Úvod:
Solární technologie se stala monumentální inovací v oblasti obnovitelné energie a nabízí významná řešení pro snížení emisí uhlíku a zlepšení udržitelnosti energie. V solárních systémech hrají klíčovou roli solární panely (také známé jako solární moduly), které přímo určují množství vyrobené energie. Proto je výběr správného solárního panelu klíčovým krokem k zajištění optimálního výkonu systému.
Tento článek se zabývá každým faktorem ovlivňujícím výstup energie solárních panelů. Plným pochopením těchto klíčových prvků budete lépe připraveni plánovat a navrhovat svůj solární systém tak, aby vyhovoval vašim energetickým potřebám a zároveň zvyšoval efektivitu udržitelné výroby energie.
Klíčové faktory ovlivňující generování energie modulem:
1. Provozní proud a teplota solárního modulu
2. Teplotní koeficient solárního modulu
3. Spektrální odezva solárního modulu
4. Výkon solárního modulu za slabého osvětlení
5. Degradace solárního modulu
6. Instalace a příslušenství
7. Vnější environmentální faktory.
1. Jak provozní proud a provozní teplota solárního modulu ovlivňují výrobu elektřiny?
Když je provozní proud solárního modulu vyšší, obvykle vede ke zvýšení provozní teploty modulu. Toto je způsobeno tím, že velikost proudu souvisí s tvorbou tepla v modulu kvůli vnitřnímu odporu, a vyšší proudy vedou k vyšším tepelným ztrátám.
Tepelné ztráty způsobují zvýšení teploty solárního modulu. Při vyšších teplotách tok elektronů zpomaluje, snižuje se napětí a následně efektivita solárního modulu klesá.
Aby byl studován vztah mezi výkonností výroby elektřiny různých modulů a jejich provozními teplotami, JinkoSolar ve spolupráci s TUV Nord provedl venkovní empirický projekt v Národní fotovoltaické experimentální základně v Yinchuanu v únoru 2021. Provozní teploty ultra-vysokých proudových modulů (18A) byly v průměru o přibližně 1,8°C vyšší než u modulů 182 (13,5A), s maximálními teplotními rozdíly kolem 5°C. Toto je primárně způsobeno tím, že nadměrný provozní proud modulů vede k výraznému nárůstu tepelných ztrát na povrchu solárních článků a pájecích pásků, což přispívá ke zvýšení provozní teploty modulu. Jak je všeobecně známo, výstupní výkon PV modulů klesá s nárůstem teploty. Například v případě modulů PERC, když teplota modulu překročí hodnotnou provozní teplotu, výkon klesá přibližně o 0,35% za každý stupeň Celsia navíc. Zohlednění kombinace faktorů ukazuje empirické výsledky, že moduly 182 dosahují míry výroby elektřiny za jeden watt přibližně o 1,8% vyšší než ultra-vysoké proudové moduly. Moduly Maysun Twisun s černým rámem nabízejí výhodu nízkého proudu (9A) a vysokého výkonu, což je lepší v podmínkách vysoké teploty, protože nízký proud pomáhá snižovat provozní teploty, snižovat tepelné ztráty a zvyšovat efektivitu modulu.
Následující obrázky ilustrují srovnání provozních teplot mezi ultra-vysokými proudovými moduly (18A) a moduly 182 (13,5A)
Předběžná data z empirické stanice ukazují, že 21. března a 4. května byly změřeny provozní teploty ultra-vysokých proudových modulů (18A) a modulů 182 (13,5A). Provozní teploty ultra-vysokých proudových modulů byly výrazně vyšší než u modulů 182. Zvýšení teploty vede ke snížení výroby elektřiny. Moduly 182 dosahují míry výroby elektřiny za jeden watt přibližně o 1,8% vyšší než ultra-vysoké proudové moduly.
