Эффективность солнечных модулей в 2022 году

Коэффициент полезного действия (КПД) солнечной батареи – это мера количества солнечного света (излучения), которое падает на поверхность солнечной батареи и превращается в электроэнергию. Благодаря многочисленным достижениям в фотоэлектрических технологиях за последние годы средняя эффективность преобразования солнечных батарей выросла с 15% до более 20%. Этот значительный скачок в эффективности привел к увеличению номинальной мощности панелей стандартного размера с 250 Вт до 400 Вт.

Как подробно объясняется ниже, эффективность солнечной панели определяется двумя основными факторами; эффективность фотоэлектрических (PV) солнечных элементов на основе их конструкции и типа кремния, а также общая эффективность панели на основе компоновки солнечных элементов, конфигурации и размера панели. Увеличение размера солнечной батареи также может повысить эффективность за счет создания большей площади поверхности для захвата солнечного света, при этом мощные солнечные панели сейчас достигают мощности до 700 Вт.

Эффективность солнечных ячеек (solar cells)

Эффективность солнечных элементов (или фотоэлектрических преобразователей, ФЭП) определяется их структурой и типом используемой подложки, которой обычно кремний p-типа или n-типа. Эффективность фотоэлектрического элемента солнечных батарей рассчитывается по так называемому коэффициенту заполнения (FF), который пропорционален максимальной эффективности преобразования фотоэлектрического элемента при оптимальном рабочем напряжении и токе.

Конструкция ФЭП играет важную роль в эффективности панели. Основные характеристики включают тип кремния, конфигурацию контактных шин, тип перехода и способ пассивации поверхности. Панели, построенные с использованием высокоценных IBC солнечных элементов, являются наиболее эффективными (20-22%) благодаря кремниевой подложке высокой чистоты n-типа и отсутствию потерь от затенения шин. Однако панели, разработанные с использованием новейших монокристаллических PERC элементов, фотопреобразователей по технологии TOPcon и усовершенствованных гетеропереходных HJT элементов достигли уровня эффективности значительно выше 21%. Сверхвысокоэффективные тандемные перовскитовые солнечные элементы все еще находятся на стадии разработки, но ожидается, что они станут коммерчески пригодными в течение следующих нескольких лет.

Эффективность солнечной панели

Эффективность солнечной панели измеряется при стандартных условиях испытания (STC) при температуре 25°C, солнечном излучении 1000 Вт/кв.м и спектральной характеристике AM1,5. Эффективность солнечной панели практически исчисляется методом деления её наибольшей номинальной мощности (Pmax, Вт) на общую площадь панели, измеренную в квадратных метрах.

На общую эффективность панели могут влиять многие факторы, в частности; температура, уровень облучения, тип ФЭП и схема коммутации ФЭП на панели. Удивительно, но даже цвет защитного тыльного материала может повлиять на эффективность. Да, темная задняя сторона солнечной панели может визуально выглядеть более эстетично, но она будет поглощать больше тепла, что приводит к повышению температуры фотоэлементов, что увеличивает сопротивление, что, в свою очередь, несколько снижает общую эффективность преобразования. Поэтому более светлые защитные материалы приводят к более эффективной работе всей контрукции.

Наиболее эффективны IBC солнечные панели, за ними следуют гетеропереходные солнечные элементы (HJT), солнечные элементы TOPcon, монокристаллические PERC фотопреобразователи и, наконец, стандартные 60-элементные фотомодули на базе монокристаллических фотоэлементов. 60-ячеистые поли- или мультикристаллические панели, как правило, являются наименее эффективными и в равной степени более дешевыми. За последние два года производители начали производить более эффективные солнечные панели на основе высокопроизводительных гетеропереходных элементов n-типа. Такие продукты также выигрывают от более низкой скорости деградации, что составляет всего 0,25% в год. Если подсчитать 25-летний срок службы панели, многие из этих высокоэффективных панелей будут гарантировано генерировать 90% или более начальной номинальной мощности в зависимости от деталей гарантии производителя.

Почему важна эффективность солнечных батарей?

Термин «эффективность» часто используют как меру качества, но более эффективная панель не всегда означает панель лучшего качества. Многие считают эффективность важнейшим критерием при выборе солнечной панели, но наибольшее значение имеет качество производства, которое связано с реальными характеристиками, надежностью, обслуживанием производителя и условиями гарантии.

Быстрая окупаемость инвестиций

С точки зрения окружающей среды повышение эффективности обычно означает, что солнечная панель окупит израсходованную на ее производство энергию за меньшее время. Исходя из детального анализа жизненного цикла, большинство кремниевых солнечных панелей окупают воплощенную энергию в течение первых 2 лет эксплуатации в зависимости от места их установки. Однако, поскольку в последние годы эффективность работы солнечных панелей возросла более чем на 20%, время окупаемости сократилось даже до менее чем 1,5 лет во многих регионах мира. Повышение эффективности также означает, что солнечная электростанция будет производить больше электроэнергии в течение среднего срока службы солнечной панели и быстрее окупит первоначальные затраты, т.е. рентабельность инвестиций будет улучшена.

