzialne było silnie pochłaniane. Stwierdzono, że glin pochłonął ultrafioletową część widma, podczas gdy widzialne i bliskie podczerwieni części widma są rozpraszane przez powierzchnię aluminium. Badania wykazały, że może to znacznie obniżyć koszty i poprawić wydajność, ponieważ aluminium jest bardziej obfite i mniej kosztowne niż złoto i srebro. W badaniu zauważono również, że wzrost natężenia prądu sprawia, że ​​panele słoneczne z cieńszą folią są technicznie wykonalne bez „pogorszenia sprawności konwersji energii, a tym samym zmniejszenia zużycia materiału”.

  • Wydajność panelu słonecznego można obliczyć na podstawie wartości MPP (maksymalnego punktu mocy) paneli słonecznych.
  • Inwertery słoneczne przetwarzają prąd stały na prąd przemienny , wykonując proces śledzenia punktu maksymalnej mocy (MPPT): inwerter słoneczny pobiera moc wyjściową (krzywa IV) z ogniwa słonecznego i stosuje odpowiednią rezystancję (obciążenie) do ogniw słonecznych w celu uzyskania maksymalnej moc.
  • MPP (maksymalny punkt mocy) panelu słonecznego składa się z napięcia MPP (V mpp) i prądu MPP (I mpp): jest to pojemność panelu słonecznego, a wyższa wartość może zwiększyć MPP.

Mikroodwrócone panele słoneczne są połączone równolegle , co daje większą moc wyjściową niż normalne panele połączone szeregowo , przy czym moc wyjściowa serii jest określana przez panel o najniższej wydajności. Jest to znane jako „Świąteczny efekt świetlny”. Mikroinwertery działają niezależnie, aby każdy panel mógł zapewnić maksymalną możliwą moc wyjściową dla określonej ilości światła słonecznego.

Technologia

Udział w rynku technologii fotowoltaicznych od 1990 r.

Większość modułów słonecznych są obecnie produkowane z krystalicznego krzemu (Si), c- ogniw wykonanych multikrystaliczny i monokrystalicznego krzemu . W 2013 r. krystaliczny krzem stanowił ponad 90 procent światowej produkcji fotowoltaiki, podczas gdy reszta całego rynku składa się z technologii cienkowarstwowych wykorzystujących tellur kadmu , CIGS i krzem amorficzny

Powstające technologie słoneczne trzeciej generacji wykorzystują zaawansowane ogniwa cienkowarstwowe. Produkują stosunkowo wysokowydajną konwersję przy niskich kosztach w porównaniu z innymi technologiami słonecznymi. Ponadto w panelach słonecznych na statkach kosmicznych preferuje się kosztowne, wysokowydajne i ciasno upakowane prostokątne ogniwa wielozłączowe (MJ) , ponieważ oferują najwyższy stosunek generowanej mocy na kilogram wyniesiony w kosmos. Ogniwa MJ to złożone półprzewodniki wykonane z arsenku galu (GaAs) i innych materiałów półprzewodnikowych. Inną powstającą technologią PV wykorzystującą ogniwa MJ jest fotowoltaika koncentratora (CPV).

Cienki film

W sztywnych modułach cienkowarstwowych ogniwo i moduł są produkowane na tej samej linii produkcyjnej. Komórka powstaje na szklanym podłożu lub superstracie, a połączenia elektryczne tworzone są in situ , tak zwana „integracja monolityczna”. Podłoże lub superstrat laminuje się środkiem kapsułkującym na przedniej lub tylnej tafli , zwykle innej tafli szkła. Główne technologie ogniw w tej kategorii to CdTe lub a-Si lub a-Si+uc-Si tandem lub CIGS (lub wariant). Krzem amorficzny ma współczynnik konwersji światła słonecznego 6–12%.

Elastyczne ogniwa i moduły cienkowarstwowe są tworzone na tej samej linii produkcyjnej poprzez osadzanie warstwy fotoaktywnej i innych niezbędnych warstw na elastycznym podłożu . Jeżeli podłoże jest izolatorem (np. folia poliestrowa lub poliimidowa ), można zastosować integrację monolityczną . Jeśli jest to przewodnik, należy zastosować inną technikę połączenia elektrycznego. Ogniwa są składane w moduły poprzez laminowanie ich na przedniej stronie przezroczystego bezbarwnego fluoropolimeru (zazwyczaj ETFE lub FEP ) i polimeru odpowiedniego do połączenia z końcowym podłożem z drugiej strony.