Návrh:
Moduly s velkým proudem mohou vést ke zvýšeným tepelným ztrátám, což je zahřívá více a následně vede k většímu poklesu jejich výstupního výkonu. Je nezbytné zlepšit kontrolu tepelných ztrát solárních panelů. Implementace chladicích opatření, jako je montáž tepelných disipačních desek pod moduly nebo zvýšení výšky solárních panelů od země pro lepší ventilaci, může být prospěšná.
Dále při výběru měničů a solárních panelů je důležité zajistit, aby proud Maximálního bodu výkonu panelu (často zkracováno jako MPP proud) nepřekročil maximální vstupní proud Měniče Maximálního bodu sledování výkonu (nebo MPPT). To proto, že obvod MPPT měniče potřebuje efektivně sledovat MPP solárního panelu, aby maximalizoval účinnost konverze energie. Například pokud je MPPT měniče hodnoceno na 12,5A a proud MPP panelu je na 13,5A, modul by nebyl kompatibilní s tímto měničem.
2. Proč je teplotní koeficient solárních modulů důležitý?
Teplotní koeficient solárních modulů je klíčovým výkonnostním parametrem, který udává variabilitu výkonu solárních panelů při různých teplotách. Jmenovitý výkon solárních modulů je určen za standardních testovacích podmínek (STC). Pokud během provozu skutečná provozní teplota překročí hodnotnou provozní teplotu, výstupní výkon klesne. To proto, že fotovoltaická konverzní účinnost modulu klesá s nárůstem teploty. Například pokud je teplotní koeficient výkonu -0,34%/°C, při každém nárůstu o 1°C nad hodnotnou provozní teplotu se výstupní výkon modulu sníží o 0,34%.
Navíc teplotní výkyvy také ovlivňují dlouhodobou stabilitu a životnost solárních modulů. Zvýšené teploty mohou vést k únavě materiálu uvnitř modulů, což snižuje jejich životnost. Obvykle mají moduly s nižším teplotním koeficientem delší životnost. V extrémních případech může přehřátí solárních modulů představovat bezpečnostní riziko, dokonce může vést k požáru.
Podle dat z grafu je teplotní koeficient pro moduly Maysun's IBC -0,29%/℃. To znamená, že při každém nárůstu o 1℃ provozní teploty modulu IBC dojde ke snížení výkonu o 0,29%. Na druhou stranu mají moduly PERC teplotní koeficient -0,34%/℃. To znamená, že při každém nárůstu o 1℃ provozní teploty modulu PERC výkon klesne o 0,34%. V prostředí s vysokou teplotou, kde může provozní teplota modulu dosáhnout 85℃, výkon modulu PERC výrazně klesá na 79,6%, zatímco modul IBC stále udržuje výstup 82,6%.
Návrh:
Proto při výběru modulů v teplejších oblastech nebo z hlediska bezpečnosti při vysokých teplotách je volba modulů s nižším teplotním koeficientem rozumným rozhodnutím. Solární panely IBC (Interdigitated Back Contact) s nižším teplotním koeficientem (0,29%/℃) vykazují vysokou teplotní oblasti výraznou výhodu.
3. Spektrální odezva: Základní výkonnostní metrika
Solární články využívají fotoelektrický jev k přímé konverzi slunečního světla na elektřinu. Jejich spektrální odezva určuje rozsah světelného spektra, kterému mohou efektivně vyhovovat. V současné době jsou většina solárních článků dostupných na trhu na bázi křemíku, hlavně citlivých na viditelné spektrum a část infračerveného záření. V kontrastu je jejich citlivost na ultrafialové a významnou část infračerveného spektra relativně slabá.
Poskytnutý obrázek ukazuje typické solární záření spektra vedle spektrální odezvy křemíkového solárního článku. Je důležité chápat, že tato spektrální odezva nebo spektrální citlivost definuje rozsah záření, při kterém článek nejefektivněji pracuje. To hluboce ovlivňuje jeho účinnost v různých podmínkách záření. Tyto články převážně reagují na viditelné spektrum a na blízké infračervené.
