Ефективність сонячних модулів у 2022 році

Коефіцієнт корисної дії (ККД) сонячної батареї — це міра кількості сонячного світла (випромінювання), яке падає на поверхню сонячної батареї та перетворюється на електроенергію. Завдяки численним досягненням у фотоелектричних технологіях за останні роки середня ефективність перетворення сонячних батарей зросла з 15% до більше ніж 20%. Цей значний стрибок у ефективності призвів до збільшення номінальної потужності панелей стандартного розміру з 250 Вт до 400 Вт.

Як детально пояснюється нижче, ефективність сонячної панелі визначається двома основними факторами; ефективність фотоелектричних (PV) сонячних елементів на основі їх конструкції та типу кремнію, а також загальна ефективність панелі на основі компонування сонячних елементів, конфігурації та розміру панелі. Збільшення розміру сонячної батареї також може підвищити ефективність за рахунок створення більшої площі поверхні для захоплення сонячного світла, при цьому найпотужніші сонячні панелі зараз досягають потужності до 700 Вт.

Ефективність сонячних елементів (solar cells)

Ефективність сонячних елементів (або фотоелектричних перетворювачів, ФЕП) визначається їх структурою та типом використовуваної підкладки, якою зазвичай є кремній p-типу або n-типу. Ефективність фотоелектричного елемента сонячних батарей розраховується за так званим коефіцієнтом заповнення (FF), який пропорційний максимальній ефективності перетворення фотоелектричного елемента при оптимальній робочій напрузі та струмі.

Конструкція ФЕП відіграє значну роль в ефективності панелі. Основні характеристики включають тип кремнією, конфігурацію контактних шин, тип переходу та спосіб пасивації поверхні. Панелі, побудовані з використанням високовартісних IBC сонячних елементів , наразі є найефективнішими (20-22%) завдяки кремнієвій підкладці високої чистоти n-типу та відсутності втрат від затінення шин. Однак панелі, розроблені з використанням найновіших монокристалічних PERC елементів, фотоперетворювачів за технологією TOPcon і вдосконалених гетероперехідних HJT елементів, досягли рівня ефективності значно вище 21%. Надвисокоефективні тандемні перовскітові сонячні елементи все ще знаходяться на стадії розробки, але очікується, що вони стануть комерційно придатними протягом наступних кількох років.

Ефективність сонячної панелі

Ефективність сонячної панелі вимірюється за стандартних умов випробування (STC) при температурі 25°C, сонячного випромінювання 1000 Вт/кв.м і спектральної характеристики AM1,5. Ефективність сонячної панелі фактично обчислюється шляхом ділення її максимальної номінальної потужності (Pmax, Вт) на загальну площу панелі, виміряну в квадратних метрах.

На загальну ефективність панелі може впливати багато факторів, зокрема; температура, рівень опромінення, тип ФЕП та схема комутації ФЕП в панелі. Дивно, але навіть колір захисного тильного матеріалу може вплинути на ефективність. Так, темна задня сторона сонячної панелі може візуально виглядати естетичніше, але вона буде поглинати більше тепла, що призводить до підвищення температури фотоелементів, що збільшує опір, що, у свою чергу, дещо знижує загальну ефективність перетворення. Тому більш світлі захисні матеріали призводять до більш ефективної роботи всієї конструкції.

Найбільш ефективними є IBC сонячні панелі, за ними йдуть гетероперехідні сонячні елементи (HJT), сонячні елементи TOPcon, монокристалічні PERC фотоперетворювачі та, нарешті, стандартні 60-елементні фотомодулі на базі монокристалічних фотоелементів. 60-коміркові полі- або мультикристалічні панелі, як правило, є найменш ефективними і в рівній мірі більш дешевими. За останні два роки виробники почали випускати більш ефективні сонячні панелі на основі високопродуктивних гетероперехідних елементів n-типу. Такі продукти також виграють від нижчої швидкості деградації, що становить лише 0,25% на рік. Якщо підрахувати 25-річний термін служби панелі, багато з цих високоефективних панелей гарантовано генеруватимуть 90% або більше початкової номінальної потужності, залежно від деталей гарантії виробника.

