Панель солнечных батарей - Solar cell panel

Солнечная батарея, установленная на крыше

Панель солнечной батарей , солнечная электрическая панель , фото-вольтова (PV) модуль или просто солнечная панель представляет собой совокупность фотовольтаических ячеек устанавливается в качестве основы для установки. Солнечные панели используют солнечный свет в качестве источника энергии для выработки электроэнергии постоянного тока . Набор фотоэлектрических модулей называется фотоэлектрической панелью, а система фотоэлектрических панелей называется массивом . Массивы фотоэлектрической системы поставляют солнечное электричество на электрооборудование.

История

В 1839 году способность некоторых материалов создавать электрический заряд в результате воздействия света впервые обнаружил Александр-Эдмон Беккерель .

Хотя эти первоначальные солнечные панели были слишком неэффективны даже для простых электрических устройств, они использовались в качестве инструмента для измерения света.

Наблюдение Беккереля не повторялось до 1873 года, когда Уиллоуби Смит обнаружил, что заряд мог быть вызван попаданием света в селен. После этого открытия Уильям Гриллс Адамс и Ричард Эванс Дэй опубликовали в 1876 году «Действие света на селен», описывая эксперимент, который они использовали для воспроизведения результатов Смита.

В 1881 году Чарльз Фриттс создал первую коммерческую солнечную панель, о которой Фриттс сообщил как «непрерывную, постоянную и обладающую значительной силой не только при воздействии солнечного света, но и при тусклом рассеянном дневном свете». Однако эти солнечные панели были очень неэффективными, особенно по сравнению с угольными электростанциями.

В 1939 году Рассел Ол создал конструкцию солнечных элементов, которые используются во многих современных солнечных батареях. Он запатентовал свой дизайн в 1941 году.

В 1954 году эта конструкция была впервые использована Bell Labs для создания первого коммерчески жизнеспособного кремниевого солнечного элемента. В 1957 году Мохамед М. Atalla разработал процесс кремния пассивации поверхности с помощью термического окисления в Bell Labs. С тех пор процесс пассивации поверхности имеет решающее значение для эффективности солнечных элементов .

Теория и конструкция

Фотоэлектрические модули используют световую энергию ( фотоны ) от Солнца для выработки электричества за счет фотоэлектрического эффекта . В большинстве модулей используются элементы из кристаллического кремния на основе пластин или тонкопленочные элементы . Структурный ( несущий ) элемент модуля может быть либо верхним слоем, либо задним слоем. Клетки необходимо беречь от механических повреждений и влаги. Большинство модулей жесткие, но доступны и полугибкие на основе тонкопленочных ячеек. Ячейки обычно подключаются последовательно друг к другу до требуемого напряжения, а затем параллельно для увеличения тока. Мощностиваттах ) модуля является математическим произведением напряжениявольтах ) и токаамперах ) модуля. Спецификации производства солнечных панелей получены при стандартных условиях, которые не являются реальными рабочими условиями, в которых солнечные панели находятся на месте установки.

Распределительная коробка PV прикреплена к задней части солнечной панели и функционирует как выходной интерфейс. Внешние соединения для большинства фотоэлектрических модулей используют разъемы MC4, чтобы облегчить атмосферостойкие соединения с остальной частью системы. Также можно использовать USB-интерфейс питания.

Порядок подключения модуля

Электрические соединения модулей выполняются последовательно для достижения желаемого выходного напряжения или параллельно для обеспечения желаемой допустимой токовой нагрузки (в амперах) солнечной панели или фотоэлектрической системы. Провода, отводящие ток от модулей, имеют размер в соответствии с номинальным током и могут содержать серебро, медь или другие немагнитные проводящие переходные металлы. Байпасные диоды могут быть встроены или использоваться снаружи, в случае частичного затемнения модуля, чтобы максимизировать выходную мощность секций модуля, которые все еще светятся.

Некоторые специальные солнечные фотоэлектрические модули включают концентраторы, в которых свет фокусируется линзами или зеркалами на более мелкие элементы. Это позволяет экономично использовать элементы с высокой стоимостью на единицу площади (например, арсенид галлия ).

В солнечных панелях также используются металлические рамы, состоящие из стеллажных компонентов, кронштейнов, отражателей и желобов для лучшей поддержки конструкции панели.

