Страница полузащищенная
Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Для солнечных тепловых панелей см. Солнечная тепловая энергия .
Солнечные фотоэлектрические модули, установленные на крыше

Термин солнечная панель используется в разговорной речи для фотоэлектрического (PV) модуля .

Фотоэлектрический модуль - это набор фотоэлементов, установленных в каркас для установки. Фотоэлектрические элементы используют солнечный свет как источник энергии и вырабатывают электричество постоянного тока . Набор фотоэлектрических модулей называется фотоэлектрической панелью, а система панелей - массивом. Массивы фотоэлектрической системы поставляют солнечное электричество на электрическое оборудование.

Теория и конструкция

Смотрите также: Солнечная батарея
От солнечного элемента к фотоэлектрической системе

Фотоэлектрические модули используют световую энергию ( фотоны ) от Солнца для выработки электроэнергии за счет фотоэлектрического эффекта . В большинстве модулей используются элементы из кристаллического кремния на основе пластин или тонкопленочные элементы . Конструктивная ( несущая) член модуля может быть либо верхним, либо задним слоем. Клетки необходимо беречь от механических повреждений и влаги. Большинство модулей жесткие, но доступны и полугибкие на основе тонкопленочных ячеек. Ячейки подключаются последовательно друг к другу до требуемого напряжения, а затем параллельно для увеличения силы тока. Мощность модуля - это математическое произведение напряжения и силы тока модуля. Характеристики производства солнечных панелей получены при стандартных условиях, которые не являются реальными условиями эксплуатации, в которых солнечные панели находятся на месте установки. [1]

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 системой. Также можно использовать USB-интерфейс питания. [ необходима цитата ]

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. Проводящие провода, отводящие ток от модулей, имеют размер в соответствии с допустимой нагрузкой 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 выход секций модуля, которые все еще светятся. [ необходима цитата ]

Некоторые специальные солнечные фотоэлектрические модули включают концентраторы, в которых свет фокусируется линзами или зеркалами на меньшие элементы. Это позволяет экономично использовать элементы с высокой стоимостью единицы площади (например, арсенид галлия ). [ необходима цитата ]

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

История

Смотрите также: Солнечный элемент § История и Хронология солнечных элементов

В 1839 году способность некоторых материалов создавать электрический заряд в результате воздействия света впервые обнаружил Александр-Эдмон Беккерель . [2] Хотя первые солнечные панели были слишком неэффективны даже для простых электрических устройств, они использовались в качестве инструмента для измерения света. [3] 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. [2] [4]

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». [5] Однако эти солнечные панели были очень неэффективными, особенно по сравнению с угольными электростанциями. В 1939 году Рассел Ол создал конструкцию солнечных батарей, которая используется во многих современных солнечных батареях. Он запатентовал свою конструкцию в 1941 году. [6] В 1954 году эта конструкция была впервые использована Bell Labs для создания первого коммерчески жизнеспособного кремниевого солнечного элемента. [2] В 1957 году Мохамед М. Аталла разработал процесс получения кремния.пассивации поверхности с помощью термического окисления в Bell Labs. [7] [8] С тех пор процесс пассивации поверхности имеет решающее значение для эффективности солнечных элементов . [9]

Эффективность

Смотрите также: эффективность солнечных батарей
Отчетный график рекордных показателей эффективности преобразования энергии солнечных модулей 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%. [10] [11]

В зависимости от конструкции фотоэлектрические модули могут вырабатывать электричество из диапазона частот света , но обычно не могут покрывать весь солнечный диапазон (в частности, ультрафиолетовый , инфракрасный и слабый или рассеянный свет). 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. [12] Предполагается, что это позволит повысить эффективность на 50%.

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 солнечными батареями . Оборудование тщательно выбирается для оптимизации выходной мощности, накопления энергии, уменьшения потерь мощности при передаче энергии и преобразования постоянного тока в переменный.