Эффективность солнечной панели, как правило, является хорошим показателем ее производительности, особенно потому, что многие высокоэффективные панели используют кремниевые элементы n-типа высшего класса с улучшенным температурным коэффициентом и меньшим снижением мощности со временем. Некоторые изготовители даже предлагают гарантии на 90% или выше сохраненной выходной мощности после 25 лет использования.

Использование площади

Эффективность также имеет большое значение для определения требуемой площади для размещения солнечных электростанций определенной мощности. Панели с большей эффективностью производят больше энергии на квадратный метр и, следовательно, занимают меньшую общую площадь. Это идеально подходит для крыш с ограниченным пространством, а также позволяет установить системы большей мощности на любой крыше. Например, 12 высокоэффективных солнечных панелей мощностью 400 Вт с эффективностью преобразования 21,8% обеспечат примерно на 1200 Вт (1,2 кВт) большую общую солнечную мощность, чем то же количество панелей аналогичного размера, но по 300 Вт с КПД 17,5 %:

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

Фактическая эффективность

В реальном мире эффективность работы солнечной панели зависит от многих внешних факторов. В зависимости от условий окружающей среды эти различные факторы могут снизить эффективность панели и общую производительность системы. Основные факторы, влияющие на эффективность солнечной панели, перечислены ниже:

• Инсоляция или плотность солнечного облучения, Вт/кв.м
• Затенение поверхности солнечных батарей
• Ориентация панелей
• Диапазон рабочих температур
• Географическое расположение (широта)
• Время года
• Пыль и грязь

Факторами, наиболее влияющими на эффективность солнечных батарей в реальном использовании, являются освещение, затенение, ориентация и температура. Уровень солнечного излучения, измеренный в ваттах на квадратный метр, зависит от атмосферных условий, таких как облака и смог, географической широты и времени года. Конечно, если панель полностью затенена, выходная мощность будет очень низкой, но частичное затенение также может оказать большое влияние не только на эффективность панели, но и на общую эффективность системы. К примеру, легкое затенение нескольких ячеек на одной панели может уменьшить выходную мощность на 50% или более, что, в свою очередь, может уменьшить всю мощность строки на аналогичную величину, поскольку большинство панелей соединены последовательно, а затенение одной панели влияет на всю строку. . Поэтому очень важно пытаться уменьшить или полностью устранить затенение, если это возможно. К счастью, существуют дополнительные устройства, известные как оптимизаторы и микроинверторы, которые могут снизить отрицательный эффект затенения, особенно когда затенено лишь небольшое количество панелей.

Эффективность против температуры

Номинальная мощность солнечной панели, измеренная в ваттах (Вт), рассчитывается по стандартным условиям испытания (STC) при температуре 25°C и уровне освещенности 1000 Вт/кв.м. Однако в реальном использовании температура на поверхности солнечных фотопреобразователей обычно поднимается значительно выше 25°C в зависимости от температуры окружающего воздуха, скорости ветра, времени суток и интенсивности солнечного излучения.

Во время солнечной погоды внутренняя температура элемента обычно существенно выше температуры окружающего воздуха, что соответствует снижению общей выходной мощности примерно на 8-15% (в зависимости от типа солнечного элемента и его температурного коэффициента). Для обеспечения средней реальной оценки производительности солнечных панелей большинство производителей также указывают номинальную мощность в условиях NOCT или номинальную рабочую температуру элемента. Производительность NOCT обычно указывается при температуре элемента 45°C и более низком уровне солнечного излучения 800 Вт/кв.м, что приближено к средним реальным условиям работы солнечных батарей.

И наоборот, очень низкие температуры могут привести к увеличению выработки электроэнергии выше номинального значения для конкретного солнечного модуля, поскольку напряжение фотоэлектрического элемента возрастает при более низких температурах ниже 25°C. Солнечные панели могут превышать номинальную мощность панели (Pmax) в течение коротких периодов времени в очень холодную погоду. Это часто случается, когда солнечный свет пробивается зимой после периода пасмурной погоды.

Температурный коэффициент мощности измеряется в % на °C:

• Поликристаллические солнечные элементы – 0,39 до 0,43 % /°C
• Монокристаллические солнечные элементы – 0,35-0,40 % /°C
• Монокристаллические IBC солнечные элементы – 0,28 до 0,31 % /°C
• Монокристаллические HJT солнечные элементы – 0,25 до 0,27 % /°C

Гетеропереходные фотоэлементы n-типа демонстрируют гораздо меньшие потери мощности при повышенных температурах по сравнению с обычными поли- и монокристаллическими элементами.