Типы солнечных панелей

Три типа солнечных батарей. Каждый из этих типов солнечных элементов сделан уникальным способом и имеет разный эстетический вид.

  1. Монокристаллический
  2. Поликристаллический
  3. Тонкопленочные солнечные панели

Эффективность

Отчетный график рекордных показателей эффективности преобразования энергии в солнечных модулях с 1988 года ( Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии )

Каждый модуль имеет номинальную выходную мощность постоянного тока в стандартных условиях тестирования (STC), поэтому выходная мощность на поле может варьироваться. Мощность обычно составляет от 100 до 365 Вт (Вт). Эффективность модуля определяет область модуля данного ту же номинальную мощность - 8% КПД 230 Вт модуля будет иметь два раза больше площади эффективных 230 Вт модуля 16%. Некоторые коммерчески доступные солнечные модули превышают КПД 24%. В настоящее время наилучший достигнутый коэффициент преобразования солнечного света (эффективность солнечного модуля) составляет около 21,5% в новых коммерческих продуктах, как правило, ниже, чем эффективность их отдельных элементов. Наиболее эффективные солнечные модули массового производства имеют значения удельной мощности до 175 Вт / м 2 (16,22 Вт / фут 2 ).

Ученые из Spectrolab, дочерней компании Boeing , сообщили о разработке многопереходных солнечных элементов с эффективностью более 40%, что является новым мировым рекордом для солнечных фотоэлектрических элементов. Ученые Spectrolab также предсказывают, что солнечные элементы-концентраторы могут достичь эффективности более 45% или даже 50% в будущем, а теоретическая эффективность составит около 58% в элементах с более чем тремя переходами.

Коэффициент мощности солнечных панелей ограничен в первую очередь географической широтой и значительно варьируется в зависимости от облачности, пыли, продолжительности светового дня и других факторов. В Великобритании сезонный коэффициент использования мощности колеблется от 2% (декабрь) до 20% (июль) при среднегодовом коэффициенте использования мощности 10-11%, в то время как в Испании значение достигает 18%. В мировом масштабе коэффициент мощности для фотоэлектрических ферм коммунальных предприятий в 2019 году составил 16,1%.

Радиационно-зависимая эффективность

В зависимости от конструкции фотоэлектрические модули могут производить электричество из диапазона частот света , но обычно не могут покрывать весь диапазон солнечного излучения (в частности, ультрафиолетового , инфракрасного и слабого или рассеянного света). Следовательно, большая часть энергии падающего солнечного света тратится впустую солнечными модулями, и они могут дать гораздо более высокую эффективность при освещении монохроматическим светом. Следовательно, другая концепция дизайна состоит в том, чтобы разделить свет на шесть-восемь различных диапазонов длин волн, которые будут давать свет разного цвета, и направить лучи на разные ячейки, настроенные на эти диапазоны. Предполагается, что это позволит повысить эффективность на 50%.

Массивы фотоэлектрических модулей

Один солнечный модуль может производить только ограниченное количество энергии; большинство установок содержат несколько модулей, добавляющих напряжение или ток к проводке и фотоэлектрической системе. Фотоэлектрическая система обычно включает в себя массив фотоэлектрических модулей, инвертор , аккумуляторную батарею для хранения энергии, контроллер заряда, межсоединительную проводку, автоматические выключатели, предохранители, разъединители, измерители напряжения и, возможно, механизм слежения за солнечным светом . Оборудование тщательно подбирается для оптимизации выходной мощности, накопления энергии, уменьшения потерь мощности при передаче энергии и преобразования постоянного тока в переменный.

Алюминиевые наноцилиндры

Исследования, проведенные Имперским колледжем Лондона , показали, что эффективность солнечных панелей повышается за счет установки на светопринимающую поверхность полупроводника алюминиевых наноцилиндров, похожих на выступы на блоках Lego . Затем рассеянный свет проходит более длинный путь в полупроводнике, поглощая больше фотонов, которые затем преобразуются в ток. Хотя эти наноцилиндры использовались ранее (алюминию предшествовали золото и серебро ), рассеяние света происходило в ближней инфракрасной области, и видимый свет сильно поглощался. Было обнаружено, что алюминий поглощает ультрафиолетовую часть спектра, в то время как видимая и ближняя инфракрасная части спектра рассеиваются поверхностью алюминия. Это, как утверждают исследования, может значительно снизить стоимость и повысить эффективность, поскольку алюминия больше и дешевле, чем золота и серебра. Исследование также отметило, что увеличение тока делает более тонкие пленочные солнечные панели технически осуществимыми без «снижения эффективности преобразования энергии, тем самым снижая потребление материалов».