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. [13] Ученые Spectrolab также предсказывают, что солнечные элементы-концентраторы могут достичь эффективности более 45% или даже 50% в будущем, с теоретической эффективностью около 58% в элементах с более чем тремя переходами.

В настоящее время наилучший достигнутый коэффициент преобразования солнечного света (эффективность солнечного модуля) составляет около 21,5% в новых коммерческих продуктах [14], как правило, ниже, чем эффективность их отдельных элементов. Наиболее эффективные солнечные модули массового производства [ обсуждаются - обсуждают ] имеют значения удельной мощности до 175 Вт / м 2 (16,22 Вт / фут 2 ). [15]

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, а видимый свет сильно поглощался. Было обнаружено, что алюминий поглощает ультрафиолетовую часть спектра, в то время как видимая и ближняя инфракрасная части спектра, как было обнаружено, 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, что снижает потребление материалов». [16]

  • 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. мощность.
  • 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. [17]

Технологии

Основные статьи: Кристаллический кремний и тонкопленочные солнечные элементы
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 систем, в то время как остальная часть рынка в целом состоит из тонкопленочных технологий с использованием теллурида кадмия , CIGS и аморфного кремния [18]

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, поднимаемый 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 ламинируется 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 субстрат 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

Основные статьи: Умный модуль и солнечный микро-инвертор

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 может также 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

Модуль производительность в целом оцениваются в стандартных условиях испытаний (STC): облученности 1,000 Вт / м 2 , солнечный спектр от AM 1,5 и температура модуля при 25 ° С. Фактическое выходное напряжение и ток модуля изменяется по мере изменения условий освещения, температуры и нагрузки, поэтому никогда не бывает одного определенного напряжения, тока или мощности, при которых работает модуль. Производительность зависит от времени суток, количества солнечного излучения , направления и наклона модулей, облачности, затенения, загрязнения , уровня заряда, температуры, географического положения и дня в году. Колебания напряжения и тока излучения можно регистрировать с помощью мультиметра.или регистратор данных .

Для оптимальной работы солнечная панель должна состоять из одинаковых модулей, ориентированных в одном направлении, перпендикулярном прямым солнечным лучам. Путь солнца меняется в зависимости от широты и дня года, его можно изучить с помощью солнечных часов или солнечной карты и отследить с помощью солнечного трекера. Различия в напряжении или токе модулей могут повлиять на общую производительность панели. Обходные диоды используются для обхода сломанных или затемненных панелей для оптимизации выхода.

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 (%).

Номинальное напряжение - это категория, позволяющая пользователям узнать, будут ли две единицы оборудования работать вместе. Например, солнечная панель на 14 В совместима с аккумулятором на 14 В.

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 размером примерно 1 на 2 метра (3 фута 7 футов) будут иметь мощность от 75 Вт до 350 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%. [19] [20] [21]

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. [22] Многие производители модулей из кристаллического кремния предлагают ограниченную гарантию, которая гарантирует производство электроэнергии в течение 10 лет при 90% номинальной выходной мощности и 25 лет при 80%. [ необходима цитата ]

Потенциальная индуцированная деградация (также называемая ФИД) - это потенциально индуцированная деградация характеристик кристаллических фотоэлектрических модулей, вызванная так называемыми паразитными токами. [23] Этот эффект может вызвать потерю мощности до 30%. [24]

Самой большой проблемой для фотоэлектрических технологий является цена покупки за ватт произведенной электроэнергии. Новые материалы и технологии производства продолжают улучшать соотношение цены и мощности. Проблема заключается в огромной энергии активации, которую необходимо преодолеть, чтобы фотон возбудил электрон в целях сбора. 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. [25]

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. [26] 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 частиц на солнечных панелях , что в совокупности называется загрязнением . «Грязная солнечная панель может снизить ее мощность до 30% в местах с высоким содержанием пыли / пыльцы или в пустынных районах», - говорит Симус Карран, доцент физики Хьюстонского университета и директор Института наноэнергетики, специализирующегося на проектирование, инжиниринг и сборка наноструктур. [27] Средняя потеря загрязнения в мире в 2018 году оценивается как минимум в 3–4%. [28]