Podívejme se podrobněji na charakteristiky spektrální odezvy typického křemíkového solárního článku:
Odezva na viditelné světlo: Křemíkové solární články vykazují silnou odezvu na viditelné světlo, hlavně soustředěné v rozmezí vlnových délek 400-700 nm. V tomto spektru může energie ze světla stimulovat valenční elektrony v křemíkových atomech, čímž je povýší do vodivého pásma, což vede k vytváření elektron-díra párů a tím k produkci proudu.
Odezva na krátkovlnné infračervené světlo: Tyto články ukazují určitou odezvu na kratší vlnové délky infračerveného světla, především soustředěné mezi 800-1100 nm. Světlo v tomto spektru může povýšit elektrony v křemíkových atomech do vodivého pásma, zvyšující výstupní proud.
Odezva na ultrafialové světlo: Odezva křemíkových solárních článků na ultrafialové světlo je relativně tlumená, především v rozmezí vlnových délek 200-400 nm. Energie z této části spektra je příliš malá na to, aby stimulovala valenční elektrony v křemíkových atomech do vodivého pásma, což vede k minimální generaci proudu.
Odezva na dlouhovlnné infračervené světlo: Odezva na dlouhovlnnou část infračerveného spektra je také omezena, hlavně mezi 1100-1200 nm. Energie v tomto spektru je příliš nízká na to, aby generovala dostatečný proud.
Při stejném solárním modulu může energetický výstup významně kolísat v regionech s významnými rozdíly ve svém světelném spektru. Monokrystalické křemíkové solární články vykazují oproti polykrystalickým křemíkovým článkům lepší kvantovou účinnost, zejména ve spektru 310-550 nm. V tomto rozsahu může kvantová účinnost monokrystalických křemíkových článků dokonce překonat tu polykrystalických článků o více než 20%, což vede k vyšší produkci energie.
Doporučení:
Před zahájením stavby solární elektrárny je rozumné vybrat moduly s širší spektrální odezvou na základě převládajících pásů záření v dané oblasti. Ve srovnání s moduly jiných technologií mají moduly IBC širokou spektrální odezvu, schopnou zachytávat solární záření od ultrafialového přes viditelné světlo až po blízké infračervené spektrum, přibližně mezi 300 nm a 1200 nm. Tento rozsah zajišťuje, že moduly IBC vynikají v různých osvětlovacích podmínkách, včetně situací s nízkým a rozptýleným světlem.
4. Výkon za nízkého osvětlení a jeho vliv na energetický výstup
Termín "slabý světelný efekt" v kontextu solárních panelů se vztahuje k jejich výkonu a energetickému výstupu za nízkého osvětlení. Běžně je to pozorováno během časných ranních hodin, pozdních večerů, zamračených dnů nebo když je část panelů ve stínu. Slabý světelný efekt má významný dopad na celkový výkon solárního systému a schopnosti generování energie.
Za podmínek slabého světla znamená snížená intenzita, že elektrony v solárních panelech se pohybují pomalejším tempem, což vede k poklesu generace proudu a významnému poklesu energetického výstupu panelů. Současně solární moduly potřebují delší dobu k dosažení provozního napětí vyžadovaného měniči, čímž se omezuje efektivní doba generace energie fotovoltaického systému během dne.
Návrh:
K tomu, aby se tomu čelilo, je rozumné volit solární moduly, které excelují za podmínek nízkého osvětlení, jako jsou moduly IBC (Interdigitated Back Contact) nebo moduly HJT (Heterojunction). Články IBC se svou jedinečnou konstrukcí zadního kontaktu jsou zručné při zachycení rozptýleného světla ze stran a zad, což nabízí výraznou výhodu, když světelné podmínky kolísají nebo jsou základně nízké, což je činí obzvláště vhodnými pro oblasti s vysokou zeměpisnou šířkou. Na druhou stranu moduly HJT díky svému heterojunkčnímu designu zvyšují efektivitu separace a sběru náboje. To je činí ideálními pro efektivní výrobu energie za zamračeného počasí nebo během časných ranních hodin a pozdních večerů.