  • Эффективность солнечной панели можно рассчитать по значению MPP (максимальной точки мощности) солнечных панелей.
  • Солнечные инверторы преобразуют мощность постоянного тока в мощность переменного тока, выполняя процесс отслеживания точки максимальной мощности (MPPT): солнечный инвертор измеряет выходную мощность (кривая IV) от солнечного элемента и прикладывает соответствующее сопротивление (нагрузку) к солнечным элементам для получения максимальной мощности. власть.
  • MPP (точка максимальной мощности) солнечной панели состоит из напряжения MPP (V mpp) и тока MPP (I mpp): это мощность солнечной панели, и чем выше значение, тем выше MPP.

Микроинвертированные солнечные панели подключаются параллельно , что дает большую мощность, чем обычные панели, подключенные последовательно , при этом мощность серии определяется панелью с наименьшими характеристиками. Это известно как «эффект рождественского света». Микроинверторы работают независимо, позволяя каждой панели обеспечивать максимально возможную мощность при заданном количестве солнечного света.

Технология

Доля рынка фотоэлектрических технологий с 1990 г.

Большинство солнечных модулей в настоящее время производятся из солнечных элементов с кристаллическим кремнием (c-Si), сделанных из мультикристаллического и монокристаллического кремния . В 2013 году на кристаллический кремний приходилось более 90 процентов мирового производства фотоэлектрических элементов, в то время как остальная часть рынка в целом состоит из тонкопленочных технологий с использованием теллурида кадмия , CIGS и аморфного кремния.

В новых солнечных технологиях третьего поколения используются передовые тонкопленочные элементы. Они производят относительно высокоэффективное преобразование при низкой стоимости по сравнению с другими солнечными технологиями. Кроме того, в солнечных панелях на космических кораблях предпочтительно используются дорогостоящие, высокоэффективные и плотно упакованные прямоугольные многопереходные элементы (МДж) , поскольку они обеспечивают самое высокое соотношение генерируемой мощности на килограмм, поднятый в космос. MJ-ячейки представляют собой сложные полупроводники, изготовленные из арсенида галлия (GaAs) и других полупроводниковых материалов. Еще одна развивающаяся фотоэлектрическая технология, использующая MJ-элементы, - это фотоэлектрические концентраторы (CPV).

Тонкая пленка

В жестких тонкопленочных модулях ячейка и модуль производятся на одной производственной линии. Ячейка создается на стеклянной подложке или суперстрате, а электрические соединения создаются на месте , так называемая «монолитная интеграция». Подложка или суперстрак ламинируют с помощью герметика на передний или задний лист , обычно другой лист стекла. Основными технологиями ячеек в этой категории являются CdTe , или a-Si , или тандем a-Si + uc-Si , или CIGS (или вариант). Аморфный кремний имеет коэффициент преобразования солнечного света 6–12%.

Гибкие тонкопленочные элементы и модули создаются на одной производственной линии путем нанесения фотоактивного слоя и других необходимых слоев на гибкую подложку . Если подложка представляет собой изолятор (например, полиэфирную или полиимидную пленку), можно использовать монолитную интеграцию. Если это проводник, необходимо использовать другой способ электрического подключения. Ячейки собираются в модули путем их ламинирования с прозрачным бесцветным фторполимером с лицевой стороны (обычно это ETFE или FEP ) и полимером, подходящим для приклеивания к конечной подложке с другой стороны.

Умные солнечные модули

Несколько компаний начали встраивать электронику в фотоэлектрические модули. Это позволяет выполнять MPPT для каждого модуля в отдельности и измерять рабочие характеристики для мониторинга и обнаружения неисправностей на уровне модуля. В некоторых из этих решений используются оптимизаторы мощности - преобразователь постоянного тока в постоянный, разработанный для максимизации сбора энергии от солнечных фотоэлектрических систем. Примерно с 2010 года такая электроника также может компенсировать эффекты затенения, когда тень, падающая на секцию модуля, приводит к падению электрического выхода одной или нескольких цепочек ячеек в модуле до нуля, но не имеет выхода весь модуль упадёт до нуля.