По состоянию на 2019 год оплата очистки солнечных панелей является хорошей инвестицией во многих регионах. [28] Однако в некоторых регионах очистка не является рентабельной. В Калифорнии по состоянию на 2013 год финансовых потерь, связанных с 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. [29]

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

Переработка отходов

Большинство частей солнечного модуля могут быть переработаны, включая до 95% определенных полупроводниковых материалов или стекла, а также большое количество черных и цветных металлов. [30] Некоторые частные компании и некоммерческие организации в настоящее время занимаются приемом и переработкой модулей с истекшим сроком эксплуатации. [31]

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, пластик и металлы. [32] Можно восстановить более 80% входящего веса. [33] 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 особые технологии переработки, такие как использование химических ванн для разделения различных полупроводниковых материалов. [34] Для модулей из теллурида кадмия процесс рециркуляции начинается с дробления модуля с последующим разделением на различные фракции. Этот процесс рециркуляции предназначен для восстановления до 90% стекла и 95% содержащихся полупроводниковых материалов. [35] Некоторые предприятия по вторичной переработке в промышленных масштабах были созданы в последние годы частными компаниями. [36]Для отражателя с плоской алюминиевой пластиной: модность отражателей повысилась за счет их изготовления с использованием тонкого слоя (примерно 0,016–0,024 мм) алюминиевого покрытия, присутствующего внутри пластиковых пищевых упаковок, не подвергшихся вторичной переработке. [37]

С 2010 года ежегодно проводится европейская конференция, на которую собираются производители, переработчики и исследователи, чтобы посмотреть на будущее переработки фотоэлектрических модулей. [38] [39] Закон ЕС требует, чтобы производители обеспечивали надлежащую переработку своих солнечных панелей. Аналогичное законодательство действует в Японии , Индии и Австралии . [40]

Производство

См. Также: Список компаний, работающих в области фотоэлектрических систем.

Производство фотоэлектрических систем следовало классическому эффекту кривой обучения , при котором происходило значительное снижение затрат наряду с большим повышением эффективности и производительности. [41]

Производитель лучших модулейПоставки в 2019 г. ( ГВт ) [42]
Джинко Солар14,2
JA Solar10,3
Трина Солар9,7
LONGi Solar9.0
Canadian Solar8,5
Ячейки Hanwha Q7.3
Risen Energy7.0
First Solar5.5
Система GCL4.8
Shunfeng Photovoltaic4.0

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 объемы поставок солнечных модулей в 2019 году. Они активно наращивали свои мощности и превратились в игроков гигаваттной ГВт . [43] По данным Pulse Solar, пять из десяти ведущих компаний по производству фотоэлектрических модулей в 2019 году испытали рост производства солнечных панелей как минимум на 25% по сравнению с 2019 годом. [44]

В основе производства солнечных панелей лежит использование кремниевых элементов. [45] Эти кремниевые элементы обычно на 10-20% эффективны [46] при преобразовании солнечного света в электричество, а в новых производственных моделях сейчас этот показатель превышает 22%. [47] 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. [48]

В 2018 году в четверку крупнейших мировых производителей солнечных модулей по объему отгруженной мощности в течение календарного 2018 года входили Jinko Solar, JA Solar , Trina Solar , Longi Solar и Canadian Solar . [49]

Цена

См. Также: Четность сетки
Закон Суонсона гласит, что с каждым удвоением производства панелей стоимость панелей снижается на 20 процентов. [50]

Цена на солнечную электроэнергию продолжает 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 . [51]

Информация о средних ценах делится на три ценовые категории: покупатели небольшого количества (модули всех размеров в диапазоне киловатт ежегодно), покупатели среднего уровня (обычно до 10 МВт в год) и покупатели большого количества (не требующие пояснений - и с доступом 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. [52] [53] Исследование 2015 года показывает, что цена / кВтч снижается на 10% в год с 1980 года, и прогнозируется, что солнечная энергия может составлять 20% от общего потребления электроэнергии к 2030 году, тогда как Международное энергетическое агентство прогнозирует 16% к 2050 году.[54]

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 [55]
Долгосрочные нормализованные сравнения затрат, демонстрирующие ценность различных технологий производства электроэнергии [56]

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.