Чому важлива ефективність сонячних батарей?

Термін «ефективність» часто використовують як міру якості, але трохи ефективніша панель не завжди означає панель кращої якості. Багато людей вважають ефективність найважливішим критерієм при виборі сонячної панелі, але найбільше значення має якість виробництва, яка пов’язана з реальними характеристиками, надійністю, обслуговуванням виробника та умовами гарантії. 

Швидша окупність інвестицій

З точки зору навколишнього середовища підвищення ефективності зазвичай означає, що сонячна панель окупить витрачену на її виробництво енергію за менший час. Виходячи з детального аналізу життєвого циклу, більшість кремнієвих сонячних панелей окуповують втілену енергію протягом перших 2 років експлуатації, залежно від місця їх встановлення. Однак, оскільки в останні роки ефективність роботи сонячних панелей зросла понад 20%, час окупності скоротився навіть до менш ніж 1,5 років у багатьох регіонах світу. Підвищення ефективності також означає, що сонячна електростанція вироблятиме більше електроенергії протягом середнього терміну служби сонячної панелі і швидше окупить початкові витрати, тобто рентабельність інвестицій (ROI) буде покращена.

Ефективність сонячної панелі, як правило, є хорошим показником її продуктивності, особливо тому, що багато високоефективних панелей використовують кремнієві елементи n-типу вищого класу з покращеним температурним коефіцієнтом і меншим зниженням потужності з часом. Деякі виробники навіть пропонують гарантії на 90% або вище збереженої вихідної потужності після 25 років використання.

Використання площі 

Ефективність також має велике значення для визначення необхідної площі для розміщення сонячної електростанції певної потужності. Панелі з більшою ефективністю виробляють більше енергії на квадратний метр і, отже, займають меншу загальну площу. Це ідеально підходить для дахів з обмеженим простором, а також дозволяє встановити системи більшої потужності на будь-якому даху. Наприклад, 12 високоефективних сонячних панелей потужністю 400 Вт з ефективністю перетворення 21,8%, забезпечать приблизно на 1200 Вт (1,2 кВт) більшу загальну сонячну потужність, ніж та сама кількість панелей аналогічного розміру, але по 300 Вт із ККД 17,5%:

• 12 панелей по 300 Вт з ефективністю 17,5% = 3600 Вт
• 12 панелей по 400 Вт з ефективністю 21,8% = 4800 Вт

Фактична ефективність 

У реальному світі ефективність роботи сонячної панелі залежить від багатьох зовнішніх факторів. Залежно від місцевих умов навколишнього середовища ці різні фактори можуть знизити ефективність панелі та загальну продуктивність системи. Основні фактори, які впливають на ефективність сонячної панелі, перераховані нижче:

• Інсоляція, або щільність сонячного опромінення, Вт/кв.м
• Затінення поверхні сонячних батарей
• Орієнтація панелей
• Діапазон робочих температур
• Географічне розташування (широта)
• Пора року
• Пил і бруд

Факторами, які найбільше впливають на ефективність сонячних батарей в реальному використанні, є освітлення, затінення, орієнтація та температура. Рівень сонячного випромінювання, виміряний у ватах на квадратний метр, залежить від атмосферних умов, таких як хмари та смог, географічної широти та пори року. Звичайно, якщо панель повністю затінена, вихідна потужність буде дуже низькою, але часткове затінення також може мати великий вплив не лише на ефективність панелі, але й на загальну ефективність системи. Наприклад, легке затінення кількох комірок на одній панелі може зменшити вихідну потужність на 50% або більше, що, у свою чергу, може зменшити всю потужність рядка на аналогічну величину, оскільки більшість панелей з’єднані послідовно, а затінення однієї панелі впливає на весь рядок. Тому дуже важливо намагатися зменшити або повністю усунути затінення, якщо це можливо. На щастя, існують додаткові пристрої, відомі як оптимізатори та мікроінвертори, які можуть зменшити негативний ефект затінення, особливо коли затінено лише невелику кількість панелей.