Производительность и деградация

Фактическая выходная мощность в вольтах, амперах и мощности солнечного модуля мощностью 100 Вт в августе. Jpg
На этой диаграмме показано влияние облаков на производство солнечной энергии.

Модуль производительности , как правило , оценена в соответствии стандартных условиях испытаний (STC): облученности 1,000 Вт / м 2 , солнечного спектра от AM 1,5 и температура модуля при 25 ° С. Фактическое выходное напряжение и ток модуля изменяется при изменении условий освещения, температуры и нагрузки, поэтому никогда не бывает одного определенного напряжения, при котором работает модуль. Производительность варьируется в зависимости от географического положения, времени суток, дня года, количества солнечного излучения , направления и наклона модулей, облачности, затенения, загрязнения , степени заряда и температуры.

Для оптимальной работы солнечная панель должна быть сделана из одинаковых модулей, ориентированных в одном направлении, перпендикулярном прямым солнечным лучам. Обходные диоды используются для обхода сломанных или затемненных панелей и оптимизации вывода. Эти байпасные диоды обычно размещаются вдоль групп солнечных элементов для создания непрерывного потока.

Электрические характеристики включают номинальную мощность (P MAX , измеряется в Вт ), напряжение холостого хода (V OC ), ток короткого замыкания (I SC , измеряется в амперах ), максимальное напряжение питания (V MPP ), максимальный ток мощности (I MPP). ), пиковая мощность ( ватт-пиковая , Вт p ) и КПД модуля (%).

Напряжение холостого хода или V OC - это максимальное напряжение, которое модуль может выдавать, когда он не подключен к электрической цепи или системе. V OC можно измерить с помощью вольтметра непосредственно на клеммах подсвечиваемого модуля или на его отключенном кабеле.

Пиковая мощность, W p , - это максимальная выходная мощность в стандартных условиях испытаний (а не максимально возможная выходная мощность). Типичные модули, размеры которых могут составлять приблизительно 1 на 2 метра (3 фута x 7 футов), будут иметь номинальную мощность от 75 Вт до 600 Вт, в зависимости от их эффективности. Во время тестирования тестовые модули группируются в соответствии с их результатами, и типичный производитель может оценивать свои модули с шагом 5 Вт или оценивать их как +/- 3%, +/- 5%, + 3 / -0% или + 5 / -0%.

Способность солнечных модулей противостоять дождю, граду , сильной снеговой нагрузке и циклам жары и холода зависит от производителя, хотя большинство солнечных панелей на рынке США внесены в списки UL, что означает, что они прошли испытания на устойчивость к граду.

Потенциально-индуцированная деградация (также называемая ФИД) - это вызванное потенциалом ухудшение рабочих характеристик кристаллических фотоэлектрических модулей, вызванное так называемыми паразитными токами. Этот эффект может вызвать потерю мощности до 30%.

Самая большая проблема для фотоэлектрических технологий - это закупочная цена за ватт произведенной электроэнергии. Достижения в фотоэлектрических технологиях привели к процессу «легирования» кремниевой подложки для снижения энергии активации, что сделало панель более эффективной в преобразовании фотонов в извлекаемые электроны.

Химические вещества, такие как бор (p-тип), вводятся в кристалл полупроводника для создания донорных и акцепторных уровней энергии, существенно более близких к валентной и проводящей зоне. При этом добавление примеси бора позволяет снизить энергию активации в двадцать раз с 1,12 эВ до 0,05 эВ. Поскольку разность потенциалов (E B ) настолько мала, бор может термически ионизироваться при комнатной температуре. Это позволяет использовать свободные носители энергии в зоне проводимости и валентной зоне, тем самым обеспечивая большее преобразование фотонов в электроны.

Обслуживание

Эффективность преобразования солнечных панелей, обычно составляющая 20%, снижается из-за накопления пыли, грязи, пыльцы и других твердых частиц на солнечных панелях , что в совокупности называется загрязнением . «Грязная солнечная панель может снизить ее мощность до 30% в районах с высоким содержанием пыли / пыльцы или в пустынях», - говорит Симус Карран, доцент физики Хьюстонского университета и директор Института наноэнергетики, специализирующегося на проектирование, инжиниринг и сборка наноструктур. Средний мировой ущерб от загрязнения в 2018 году оценивается как минимум в 3–4%.