Inteligentne moduły słoneczne

Kilka firm zaczęło umieszczać elektronikę w modułach fotowoltaicznych. Umożliwia to wykonywanie MPPT dla każdego modułu indywidualnie oraz pomiar danych dotyczących wydajności w celu monitorowania i wykrywania błędów na poziomie modułu. Niektóre z tych rozwiązań wykorzystują optymalizatory mocy , technologię konwertera DC-DC opracowaną w celu maksymalizacji poboru mocy z systemów fotowoltaicznych. Od około 2010 roku taka elektronika może również kompensować efekty cieniowania, w których cień padający na sekcję modułu powoduje, że wyjście elektryczne jednego lub więcej ciągów komórek w module spada do zera, ale nie ma wyjścia cały moduł spada do zera.

Wydajność i degradacja

Rzeczywista moc wyjściowa w woltach, amperach i w watach z 100-watowego modułu słonecznego w sierpniu.jpg
Ten wykres ilustruje wpływ chmur na produkcję energii słonecznej.

Moduł wydajność jest ogólnie ocenione w warunkach normalnych (STC) napromieniowania o 1,000 W / m 2 , słoneczna widma z AM 1,5 i temperaturę głowicy 25 ° C. Rzeczywiste napięcie i prąd wyjściowy modułu zmieniają się wraz ze zmianą warunków oświetlenia, temperatury i obciążenia, więc nigdy nie ma jednego określonego napięcia, przy którym działa moduł. Wydajność różni się w zależności od położenia geograficznego, pory dnia, dnia roku, natężenia promieniowania słonecznego , kierunku i nachylenia modułów, zachmurzenia, zacienienia, zabrudzenia , stanu naładowania i temperatury.

Aby uzyskać optymalną wydajność, panel słoneczny musi być wykonany z podobnych modułów zorientowanych w tym samym kierunku prostopadle do bezpośredniego światła słonecznego. Diody obejściowe służą do omijania uszkodzonych lub zacienionych paneli i optymalizacji mocy wyjściowej. Te diody obejściowe są zwykle umieszczane wzdłuż grup ogniw słonecznych, aby zapewnić ciągły przepływ.

Charakterystyki elektryczne obejmują moc znamionową (P MAX , mierzoną w W ), napięcie obwodu otwartego (V OC ), prąd zwarcia ( ICC , mierzony w amperach ), maksymalne napięcie mocy (V MPP ), maksymalny prąd mocy (I MPP ) ), moc szczytowa ( wat-szczyt , W p ) i sprawność modułu (%).

Napięcie obwodu otwartego lub V OC to maksymalne napięcie, jakie może wytworzyć moduł, gdy nie jest podłączony do obwodu elektrycznego lub systemu. V OC można zmierzyć woltomierzem bezpośrednio na podświetlanych zaciskach modułu lub na odłączonym kablu.

Ocena mocy szczytowej, W P jest jej maksymalny w warunkach normalnych (brak maksymalne możliwe wyjścia). Typowe moduły, które mogą mierzyć około 1 na 2 metry (3 stopy × 7 stóp), będą miały moc od 75 W do nawet 600 W, w zależności od ich wydajności. W czasie testowania moduły testowe są sortowane zgodnie z ich wynikami testów, a typowy producent może oceniać swoje moduły w przyrostach co 5 W i oceniać je na +/- 3%, +/- 5%, +3/ -0% lub +5/-0%.

Zdolność modułów fotowoltaicznych do wytrzymania uszkodzeń spowodowanych deszczem, gradem , dużym obciążeniem śniegiem oraz cyklami upałów i zimna różni się w zależności od producenta, chociaż większość paneli fotowoltaicznych na rynku amerykańskim jest objęta certyfikatem UL, co oznacza, że ​​przeszły testy, aby wytrzymać grad.

Degradacja indukowana potencjałem (zwana również PID) to indukowana potencjałem degradacja wydajności w krystalicznych modułach fotowoltaicznych, spowodowana tak zwanymi prądami błądzącymi. Efekt ten może powodować utratę mocy do 30%.