Ефективність проти температури

Номінальна потужність сонячної панелі, виміряна у ватах (Вт), розраховується за стандартними умовами випробування (STC) при температурі 25°C і рівні освітленості 1000 Вт/кв.м. Однак у реальному використанні температура на поверхні сонячних фотоперетворювачів зазвичай піднімається значно вище 25°C, залежно від температури навколишнього повітря, швидкості вітру, часу доби та інтенсивності сонячного випромінювання. 

Під час сонячної погоди внутрішня температура елемента зазвичай суттєво вища за температуру навколишнього повітря, що відповідає  зниженню загальної вихідної потужності приблизно на 8-15% (залежно від типу сонячного елемента та його температурного коефіцієнта). Щоб забезпечити середню реальну оцінку продуктивності сонячних панелей, більшість виробників також вказують номінальну потужність в умовах NOCT або номінальну робочу температуру елемента. Продуктивність NOCT зазвичай вказується при температурі елемента 45°C і нижчому рівні сонячного випромінювання 800 Вт/кв.м, що наближено до середніх реальних умов роботи сонячних батарей.

І навпаки, надзвичайно низькі температури можуть призвести до збільшення вироблення електроенергії вище номінального значення для конкретного сонячного модуля, оскільки напруга фотоелектричного елемента зростає при нижчих температурах нижче 25°C. Сонячні панелі можуть перевищувати номінальну потужність панелі (Pmax) протягом коротких періодів часу під час дуже холодної погоди. Це часто трапляється, коли сонячне світло пробивається взимку після періоду похмурої погоди.

Температурний коефіцієнт потужності вимірюється в % на °C:

• Полікристалічні сонячні елементи – 0,39 до 0,43 % /°C
• Монокристалічні сонячні елементи – 0,35-0,40 % /°C
• Монокристалічні IBC сонячні елементи – 0,28 до 0,31 % /°C
• Монокристалічні HJT сонячні елементи – 0,25 до 0,27 % /°C

Гетероперехідні фотоелементи n-типу демонструють набагато менші втрати потужності при підвищених температурах порівняно зі звичайними полі- та монокристалічними елементами.

Найефективніші сонячні батареї

Найефективніші сонячні панелі на ринку зазвичай використовують монокристалічні кремнієві елементи n-типу. Поки що більшість виробників зазвичай пропонують більш поширені ФЕП за технологією моно-PERC p-типу, поступово починаючи переходити на більш ефективні елементи n-типу. Типова ефективність різних типів сонячних фотоелементів наведена нижче.

• Полікристалічні сонячні елементи- від 15 до 18%
• Монокристалічні сонячні елементи- від 16,5 до 19%
• Полікристалічні PERC сонячні елементи – від 17 до 19,5%
• Монокристалічні PERC сонячні елементи – від 17,5 до 20%
• Монокристалічні сонячні елементи n-типу – від 19 до 20,5%
• Монокристалічні HJT сонячні елементи n-типу – від 19 до 21,7%
• Монокристалічні IBC сонячні елементи n-типу – від 20 до 22,8%

Вартість проти ефективності

Усі виробники виробляють різні лінійки сонячних батарей із різними показниками ефективності залежно від типу кремнію та конструкції фотоелектричних перетворювачів. Високоефективні панелі з ККД більше 21% із елементами n-типу, як правило, набагато дорожчі, тому, якщо вартість не є основним параметром, вони краще підійдуть для місць з обмеженим простором для монтажу. Крім того, панелі з елементами n-типу майже завжди перевершуватимуть панелі з елементами p-типу та генеруватимуть довше панелей із елементами p-типу через нижчу швидкість деградації під впливом світла, тому додаткові витрати зазвичай того варті в довгостроковій перспективі. Такі сонячні батареї забезпечують вищу продуктивність із нижчими темпами деградації та, як правило, мають довший гарантійний термін від виробника, тому часто є розумною та ефективною інвестицією.