Согласно RMI , элементы Balance-of-System (BoS), это 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». [51]

Некоторые фотоэлектрические системы, такие как установки на крыше, могут подавать питание напрямую потребителю электроэнергии. В этих случаях установка может быть конкурентоспособной, если себестоимость продукции соответствует цене, по которой пользователь платит за свое потребление электроэнергии. Эта ситуация иногда называется «паритетом розничной сети», «паритетом розеток» или «динамическим паритетом сети». [57] Исследование, проведенное ООН-Энергия 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. [51]

Монтаж и отслеживание

Основные статьи: фотоэлектрическая система крепления и солнечный трекер
Солнечные модули на солнечных трекерах
Рабочие устанавливают солнечные панели на крышах жилых домов

Наземные фотоэлектрические системы, как правило, представляют собой крупные солнечные электростанции промышленного масштаба . Их солнечные модули удерживаются на стойках или рамах, прикрепленных к наземным монтажным опорам. [58] [59] К наземным опорам 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 и не требуют проникновения в землю. Этот тип системы крепления хорошо подходит для участков, где земляные работы невозможны, например, закрытых свалок, и упрощает вывод из эксплуатации или перемещение систем солнечных модулей.

Установленные на крыше солнечные энергосистемы состоят из солнечных модулей, удерживаемых на стойках или рамах, прикрепленных к монтажным опорам на крыше. [60] К крепежным опорам на крыше 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 каждый модуль, за счет сложности механики и увеличения потребности в обслуживании. Они определяют направление Солнца и наклоняют или поворачивают модули по мере необходимости для максимального воздействия света. [61] [62] 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 также могут регулировать угол наклона в зависимости от времени года. [63]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. [64]

Стандарты

Стандарты, обычно используемые в фотоэлектрических модулях:

  • IEC 61215 (характеристики кристаллического кремния ), 61646 (характеристики тонкой пленки ) и 61730 (все модули, безопасность), 61853 (тестирование производительности фотоэлектрического модуля и рейтинг энергии)
  • 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 :

  • Фотоэлектрические станции
  • Солнечные фотоэлектрические системы на крыше
  • Автономные фотоэлектрические системы
  • Солнечные гибридные энергосистемы
  • Концентрированная фотогальваника
  • Солнечные самолеты
  • Очистка воды на солнечных батареях
  • Лазеры с солнечной накачкой
  • Солнечные автомобили
  • Солнечные батареи на космических кораблях и космических станциях

Ограничения

Воздействие на электросеть

С увеличением количества фотоэлектрических систем на крышах, 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 фотоэлектрические системы на крышах домов. Знаменитая калифорнийская кривая утки 2020 года часто появлялась во многих сообществах с 2015 года. Проблема перенапряжения может возникнуть в результате перетока электроэнергии от фотоэлектрических домов обратно в сеть. [65] 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 потреблением 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 другого сооружения, поскольку они предназначены для подачи энергии в сеть, а не напрямую в дома. [66]

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 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 с позднего вечера до раннего вечера, например, в жилых районах. Общий,Инвестиции в энергетику - это в значительной степени экономичное решение, и лучше принимать инвестиционные решения на основе систематической оценки вариантов улучшения операционной деятельности, повышения энергоэффективности, производства и хранения энергии на месте.[67] [68]

Галерея

  • Солнечное поселение на фоне корабля-Солнца (Фрайбург, Германия)

  • Техники устанавливают фотогальванические модули на крышной стойке

  • Солнечная батарея, состоящая из солнечной панели с 24 солнечными модулями, в сельской местности Монголии

  • Солнечные модули на Международной космической станции

  • Соединители PV MC4: Всепогодные соединители постоянного тока.