Największym wyzwaniem dla technologii fotowoltaicznej jest cena zakupu za wat wyprodukowanej energii elektrycznej. Postępy w technologiach fotowoltaicznych doprowadziły do ​​procesu „domieszkowania” podłoża krzemowego w celu obniżenia energii aktywacji, dzięki czemu panel jest bardziej wydajny w przekształcaniu fotonów w możliwe do odzyskania elektrony.

Substancje chemiczne takie jak bor (typu p) są wprowadzane do kryształu półprzewodnika w celu wytworzenia poziomów energii donora i akceptora znacznie bliższych pasmom walencyjnym i przewodnikowym. W ten sposób dodanie domieszki boru pozwala na dwudziestokrotne zmniejszenie energii aktywacji z 1,12 eV do 0,05 eV. Ponieważ różnica potencjałów (E B ) jest tak niska, bor może jonizować termicznie w temperaturze pokojowej. Pozwala to na wykorzystanie nośników energii swobodnej w pasmach przewodnictwa i walencyjnych, umożliwiając tym samym większą konwersję fotonów na elektrony.

Utrzymanie

Wydajność konwersji paneli słonecznych, zwykle w zakresie 20%, jest zmniejszona przez gromadzenie się kurzu, brudu, pyłków i innych cząstek na panelach słonecznych , łącznie określanych jako zanieczyszczenie . „Brudny panel słoneczny może zmniejszyć swoje możliwości energetyczne nawet o 30% w obszarach o wysokim zapyleniu/pyleniu lub na obszarach pustynnych”, mówi Seamus Curran, profesor fizyki na Uniwersytecie w Houston i dyrektor Instytutu NanoEnergii, który specjalizuje się w projektowanie, inżynieria i montaż nanostruktur. Średnia strata zabrudzenia na świecie w 2018 roku szacowana jest na co najmniej 3% - 4%.

Płacenie za czyszczenie paneli słonecznych jest dobrą inwestycją w wielu regionach od 2019 r. Jednak w niektórych regionach czyszczenie nie jest opłacalne. W Kalifornii od 2013 r. straty finansowe spowodowane zabrudzeniem rzadko wystarczały, aby uzasadnić koszty mycia paneli. Średnio panele w Kalifornii traciły nieco mniej niż 0,05% swojej ogólnej wydajności dziennie.

Istnieją również zagrożenia zawodowe związane z instalacją i konserwacją paneli słonecznych . Ptasie gniazda i inne zanieczyszczenia, które mogą utkwić pod panelami słonecznymi, mogą powodować zakłócenia w systemie, prowadzić do pożaru w przypadku luźnych połączeń lub po prostu powodować degradację systemu z czasem.

W badaniu przeprowadzonym w latach 2015–2018 w Wielkiej Brytanii zbadano 80 incydentów pożaru związanych z fotowoltaiką, z ponad 20 „poważnymi pożarami” bezpośrednio spowodowanymi przez instalację fotowoltaiczną, w tym 37 budynków mieszkalnych i 6 farm fotowoltaicznych. W ⅓ incydentów przyczyna nie została ustalona, ​​większość innych była spowodowana niewłaściwą instalacją, wadliwym produktem lub problemami projektowymi. Najczęstszym pojedynczym elementem powodującym pożary były izolatory DC.

Badanie przeprowadzone przez kWh Analytics w 2021 r. określiło medianę rocznej degradacji systemów fotowoltaicznych na 1,09% dla budynków mieszkalnych i 0,8% dla niemieszkalnych, prawie dwukrotnie więcej niż wcześniej zakładano. Badanie niezawodności modułów PVEL wykazało rosnącą tendencję w zakresie wskaźników awarii modułów fotowoltaicznych, przy czym 30% producentów doświadcza awarii bezpieczeństwa związanych ze skrzynkami połączeniowymi (wzrost z 20%) i 26% awarii wykazów materiałów (wzrost z 20%).

Odpady i recykling

Ogniwa słoneczne CdTe i CIGS zawierają kadm, toksyczny metal ciężki, który ma tendencję do gromadzenia się w łańcuchu pokarmowym. Lut używany w instalacji zawiera również ołów . Resztki paneli fotowoltaicznych mogą zanieczyścić glebę, tak jak miało to miejsce w 2013 r., kiedy amerykańska farma słoneczna Solyndra zbankrutowała, pozostawiając uszkodzone panele na miejscu. W badaniu IRENA 2016 oszacowano ilość odpadów fotowoltaicznych na 78 milionów ton do 2050 r. Większość części modułu słonecznego można poddać recyklingowi, w tym do 95% niektórych materiałów półprzewodnikowych lub szkła, a także duże ilości metali żelaznych i nieżelaznych. Niektóre firmy prywatne i organizacje non-profit są obecnie zaangażowane w operacje odbioru i recyklingu modułów wycofanych z eksploatacji. Prawo UE wymaga od producentów zapewnienia prawidłowego recyklingu swoich paneli słonecznych. Podobne przepisy obowiązują w Japonii , Indiach i Australii .