Розмір панелі проти ефективності

Ефективність сонячної батареї розраховується шляхом поділення номінальної потужності на загальну площу панелі, тому наявність товару більшого розміру не завжди означає його вищу ефективність. У більшості сонячних панелей досі використовуються стандартні 6” (156 мм) квадратні ФЕП у кількості 60 або 72 штуки на сонячний модуль. Однак, як пояснюється нижче, у 2020 році з’явилася нова галузева тенденція щодо значно більших розмірів панелей, побудованих навколо нових ФЕП більшого розміру, що підвищило ефективність панелі та підвищило вихідну потужність до вражаючих 600 Вт. Також на ринку все частіше зустрічаються сонячні батареї на основі напіврозрізаних сонячних елементів (HC = halfcut solar cells).

Типові розміри сучасних сонячних панелей:

• Сонячна батарея із 60 сонячних елементів (або 120 шт сонячних елементів HC): приблизна ширина 0,98 м x довжина 1,65 м
• Сонячна батарея із 72 сонячних елементів (або 144 шт сонячних елементів HC): приблизна ширина 1,0 м x довжина 2,0 м
• Сонячна батарея із 96/104 сонячних елементів: приблизна ширина 1,05 м x довжина 1,60 м
• Сонячна батарея із 66 сонячних елементів (132 HC) – приблизна ширина 1,10 м x довжина 1,80 м
• Сонячна батарея із 78 сонячних елементів (156 HC): приблизна ширина 1,30 м x довжина 2,4 м

Панель стандартного розміру з 60 ФЕП (1 м х 1,65 м) із ефективністю 18-20% зазвичай має номінальну потужність 300-330 Вт, тоді як панель, що використовує ФЕП більшої ефективності такого ж розміру, може виробляти до 370 Вт. Найефективніші панелі стандартного розміру використовують високоефективні комірки IBC типу, які можуть досягати ефективності панелі до 22,8% і генерувати вражаючу потужність від 390 до 440 Вт.

Популярні HC (або розділені коміркові) сонячні модулі мають подвоєну кількість ФЕП при приблизно однаковому розмірі панелі. Панель із 60 елементів у форматі напівкомірки подвоюється до 120 клітинок, а 72 елементів у форматі напівкомірки мають 144 клітинки. Конфігурація напіврозрізаного елемента трохи ефективніша, оскільки напруга на панелі однакова, але струм розподіляється між двома половинами. Завдяки нижчому струму напіврозрізані панелі мають менші резистивні втрати, що призводить до підвищення ефективності та нижчого температурного коефіцієнта, що також сприяє підвищенню ефективності роботи.

Нові сонячні панелі потужності більше 600 Вт

Щоб зменшити витрати на виробництво, підвищити ефективність і збільшити потужність, виробники сонячних панелей відійшли від стандартного розміру пластини квадратної комірки 156 мм (6 дюймів) на користь більшого розміру пластини. Зараз доступні різні розміри комірок, найпопулярнішими з яких є 166 мм, 182 мм і 210 мм. Більші сонячні батареї в поєднанні з новими більшими форматами панелей дозволили виробникам розробити надзвичайно потужні сонячні панелі з потужністю до 700 Вт. Сонячні фотоперетворювачі більшого розміру мають більшу площу поверхні, і в поєднанні з новітніми технологіями можуть підвищити ефективність панелі значно вище 22%.

***

З технічних та комерційних питань щодо поставок сонячних батарей для комерційних сонячних електростанцій просимо вас звертатись у наш відділ продажів.