По состоянию на 2019 год оплата чистки солнечных панелей является хорошей инвестицией во многих регионах. Однако в некоторых регионах уборка не является рентабельной. В Калифорнии по состоянию на 2013 год финансовых потерь, вызванных загрязнением, редко было достаточно, чтобы оправдать затраты на мытье панелей. В среднем панели в Калифорнии теряли немногим менее 0,05% своей общей эффективности в день.

Существуют также профессиональные риски при установке и обслуживании солнечных панелей . Гнезда птиц и другой мусор, который может застрять под солнечными панелями, что может вызвать сбои в работе системы, привести к пожару, если есть какие-либо неплотные соединения, или просто вызвать деградацию системы со временем.

В исследовании 2015–2018 годов, проведенном в Великобритании, было рассмотрено 80 инцидентов возгорания, связанных с фотоэлектрическими элементами, из которых более 20 «серьезных пожаров» были непосредственно вызваны фотоэлектрическими установками, включая 37 жилых домов и 6 солнечных электростанций. В инцидентах основная причина не была установлена, большинство других было вызвано неправильной установкой, неисправным продуктом или проблемами конструкции. Изоляторы постоянного тока чаще всего вызывали возгорание.

Исследование, проведенное в 2021 году компанией kWh Analytics, определило среднегодовую деградацию фотоэлектрических систем на уровне 1,09% для жилых домов и 0,8% для нежилых, что почти в два раза больше, чем предполагалось ранее. Исследование надежности модулей PVEL выявило тенденцию к увеличению количества отказов солнечных модулей: 30% производителей испытывают отказы безопасности, связанные с распределительными коробками (рост с 20%), и 26% отказов из-за технических характеристик (рост с 20%).

Отходы и переработка

Солнечные элементы CdTe и CIGS содержат кадмий, токсичный тяжелый металл, который имеет тенденцию накапливаться в пищевой цепи. Припой, используемый при установке, также содержит свинец . Оставшиеся фотоэлектрические панели могут загрязнять почву, как это произошло в 2013 году, когда солнечная ферма Solyndra в США обанкротилась, оставив сломанные панели на месте. Исследование IRENA 2016 оценило количество фотоэлектрических отходов к 2050 году в 78 миллионов тонн. Большинство частей солнечного модуля могут быть переработаны, включая до 95% определенных полупроводниковых материалов или стекла, а также большое количество черных и цветных металлов. Некоторые частные компании и некоммерческие организации в настоящее время занимаются приемкой и переработкой отработанных модулей. Законодательство ЕС требует, чтобы производители обеспечивали надлежащую переработку своих солнечных панелей. Аналогичное законодательство действует в Японии , Индии и Австралии .

Исследование, проведенное Harvard Business Review в 2021 году, показывает, что к 2035 году списанные панели будут в 2,56 раза больше, чем новые блоки, а стоимость переработки одной фотоэлектрической панели к тому времени достигнет 20-30 долларов, что увеличит LCOE фотоэлектрических панелей в 4 раза. Анализируя рынок США, где по состоянию на 2021 год не существует законодательства, аналогичного ЕС, HBR отметил, что при стоимости отправки его на свалку, составляющей всего 1-2 доллара, есть значительный финансовый стимул либо выбросить списанные панели, либо отправить их на свалку. низкотехнологичная разборка в странах с низким уровнем дохода, при которой большая часть токсичных элементов в конечном итоге попадает в окружающую среду, в то время как законодательство об обязательной переработке будет

Возможности переработки зависят от типа технологии, используемой в модулях:

  • Модули на основе кремния: алюминиевые рамы и распределительные коробки демонтируются вручную в начале процесса. Затем модуль измельчается в мельнице и разделяются на различные фракции - стекло, пластмассы и металлы. Можно вернуть более 80% входящего веса. Этот процесс может выполняться переработчиками плоского стекла, поскольку морфология и состав фотоэлектрического модуля аналогичны тем плоским стеклам, которые используются в строительстве и автомобильной промышленности. Восстановленное стекло, например, легко применяется в производстве пеностекла и стеклянных изоляционных материалов.
  • Модули на несиликоновой основе: для них требуются специальные технологии переработки, такие как использование химических ванн для разделения различных полупроводниковых материалов. Для модулей теллурида кадмия процесс рециклинга начинается с дробления модуля и последующего разделения на различные фракции. Этот процесс переработки предназначен для восстановления до 90% стекла и 95% содержащихся полупроводниковых материалов. Некоторые предприятия по вторичной переработке в промышленных масштабах были созданы в последние годы частными компаниями. Для отражателя с плоской алюминиевой пластиной: модность отражателей повысилась за счет изготовления их с использованием тонкого слоя (от 0,016 мм до 0,024 мм) алюминиевого покрытия, присутствующего внутри пластиковых пищевых упаковок, не подвергшихся вторичной переработке.

С 2010 года ежегодно проводится европейская конференция, на которую собираются производители, переработчики и исследователи, чтобы посмотреть на будущее переработки фотоэлектрических модулей.

Производство

Ведущие производители фотоэлектрических систем по отгруженной мощности в гигаваттах
Производитель модуля Отгрузка
в 2019 г.
( ГВт )
Джинко Солар 14,2
JA Solar 10,3
Трина Солар 9,7
LONGi Solar 9.0
Канадская солнечная энергия 8,5
Ячейки Hanwha Q 7.3
Risen Energy 7.0
Первая Солнечная 5.5
Система GCL 4.8
Shunfeng Photovoltaic 4.0

Производство фотоэлектрических систем следовало классическому эффекту кривой обучения , при котором происходило значительное снижение затрат наряду с большим повышением эффективности и производительности.

По данным Международного энергетического агентства (МЭА), в 2019 году было построено 114,9 ГВт солнечных фотоэлектрических систем.

При росте установки фотоэлектрических систем более чем на 100% в годовом исчислении производители фотоэлектрических модулей резко увеличили поставки солнечных модулей в 2019 году. Они активно наращивали свои мощности и превратились в игроков гигаваттной ГВт . По данным Pulse Solar, пять из десяти ведущих компаний по производству фотоэлектрических модулей в 2019 году продемонстрировали рост производства солнечных панелей как минимум на 25% по сравнению с 2019 годом.

В основе производства солнечных панелей лежит использование кремниевых элементов. Эти кремниевые элементы обычно на 10–20% эффективны при преобразовании солнечного света в электричество, а в новых производственных моделях этот показатель превышает 22%. Чтобы солнечные панели стали более эффективными, исследователи во всем мире пытались разработать новые технологии, которые позволили бы солнечным панелям более эффективно превращать солнечный свет в энергию.

В 2018 году в пятерку крупнейших мировых производителей солнечных модулей по отгруженной мощности в течение календарного 2018 года входили Jinko Solar , JA Solar , Trina Solar , Longi Solar и Canadian Solar .

Цена

Закон Суонсона гласит, что с каждым удвоением производства панелей стоимость панелей снижается на 20 процентов.

Цена на солнечную электроэнергию продолжала падать, так что во многих странах с 2012 года она стала дешевле, чем обычная электроэнергия на ископаемом топливе из электросетей. Это явление известно как сетевой паритет .

Информация о средних ценах делится на три ценовые категории: покупатели небольших партий (модули всех размеров в диапазоне киловатт ежегодно), покупатели среднего уровня (обычно до 10 МВт в год) и покупатели большого количества (не требующие пояснений - и имеющие доступ по самым низким ценам). В долгосрочной перспективе очевидно систематическое снижение цен на ячейки и модули. Например, в 2012 году было подсчитано, что количественная стоимость ватта составляла около 0,60 доллара США, что в 250 раз ниже, чем стоимость в 1970 году, составлявшая 150 долларов США. Исследование 2015 года показывает, что цена за киловатт-час снижается на 10% в год с 1980 года, и прогнозирует, что солнечная энергия может составлять 20% от общего потребления электроэнергии к 2030 году, в то время как Международное энергетическое агентство прогнозирует 16% к 2050 году.

Реальные затраты на производство энергии во многом зависят от местных погодных условий. В такой облачной стране, как Великобритания, стоимость произведенного кВтч выше, чем в более солнечных странах, таких как Испания.