Podle dat z testovacího centra certifikace TUV SUD solární moduly Maysun IBC vykazují minimální složenou centrální ztrátu. Za slabých světelných podmínek, když se srovnávají s produkty PERC, je zřetelný zisk účinnosti. Při úrovni záření 200W/m² moduly IBC prokazují relativní zisk výkonu 2,01%. Navíc díky vysokým charakteristikám otevřeného obvodu napětí modulů IBC dosahují provozního napětí měniče rychleji během časných ranních hodin a večerů, což efektivně prodlužuje dobu generace energie.
5. Jak dochází k degradaci modulu?
Degradace modulu zahrnuje PID (Potential Induced Degradation), LID (Light-Induced Degradation), LeTID (Light and elevated Temperature Induced Degradation), UVID (UV Induced Degradation), stárnutí a efekt horkého bodu. Tyto degradační reakce jsou procesy snižování výkonu, kterým mohou solární panely podléhat za určitých podmínek, což ovlivňuje výstup energie a dlouhodobý výkon systému.
（1）PID:
Degradace způsobená potenciálem (PID) se vztahuje k degradaci výkonu solárních panelů za určitých napěťových rozdílů. PID nastává kvůli problému s udržením dlouhodobého těsnění fotovoltaických modulů při použití, zejména za střídavě vysokých teplot a vlhkosti. To může vést k významnému hromadění náboje na povrchu článku, což ovlivňuje pasivaci a vede k poklesu účinnosti, přičemž výroba energie může klesnout o více než polovinu.
Způsoby snížení efektu PID:
Na základě dlouhodobých experimentů shrnuli odborníci na produkty Maysun metody ke zmírnění PID. Hlavně zahrnují:
Uzemnění záporného pólu sériových komponent nebo aplikace kladného napětí mezi modulem a zemí večer.
Zlepšení životnosti a kvality fólie EVA a optimalizace procesu zakapslování.
Úprava emitteru článku a antireflexní vrstvy SiN.
Modul HJT vyvinutý společností Maysun má vynikající výkonnost proti PID. Jeho tenká vrstva TCO (Transparent Conductive Oxide) má vodivé vlastnosti, což zabraňuje polarizaci náboje na povrchu a strukturálně brání degradaci PID.
（2）LID:
LID (Light-Induced Degradation) je spolehlivostní parametr pro fotovoltaické moduly. Obvykle zahrnuje tři hlavní typy: světelnou degradaci sloučeniny bor-kyslík (BO-LID), světelnou a teplotně indukovanou degradaci (LeTID) a ultraviolově indukovanou degradaci povrchové pasivace (UVID).
BO-LID: Typicky, když mluvíme o LID, máme na mysli BO-LID, což je považováno za hlavní faktor světelné degradace v krystalických křemíkových článcích. Jakmile jsou fotovoltaické moduly vystaveny slunečnímu záření, začne LID, a v krátkém období (dny nebo týdny) může dosáhnout nasycení. Řešení BO-LID lze dosáhnout modifikací dopantů (jako je zavedení gallia) nebo zlepšením pasivačních technik.
LeTID: LeTID je tepelně indukovaná ztráta výkonu, hlavně spojená s materiály a defekty v solárních článcích. Za vysoké teploty a záření mohou defekty v článku vzrůst, což vede ke kombinaci náboje a zvýšenému odporu, což následně snižuje výkon článku. Efekty LeTID jsou obvykle pozorovatelné během skutečného provozu modulu, nikoli v laboratorních podmínkách. K zmírnění efektů LeTID výrobci často zlepšují volbu materiálů, výrobní procesy, provádějí testy tepelné stability a hodnotí výkon článku za vysokých teplot, aby zajistili konzistentní výkon modulu.