Badanie przeprowadzone przez Harvard Business Review z 2021 r. wskazuje, że do 2035 r. wyrzucone panele będą przeważać nad nowymi jednostkami o współczynnik 2,56, a koszt recyklingu pojedynczego panelu fotowoltaicznego do tego czasu osiągnie 20-30 USD, co zwiększy LCOE fotowoltaiki o współczynnik 4 Analizując rynek amerykański, na którym do 2021 r. nie istniały żadne przepisy podobne do UE, HBR zauważył, że koszt wysłania go na składowisko wynosi zaledwie 1-2 USD, więc istnieje znaczna zachęta finansowa, aby albo wyrzucić wycofane z eksploatacji panele, albo wysłać je do niski technologicznie demontaż w krajach o niskich dochodach, gdzie wiele toksycznych pierwiastków jest uwalnianych do środowiska, podczas gdy obowiązkowe przepisy dotyczące recyklingu

Możliwości recyklingu zależą od rodzaju technologii zastosowanej w modułach:

  • Moduły na bazie silikonu: aluminiowe ramy i skrzynki połączeniowe są demontowane ręcznie na początku procesu. Moduł jest następnie kruszony w młynie i oddzielane są różne frakcje – szkło, tworzywa sztuczne i metale. Możliwe jest odzyskanie ponad 80% przychodzącej wagi. Proces ten może być wykonywany przez firmy zajmujące się recyklingiem szkła płaskiego, ponieważ morfologia i skład modułu fotowoltaicznego są podobne do szkieł płaskich stosowanych w budownictwie i przemyśle motoryzacyjnym. Odzyskane szkło, na przykład, jest łatwo akceptowane przez przemysł pianek szklanych i izolacji szklanych.
  • Moduły nie oparte na krzemie: wymagają specjalnych technologii recyklingu, takich jak zastosowanie kąpieli chemicznych w celu oddzielenia różnych materiałów półprzewodnikowych. W przypadku modułów z tellurku kadmu proces recyklingu rozpoczyna się od zgniecenia modułu, a następnie oddzielenia różnych frakcji. Ten proces recyklingu ma na celu odzyskanie do 90% szkła i 95% zawartych w nim materiałów półprzewodnikowych. Niektóre zakłady recyklingu na skalę komercyjną zostały utworzone w ostatnich latach przez prywatne firmy. W przypadku aluminiowego odbłyśnika płaskiego: modność odbłyśników została podkreślona przez wykonanie ich z cienkiej warstwy (około 0,016 mm do 0,024 mm) powłoki aluminiowej znajdującej się wewnątrz opakowań z tworzyw sztucznych nie pochodzących z recyklingu.

Od 2010 roku odbywa się coroczna europejska konferencja gromadząca producentów, podmioty zajmujące się recyklingiem i badaczy, aby przyjrzeć się przyszłości recyklingu modułów fotowoltaicznych.

Produkcja

Czołowi producenci systemów fotowoltaicznych według dostarczonej mocy w gigawatach
Producent modułu Przesyłki
w 2019 roku
( GW )
Jinko Solar 14,2
JA Solar 10.3
Trina Solar 9,7
LONGi Solar 9,0
Kanadyjski Solar 8,5
Komórki Q Hanwha 7,3
Wzrosła energia 7,0
Pierwszy Solar 5,5
System GCL 4,8
Fotowoltaika Shunfeng 4.0

Produkcja systemów fotowoltaicznych przebiegała zgodnie z klasycznym efektem krzywej uczenia się , ze znaczną redukcją kosztów przy jednoczesnym dużym wzroście wydajności i produkcji.

Według Międzynarodowej Agencji Energetycznej (IEA) w 2019 r. ukończono 114,9 GW instalacji fotowoltaicznych.