Краткосрочные нормализованные сравнения затрат, демонстрирующие ценность различных технологий производства электроэнергии
Долгосрочные нормализованные сравнения затрат, демонстрирующие ценность различных технологий производства электроэнергии

По данным Управления энергетической информации США, ожидается, что цены за мегаватт-час сблизятся и достигнут паритета с традиционными источниками производства энергии в период 2020–2030 годов. Согласно EIA, паритет может быть достигнут без необходимости поддержки субсидий и может быть достигнут с помощью механизмов органического рынка, а именно снижения производственных цен и технического прогресса.

В соответствии с RMI , элементами Balance-of-System (BoS), немодульные затраты на немикроинверторные солнечные модули (такие как проводка, преобразователи, стеллажные системы и различные компоненты) составляют около половины общих затрат на установку.

Для коммерческих солнечных электростанций, где электроэнергия продается в сеть передачи электроэнергии, стоимость солнечной энергии должна соответствовать оптовой цене на электроэнергию. Эту точку иногда называют «паритетом оптовой сети» или «паритетом сборных шин».

Некоторые фотоэлектрические системы, такие как установки на крыше, могут подавать электроэнергию напрямую потребителю электроэнергии. В этих случаях установка может быть конкурентоспособной, если себестоимость продукции соответствует цене, по которой пользователь платит за потребление электроэнергии. Эту ситуацию иногда называют «паритетом розничной сети», «паритетом розеток» или «динамическим паритетом сети». Исследование, проведенное UN-Energy в 2012 году, показывает, что районы солнечных стран с высокими ценами на электроэнергию, такие как Италия, Испания и Австралия, а также районы, где используются дизельные генераторы, достигли паритета розничных сетей.

Монтаж и отслеживание

Солнечные модули на солнечных трекерах
Рабочие устанавливают солнечные панели на крышах жилых домов

Наземные фотоэлектрические системы, как правило, представляют собой крупные солнечные электростанции для коммунальных предприятий . Их солнечные модули удерживаются на стойках или рамах, прикрепленных к наземным монтажным опорам. К опорам для наземного монтажа относятся:

  • Опоры для столбов, которые вбиваются прямо в землю или заделываются в бетон.
  • Крепления к фундаменту, такие как бетонные плиты или заливные опоры.
  • Опоры с балластом, такие как бетонные или стальные основания, которые используют вес для фиксации системы солнечных модулей в нужном положении и не требуют проникновения в грунт. Этот тип системы крепления хорошо подходит для участков, где земляные работы невозможны, таких как закрытые свалки, и упрощает вывод из эксплуатации или перемещение систем солнечных модулей.

Установленные на крыше солнечные энергосистемы состоят из солнечных модулей, удерживаемых стойками или рамами, прикрепленными к монтажным опорам на крыше. К крепежным опорам на крышу относятся:

  • Рельсовые крепления, которые крепятся непосредственно к конструкции крыши и могут использовать дополнительные направляющие для крепления модульных стоек или рам.
  • Опоры с балластом, такие как бетонные или стальные основания, которые используют вес для фиксации панельной системы в нужном положении и не требуют сквозного проникновения. Этот метод монтажа позволяет выводить из эксплуатации или перемещать системы солнечных панелей без отрицательного воздействия на конструкцию крыши.
  • Вся проводка, соединяющая соседние солнечные модули с оборудованием для сбора энергии, должна быть установлена ​​в соответствии с местными электротехническими нормами и должна быть проложена в кабелепроводе, соответствующем климатическим условиям.

Солнечные трекеры увеличивают количество энергии, производимой на модуль, за счет сложности механики и увеличения потребности в техническом обслуживании. Они определяют направление Солнца и наклоняют или поворачивают модули по мере необходимости для максимального воздействия света. В качестве альтернативы фиксированные стойки удерживают модули неподвижными в течение дня под заданным наклоном ( зенитным углом ) и обращенными в заданном направлении ( азимутальный угол ). Углы наклона, эквивалентные широте установки, являются обычными. Некоторые системы могут также регулировать угол наклона в зависимости от времени года. Точно так же, чтобы максимизировать общий выход энергии, модули часто ориентированы на юг (в северном полушарии) или север (в южном полушарии). С другой стороны, массивы, ориентированные на восток и запад (например, покрывают крышу, обращенную с востока на запад), также могут быть полезны. Даже если такие установки могут не производить максимально возможную общую энергию, их выходная мощность, вероятно, будет более стабильной в течение дня и, возможно, больше во время пикового спроса.