Смотрите также

  • Аккумулятор (электричество)
  • Гирляндная цепь (электротехника)
  • Цифровое моделирование и изготовление
  • Внутреннее потребление энергии
  • Электрическая система с привязкой к сети
  • Рост фотовольтаики
  • Список фотоэлектрических компаний
  • Разъем MC4
  • Внешний аккумулятор
  • Крышная фотоэлектрическая электростанция
  • SolarCity
  • Солнечная батарея
  • Солнечная плита
  • Солнечная печь
  • Солнечная проезжая часть
  • Солнечный еще

Рекомендации

  1. ^ Kifilideen, Osanyinpeju; Адеволе, Адеринлево; Адетунджи, Олайиде; Эммануэль, Аджисегири (2018). «Оценка производительности монокристаллических фотоэлектрических панелей в Фунаабе, Алабата, штат Огун, Нигерия». Международный журнал инноваций в инженерных исследованиях и технологиях . 5 (2): 8–20.
  2. ^ a b c «25 апреля 1954 г .: Bell Labs демонстрирует первый практический кремниевый солнечный элемент» . Новости APS . Американское физическое общество. 18 (4). Апрель 2009 г.
  3. ^ Кристиан, М. "История изобретения резюме солнечной панели" . Engergymatters.com . Energymatters.com . Проверено 25 января 2019 года .
  4. ^ Адамс, Уильям Гриллс; День, RE (1 января 1877 г.). «IX. Действие света на селен» . Философские труды Лондонского королевского общества . 167 : 313–316. DOI : 10,1098 / rstl.1877.0009 . ISSN 0261-0523 . 
  5. ↑ Мейерс, Гленн (31 декабря 2014 г.). "Photovoltaic Dreaming 1875-1905: Первые попытки коммерциализации PV" . cleantechnica.com . Sustainable Enterprises Media Inc. CleanTechnica . Проверено 7 сентября 2018 года .
  6. ^ Ол, Рассел (27 мая 1941). «Светочувствительное электрическое устройство» . Google . Проверено 7 сентября 2018 года .
  7. Перейти ↑ Black, Lachlan E. (2016). Новые взгляды на пассивацию поверхности: понимание интерфейса Si-Al2O3 (PDF) . Springer. п. 13. ISBN  9783319325217.
  8. ^ Lojek, Бо (2007). История полупроводниковой техники . Springer Science & Business Media . С.  120 и 321–323. ISBN 9783540342588.
  9. Перейти ↑ Black, Lachlan E. (2016). Новые взгляды на пассивацию поверхности: понимание интерфейса Si-Al2O3 (PDF) . Springer. ISBN  9783319325217.
  10. ^ Ulanoff, Lance (2 октября 2015). «Илон Маск и SolarCity представляют« самую эффективную в мире »солнечную панель» . Mashable . Проверено 9 сентября 2018 года .
  11. ^ да Силва, Уилсон (17 мая 2016 г.). «Достигнута веха в повышении эффективности солнечных элементов» . ScienceDaily . Проверено 9 сентября 2018 года . Новая конфигурация солнечных элементов, разработанная инженерами Университета Нового Южного Уэльса, повысила эффективность преобразования солнечного света в электричество до 34,5%, установив новый мировой рекорд по несфокусированному солнечному свету и приблизившись к теоретическим пределам для такого устройства.
  12. ^ Оркатт, Майк. «Управление светом для увеличения солнечной эффективности» . MIT Technology Review . Архивировано из оригинального 20 февраля 2016 года . Проверено 14 марта 2018 .
  13. ^ KING, RR, et al., Appl. Phys. Письма 90 (2007) 183516.
  14. ^ "Модуль SunPower e20" . 25 июля 2014 г.