Przy ponad 100% wzroście instalacji systemów fotowoltaicznych rok do roku, producenci modułów fotowoltaicznych radykalnie zwiększyli swoje dostawy modułów fotowoltaicznych w 2019 r. Aktywnie zwiększyli swoją moc i przekształcili się w gigawatowych graczy GW . Według Pulse Solar, pięć z dziesięciu największych firm produkujących moduły fotowoltaiczne w 2019 roku odnotowało wzrost produkcji paneli słonecznych o co najmniej 25% w porównaniu do 2019 roku.

Podstawą produkcji paneli słonecznych jest wykorzystanie ogniw krzemowych. Te ogniwa krzemowe są zazwyczaj 10-20% wydajne w przekształcaniu światła słonecznego w energię elektryczną, przy czym nowsze modele produkcyjne przekraczają obecnie 22%. Aby panele słoneczne stały się bardziej wydajne, naukowcy na całym świecie próbują opracować nowe technologie, dzięki którym panele słoneczne będą skuteczniej przekształcać światło słoneczne w energię.

W 2018 r. do pięciu największych producentów modułów fotowoltaicznych na świecie pod względem dostarczonej mocy w roku kalendarzowym 2018 należały Jinko Solar , JA Solar , Trina Solar , Longi Solar i Canadian Solar .

Cena

Prawo Swansona stanowi, że każde podwojenie produkcji paneli powoduje 20-procentową redukcję kosztów paneli.

Cena energii słonecznej nadal spadała, tak że w wielu krajach od 2012 roku stała się tańsza niż zwykła energia elektryczna z paliw kopalnych z sieci elektrycznej , zjawisko znane jako parytet sieci .

Informacje o średnich cenach dzielą się na trzy kategorie cen: kupujących małe ilości (moduły wszystkich rozmiarów w zakresie kilowatów rocznie), kupujących ze średniej półki (zwykle do 10 MWp rocznie) i kupujących duże ilości (oczywiste - i z dostępem do najniższych cen). W dłuższej perspektywie cena ogniw i modułów wyraźnie spada. Na przykład w 2012 roku oszacowano, że koszt ilościowy na wat wynosił około 0,60 USD, czyli 250 razy mniej niż koszt 150 USD w 1970 roku. Badanie z 2015 r. pokazuje, że cena/kWh spada o 10% rocznie od 1980 r. i przewiduje, że energia słoneczna może stanowić 20% całkowitego zużycia energii elektrycznej do 2030 r., podczas gdy Międzynarodowa Agencja Energetyczna przewiduje 16% do 2050 r.

Rzeczywiste koszty produkcji energii zależą w dużej mierze od lokalnych warunków pogodowych. W pochmurnym kraju, takim jak Wielka Brytania, koszt wyprodukowanej kWh jest wyższy niż w bardziej słonecznych krajach, takich jak Hiszpania.

Krótkoterminowe znormalizowane porównania kosztów wykazujące wartość różnych technologii wytwarzania energii elektrycznej
Długoterminowe znormalizowane porównania kosztów wykazujące wartość różnych technologii wytwarzania energii elektrycznej

Według US Energy Information Administration oczekuje się, że ceny za megawatogodzinę zbliżą się i osiągną poziom z konwencjonalnymi źródłami produkcji energii w latach 2020-2030. Według OOŚ parytet można osiągnąć bez konieczności wsparcia dotacyjnego i można go osiągnąć poprzez organiczne mechanizmy rynkowe, czyli obniżenie cen produkcji i zaawansowanie technologiczne.

Zgodnie z elementami RMI , Balance-of-System (BoS), koszty niemodułowe modułów słonecznych innych niż mikroinwertery (takich jak okablowanie, konwertery, systemy regałowe i różne komponenty) stanowią około połowy całkowitych kosztów instalacji.

W przypadku handlowych elektrowni słonecznych, w których energia elektryczna jest sprzedawana do sieci przesyłowej energii elektrycznej, koszt energii słonecznej będzie musiał odpowiadać hurtowej cenie energii elektrycznej. Ten punkt jest czasami nazywany „parzystością hurtową sieci” lub „parzystością szyn zbiorczych”.