Стандарты

Стандарты, обычно используемые в фотоэлектрических модулях:

  • IEC 61215 (характеристики кристаллического кремния ), 61646 (характеристики тонкой пленки ) и 61730 (все модули, безопасность), 61853 (тестирование производительности фотоэлектрических модулей и оценка энергопотребления)
  • ISO 9488 Солнечная энергия. Словарь.
  • UL 1703 от Underwriters Laboratories
  • UL 1741 от Underwriters Laboratories
  • UL 2703 от Underwriters Laboratories
  • Знак CE
  • Серия тестеров электробезопасности (EST) (EST-460, EST-22V, EST-22H, EST-110).

Разъемы

Наружные солнечные панели обычно включают разъемы MC4 . Автомобильные солнечные панели могут также включать автомобильный прикуриватель и / или USB- адаптер. Внутренние панели (включая солнечные фотоэлектрические стекла, тонкие пленки и окна) могут включать в себя микроинвертор (солнечные панели переменного тока).

Приложения

Есть много практических применений для использования солнечных панелей или фотоэлектрических элементов. Сначала его можно использовать в сельском хозяйстве в качестве источника энергии для орошения. В здравоохранении солнечные батареи могут использоваться для охлаждения предметов медицинского назначения. Его также можно использовать для инфраструктуры. Фотоэлектрические модули используются в фотоэлектрических системах и включают в себя большое количество различных электрических устройств :

Ограничения

Воздействие на электросеть

С увеличением количества фотоэлектрических систем на крыше поток энергии становится двусторонним. Когда местной генерации больше, чем потребления, электроэнергия экспортируется в сеть. Однако электрические сети традиционно не рассчитаны на двустороннюю передачу энергии. Поэтому могут возникнуть некоторые технические проблемы. Например, в Квинсленде, Австралия, к концу 2017 года более 30% домашних хозяйств использовали солнечные панели на крышах. Знаменитая калифорнийская кривая утки 2020 года часто появлялась во многих сообществах с 2015 года. Проблема перенапряжения может возникнуть в результате перетока электричества от фотоэлектрических домов обратно в сеть. Существуют решения для управления проблемой перенапряжения, такие как регулирование коэффициента мощности фотоэлектрического инвертора, новое оборудование для контроля напряжения и энергии на уровне распределителя электроэнергии, перенаправление электрических проводов, управление со стороны спроса и т. Д. Часто существуют ограничения и связанные с расходами. к этим решениям.

Когда электрические сети не работают, например, во время отключения электроэнергии в Калифорнии в октябре 2019 года , солнечных панелей часто недостаточно для полного обеспечения электроэнергией дома или другой конструкции, поскольку они предназначены для подачи энергии в сеть, а не напрямую в дома.

Влияние на управление счетами за электроэнергию и инвестиции в энергию

Не существует серебряной пули в отношении электроэнергии или спроса на электроэнергию и управления счетами, потому что клиенты (объекты) имеют разные конкретные ситуации, например, разные потребности в комфорте / удобстве, разные тарифы на электроэнергию или разные модели использования. Тариф на электроэнергию может включать несколько элементов, таких как ежедневная плата за доступ и учет, плата за электроэнергию (на основе кВтч, МВтч) или плата за пиковое потребление (например, цена за максимальное 30-минутное потребление энергии в месяц). Фотоэлектрические системы являются многообещающим вариантом для снижения платы за электроэнергию, когда цена на электроэнергию достаточно высока и постоянно растет, например, в Австралии и Германии. Однако для участков с платой за пиковое потребление фотоэлектрическая энергия может быть менее привлекательной, если пиковые потребности в основном происходят в конце полудня или ранним вечером, например, в жилых районах. В целом, инвестиции в энергетику - это в значительной степени экономичное решение, и лучше принимать инвестиционные решения на основе систематической оценки вариантов улучшения работы, энергоэффективности, производства на месте и хранения энергии.

Галерея

Смотрите также

использованная литература