UVID (Ultraviolet Induced Degradation): UVID se vztahuje k možnému poklesu výkonu v solárních modulech při dlouhodobé expozici ultravioletnímu záření. Tato degradace je hlavně spojena s materiály používanými v solárních článcích, zejména s fotovoltaickými konverzními materiály. Nepřetržitá expozice UV může vést k chemickým reakcím nebo rozpadu v materiálech článku, což způsobuje pokles výkonu, často se projevuje jako snížená účinnost a výkon. Pro boj proti efektům UVID obvykle výrobci používají materiály s vysokou UV stabilitou, zlepšují materiály pro zakapslování modulu pro lepší ochranu a provádějí testy expozice UV, aby posoudili robustnost modulu.
V současné době moduly HJT (Heterojunction Technology) společnosti Maysun dosáhly efektu bez LID. Díky substrátu článku HJT, který je obvykle N-typ monokrystalický křemík a je dopován fosforem, v článcích chybí sloučeniny bor-kyslík a bor-kov. Proto jsou články HJT imunní vůči efektům LID.
（3）Stárnutí solárního modulu
Solární moduly, klíčové pro zachycení solární energie, nejsou imunní vůči času a environmentálnímu opotřebení. Jak stárnou, jejich účinnost může slábnout, což vede ke snížení výstupu energie. Zde rozebíráme hlavní faktory ovlivňující životnost modulu:
Žloutnutí zakapslovacího materiálu: Dlouhodobá expozice UV může způsobit žloutnutí zakapslovacího materiálu uvnitř modulů, což ovlivňuje vzhled i schopnost pohlcování světla. To může snížit celkovou účinnost konverze modulu.
Opotřebení zadní fólie: Časem, zejména za vysokých teplot a vlhkosti, může odolnost zadní fólie vůči vlhkosti degradovat, což zvyšuje riziko hydrolytického štěpení zakapslovacího materiálu a koroze článku.
Pokles výkonu článku: Nepřetržitý provoz za náročných podmínek může snížit účinnost a výkon solárního článku kvůli změnám vlastností materiálu.
Výrobci jsou si těchto výzev vědomi. Například solární moduly IBC společnosti Maysun mají 25letou záruku na výkon a produkt. Slibují pokles účinnosti pouze o 1,5% v prvním roce a pouhý 0,4% lineární pokles každý rok poté, což zajišťuje, že uživatelé získávají konzistentní výhody po celou dobu životnosti modulu.
（4）Efekt horkého bodu
Efekt horkého bodu odkazuje na potenciálně nepříznivou situaci v solárních panelech, kdy se určité články nebo části modulu mohou více zahřívat než jiné. To může ohrozit výkon a bezpečnost celého modulu.
Kdy dochází k efektu horkého bodu?
Stínění nebo překážky:
Pokud je část solárního panelu stíněna nebo zablokována, tyto konkrétní články nebudou produkovat proud, ale sousední články budou dále fungovat. To nutí stíněné články fungovat jako zátěž, absorbují teplo od sousedních fungujících článků, což je může přehřát.
Nesrovnalosti článků:
Někdy mohou být mezi solárními články menší nesrovnalosti nebo nedokonalosti. To může způsobit, že se určité články zahřívají rychleji než jejich protějšky, což vede k horkým bodům v těchto konkrétních oblastech.
Důsledky efektu horkého bodu:
Poškození článku:
Horké body mohou degradovat nebo poškodit přehřáté články, což může potenciálně snížit jejich životnost a výkon.
Bezpečnostní obavy:
Zvýšené teploty kvůli horkým bodům mohou představovat riziko požáru nebo jiné bezpečnostní nebezpečí.
Pro zmírnění efektu horkého bodu integrovala společnost Maysun Solar do svých panelů řady Venusun přepínače MOS, které nahrazují tradiční bypass diody. Tyto přepínače nabízejí rychlejší reakci na různé světelné podmínky, rychle se přizpůsobují a minimalizují dopad stínění na výkon modulu.
6. Dopad způsobů instalace a příslušenství solárního systému na výrobu energie
Faktory týkající se způsobů instalace a příslušenství solárního systému zahrnují sklon solárních panelů, kombinované ztráty panelů, kabelů, ztráty transformátorů, regulátorů, účinnost měničů a další.
(1) Sklon solárních pa