Niektóre systemy fotowoltaiczne, takie jak instalacje dachowe, mogą dostarczać energię bezpośrednio do użytkownika energii elektrycznej. W takich przypadkach instalacja może być konkurencyjna, gdy koszt produkcji odpowiada cenie, za jaką użytkownik płaci za zużycie energii elektrycznej. Taka sytuacja jest czasami nazywana „parzystością sieci detalicznej”, „parzystością gniazda” lub „dynamiczną parzystością sieci”. Badania przeprowadzone przez UN-Energy w 2012 roku sugerują, że obszary słonecznych krajów o wysokich cenach energii elektrycznej, takie jak Włochy, Hiszpania i Australia, oraz obszary korzystające z generatorów diesla, osiągnęły parytet sieci detalicznej.

Montaż i śledzenie

Moduły słoneczne montowane na trackerach słonecznych
Pracownicy instalują panele słoneczne na dachu mieszkalnym

Systemy fotowoltaiczne montowane na ziemi to zazwyczaj duże elektrownie słoneczne na skalę przemysłową . Ich moduły słoneczne są utrzymywane na miejscu przez stojaki lub ramy przymocowane do naziemnych wsporników montażowych. Wsporniki do montażu naziemnego obejmują:

  • Uchwyty słupowe, które są wbijane bezpośrednio w ziemię lub osadzane w betonie.
  • Mocowania fundamentów, takie jak płyty betonowe lub wylewane stopy fundamentowe
  • Podpory z balastem, takie jak podstawy betonowe lub stalowe, które wykorzystują ciężar do zabezpieczenia systemu modułów słonecznych na miejscu i nie wymagają penetracji gruntu. Ten rodzaj montażu doskonale nadaje się do miejsc, w których wykopy nie są możliwe, takich jak zakopane składowiska odpadów, i upraszcza likwidację lub przenoszenie systemów modułów słonecznych.

Montowane na dachu systemy zasilania energią słoneczną składają się z modułów słonecznych utrzymywanych w miejscu za pomocą stojaków lub ram przymocowanych do wsporników montażowych na dachu. Wsporniki do montażu na dachu obejmują:

  • Uchwyty szynowe, które są mocowane bezpośrednio do konstrukcji dachu i mogą wykorzystywać dodatkowe szyny do mocowania stelaży modułowych lub ram.
  • Podpory z balastem, takie jak podstawy betonowe lub stalowe, które wykorzystują ciężar do zabezpieczenia systemu paneli w odpowiedniej pozycji i nie wymagają penetracji. Ten sposób montażu pozwala na wycofanie z eksploatacji lub przeniesienie systemów paneli słonecznych bez negatywnego wpływu na konstrukcję dachu.
  • Całe okablowanie łączące sąsiednie moduły słoneczne ze sprzętem do pozyskiwania energii musi być zainstalowane zgodnie z lokalnymi przepisami elektrycznymi i powinno być prowadzone w kanale odpowiednim do warunków klimatycznych

Lokalizatory słoneczne zwiększają energię wytwarzaną na moduł kosztem złożoności mechanicznej i zwiększonej potrzeby konserwacji. Wyczuwają kierunek Słońca i przechylają lub obracają moduły zgodnie z potrzebami, aby uzyskać maksymalną ekspozycję na światło. Alternatywnie, regały stałe utrzymują moduły nieruchomo przez cały dzień przy zadanym nachyleniu ( kąt zenitalny ) i zwrócone w zadanym kierunku ( kąt azymutalny ). Powszechne są kąty nachylenia odpowiadające szerokości geograficznej instalacji. Niektóre systemy mogą również dostosowywać kąt nachylenia w zależności od pory roku. Podobnie, aby zmaksymalizować całkowitą produkcję energii, moduły są często skierowane na południe (na półkuli północnej) lub na północ (na półkuli południowej). Z drugiej strony przydatne mogą być również układy skierowane na wschód i zachód (na przykład pokrywające dach skierowany na wschód-zachód). Nawet jeśli takie instalacje mogą nie wytwarzać maksymalnej możliwej całkowitej energii, ich moc wyjściowa byłaby prawdopodobnie bardziej stała w ciągu dnia i prawdopodobnie większa podczas szczytowego zapotrzebowania.

Normy

Standardy powszechnie stosowane w modułach fotowoltaicznych:

  • IEC 61215 ( wydajność krzemu krystalicznego ), 61646 ( wydajność cienkowarstwowa ) i 61730 (wszystkie moduły, bezpieczeństwo), 61853 (testy wydajności modułów fotowoltaicznych i ocena energetyczna)
  • ISO 9488 Energia słoneczna — słownictwo.
  • UL 1703 od Underwriters Laboratories
  • UL 1741 od Underwriters Laboratories
  • UL 2703 od Underwriters Laboratories
  • Znak CE
  • Seria testerów bezpieczeństwa elektrycznego (EST) (EST-460, EST-22V, EST-22H, EST-110).