Самые эффективные солнечные модули

Наиболее эффективные солнечные панели на рынке обычно используют монокристаллические кремниевые элементы n-типа. Пока большинство производителей обычно предлагают более распространенные ФЭП по технологии моно-PERC p-типа, постепенно начиная переходить на более эффективные элементы n-типа. Типичная эффективность различных типов солнечных фотоэлементов приведена ниже.

• Поликристаллические солнечные элементы — от 15 до 18%
• Монокристаллические солнечные элементы – от 16,5 до 19%
• Поликристаллические PERC солнечные элементы – от 17 до 19,5%
• Монокристаллические PERC солнечные элементы – от 17,5 до 20%
• Монокристаллические солнечные элементы n-типа – от 19 до 20,5%
• Монокристаллические HJT солнечные элементы n-типа – от 19 до 21,7%
• Монокристаллические IBC солнечные элементы n-типа – от 20 до 22,8%

Стоимость против эффективности

Все производители производят разные линейки солнечных батарей с разными показателями эффективности в зависимости от типа кремния и конструкции фотоэлектрических преобразователей. Высокоэффективные панели с КПД более 21% с элементами n-типа, как правило, гораздо дороже, поэтому если стоимость не является основным параметром, они лучше подойдут для мест с ограниченным пространством для монтажа. Кроме того, панели с элементами n-типа почти всегда будут превосходить панели с элементами p-типа и генерировать длиннее панелей с элементами p-типа из-за более низкой скорости деградации под воздействием света, поэтому дополнительные затраты обычно того стоят в долгосрочной перспективе. Такие солнечные батареи обеспечивают более высокую производительность с более низкими темпами деградации и, как правило, имеют более долгий гарантийный срок от производителя, поэтому часто являются разумной и эффективной инвестицией.

Размер панели против эффективности

Эффективность солнечной батареи рассчитывается путем разделения номинальной мощности на общую площадь панели, поэтому наличие большего размера товара не всегда означает его более высокую эффективность. В большинстве солнечных панелей используются стандартные 6” (156 мм) квадратные ФЭП в количестве 60 или 72 штуки на солнечный модуль. Однако, как объясняется ниже, в 2020 году появилась новая отраслевая тенденция относительно значительно больших размеров панелей, построенных вокруг новых ФЭП большего размера, что повысило эффективность панели и повысило выходную мощность до 600 Вт. Также на рынке все чаще встречаются солнечная батарея на основе полуразрезанных солнечных элементов (HC = halfcut solar cells).

Типичные размеры современных солнечных панелей:

• Солнечная батарея из 60 солнечных элементов (или 120 шт солнечных элементов HC): приблизительная ширина 0,98 м x длина 1,65 м
• Солнечная батарея из 72 солнечных элементов (или 144 шт солнечных элементов HC): приблизительная ширина 1,0 м x длина 2,0 м
• Солнечная батарея из 96/104 солнечных элементов: приблизительная ширина 1,05 м x длина 1,60 м
• Солнечная батарея из 66 солнечных элементов (132 HC): приблизительная ширина 1,10 м x длина 1,80 м
• Солнечная батарея из 78 солнечных элементов (HC 156): приблизительная ширина 1,30 м x длина 2,4 м

Панель стандартного размера из 60 ФЭП (1 м х 1,65 м) с эффективностью 18-20% обычно имеет номинальную мощность 300-330 Вт, тогда как панель, использующая ФЭП большей эффективности такого же размера, может производить до 370 Вт. Самые эффективные панели стандартного размера используют высокоэффективные ячейки типа IBC, которые могут достигать эффективности панели до 22,8% и генерировать впечатляющую мощность от 390 до 440 Вт.

Популярные HC (или разделенные ячейковые) солнечные модули имеют удвоенное количество ФЭП при примерно одинаковом размере панели. Панель из 60 элементов в формате полуячейки удваивается до 120 клеток, а 72 элемента в формате полуячейки имеют 144 клетки. Конфигурация полуразрезанного элемента несколько более эффективна, поскольку напряжение на панели одинаковое, но ток распределяется между двумя половинами. Благодаря низшему току полуразрезанные панели имеют меньшие резистивные потери, что приводит к повышению эффективности и более низкому температурному коэффициенту, что также способствует повышению эффективности работы.

Новые солнечные панели мощности более 600 Вт

Чтобы снизить затраты на производство, повысить эффективность и увеличить мощность, производители солнечных панелей отошли от стандартного размера пластины квадратной ячейки 156 мм (6 дюймов) в пользу большего размера пластины. Сейчас доступны разные размеры ячеек, наиболее популярными из которых являются 166 мм, 182 мм и 210 мм. Большие солнечные батареи в сочетании с новыми большими форматами панелей позволили производителям разработать мощнейшие солнечные панели с мощностью до 700 Вт. Солнечные фотопреобразователи большего размера имеют большую площадь поверхности и в сочетании с новейшими технологиями могут повысить эффективность панели значительно выше 22%.