Złącza

Zewnętrzne panele słoneczne zazwyczaj zawierają złącza MC4 . Samochodowe panele słoneczne mogą również zawierać zapalniczkę samochodową i/lub adapter USB . Panele wewnętrzne (w tym okulary słoneczne PV, cienkie folie i okna) mogą integrować mikroinwertery (panele słoneczne AC).

Aplikacje

Praktycznych zastosowań paneli słonecznych czy fotowoltaiki jest wiele. Może być najpierw stosowany w rolnictwie jako źródło zasilania do nawadniania. W służbie zdrowia panele słoneczne mogą być wykorzystywane do chłodzenia artykułów medycznych. Może być również wykorzystany do infrastruktury. Moduły fotowoltaiczne są stosowane w systemach fotowoltaicznych i obejmują szeroką gamę urządzeń elektrycznych :

Ograniczenia

Wpływ na sieć elektryczną

Wraz ze wzrostem poziomu dachowych systemów fotowoltaicznych przepływ energii staje się dwukierunkowy. Gdy występuje więcej produkcji lokalnej niż zużycia, energia elektryczna jest eksportowana do sieci. Jednak sieć elektryczna tradycyjnie nie jest zaprojektowana do obsługi dwukierunkowego transferu energii. Dlatego mogą wystąpić pewne problemy techniczne. Na przykład w Queensland w Australii ponad 30% gospodarstw domowych korzystało z dachowych systemów fotowoltaicznych do końca 2017 roku. Słynna kalifornijska krzywa kaczki 2020 pojawiała się często w wielu społecznościach od 2015 roku. Problem z przepięciami może spowodować przepływ energii elektrycznej z gospodarstw domowych fotowoltaicznych z powrotem do sieci. Istnieją rozwiązania do zarządzania problemem przepięć, takie jak regulacja współczynnika mocy falownika fotowoltaicznego, nowe urządzenia do kontroli napięcia i energii na poziomie dystrybutora energii elektrycznej, ponowne prowadzenie przewodów elektrycznych, zarządzanie popytem itp. Często występują ograniczenia i koszty do tych rozwiązań.

Gdy sieci elektryczne nie działają, na przykład podczas wyłączenia zasilania w Kalifornii w październiku 2019 r. , panele słoneczne często nie wystarczają, aby w pełni dostarczyć energię do domu lub innej konstrukcji, ponieważ są zaprojektowane tak, aby dostarczać energię do sieci, a nie bezpośrednio do domów.

Wpływ na zarządzanie rachunkami za energię elektryczną i inwestycje w energię

W zarządzaniu zapotrzebowaniem na energię elektryczną, zapotrzebowaniem na energię i rachunkami nie ma złotego środka, ponieważ klienci (obiekty) mają różne specyficzne sytuacje, np. różne potrzeby w zakresie komfortu/wygody, różne taryfy energii elektrycznej lub różne wzorce użytkowania. Taryfa dla energii elektrycznej może składać się z kilku elementów, takich jak dobowa opłata za dostęp i opomiarowanie, opłata za energię (w przeliczeniu na kWh, MWh) czy opłata za zapotrzebowanie szczytowe (np. cena za najwyższe 30min zużycie energii w miesiącu). Fotowoltaika jest obiecującą opcją obniżenia opłat za energię, gdy cena energii elektrycznej jest dość wysoka i stale rośnie, na przykład w Australii i Niemczech. Jednak w przypadku miejsc, w których obowiązuje opłata za zapotrzebowanie szczytowe, fotowoltaika może być mniej atrakcyjna, jeśli zapotrzebowanie szczytowe występuje najczęściej późnym popołudniem lub wczesnym wieczorem, na przykład w społecznościach mieszkaniowych. Ogólnie rzecz biorąc, inwestycje w energię są w dużej mierze decyzją ekonomiczną i lepiej jest podejmować decyzje inwestycyjne w oparciu o systematyczną ocenę opcji w zakresie poprawy operacyjnej, efektywności energetycznej, wytwarzania na miejscu i magazynowania energii.

Galeria

Zobacz też

Bibliografia