  15. ^ "Фотоэлектрический модуль HIT®" (PDF) . Sanyo / Panasonic . Проверено 25 ноября +2016 .
  16. ^ «Повышение эффективности солнечных батарей» . Индус. 24 октября 2013 . Проверено 24 октября 2013 года .
  17. ^ "Микроинверторы для жилых солнечных батарей" . Дата обращения 10 мая 2017 .
  18. ^ Photovoltaics отчет, Fraunhofer ISE, 28 июля 2014 , стр 18,19
  19. ^ «Рекламный проспект серии REC Alpha Black» (PDF) .
  20. ^ "TSM PC / PM14 Datasheet" (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 29 октября 2013 года . Проверено 4 июня 2012 года .
  21. ^ "Лист данных LBS Poly 260 275" (PDF) . Проверено 9 января 2018 .
  22. ^ «Влияют ли солнечные панели на погоду? - Информация об энергии» . Информационная энергия . Проверено 14 марта 2018 .
  23. ^ «Solarplaza, потенциально индуцированная деградация: борьба с фантомной угрозой» . www.solarplaza.com . Проверено 4 сентября 2017 года .
  24. ^ (www.inspire.cz), INSPIRE CZ sro «Что такое PID? - eicero» . eicero.com . Проверено 4 сентября 2017 года .
  25. ^ «Как работают солнечные элементы» . HowStuffWorks . Апрель 2000 . Дата обращения 9 декабря 2015 .
  26. ^ «Связь в металлах и полупроводниках» . 2012books.lardbucket.org . Дата обращения 9 декабря 2015 .
  27. ^ Кроуфорд, Майк (октябрь 2012 г.). «Самоочищающиеся солнечные панели повышают эффективность» . Американское общество инженеров-механиков . ASME . Проверено 15 сентября 2014 года .
  28. ^ а б Ильзе К., Мичели Л., Фиггис Б. В., Ланге К., Дасслер Д., Ханифи Х., Вольфертштеттер Ф., Науманн В., Хагендорф С., Готтшальг Р., Багдан Дж. (2019). «Технико-экономическая оценка потерь от загрязнения и стратегии смягчения последствий для солнечной энергетики» . Джоуль . 3 (10): 2303–2321. DOI : 10.1016 / j.joule.2019.08.019 .
  29. ^ Patringenaru Иоана (август 2013). «Очистка солнечных панелей, зачастую не стоит затрат, инженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего находят» . Центр новостей Калифорнийского университета в Сан-Диего . Центр новостей Калифорнийского университета в Сан-Диего . Дата обращения 31 мая 2015 .
  30. ^ Лиза Крюгер "Обзор программы сбора и переработки модулей First Solar" (PDF) . Брукхейвенская национальная лаборатория с. 23 . Проверено 17 марта 2017 года .
  31. ^ Вамбах, К. "Схема добровольного возврата и промышленной переработки фотоэлектрических модулей" (PDF) . Брукхейвенская национальная лаборатория с. 37 . Проверено 17 марта 2017 года .
  32. ^ Синтия, Latunussa (9 октября 2015). «Солнечные панели можно перерабатывать - BetterWorldSolutions - Нидерланды» . BetterWorldSolutions - Нидерланды . Проверено 29 апреля 2018 года .
  33. ^ Латунусса, Синтия EL; Арденте, Фульвио; Бленджини, Джан Андреа; Манчини, Лючия (2016). «Оценка жизненного цикла инновационного процесса переработки кристаллических кремниевых фотоэлектрических панелей» . Материалы солнечной энергии и солнечные элементы . 156 : 101–11. DOI : 10.1016 / j.solmat.2016.03.020 .
  34. ^ Вамбах. 1999. с. 17
  35. ^ Крюгер. 1999. с. 23
  36. ^ Вамбах. 1999. с. 23
  37. ^ Сону Мишра (21 декабря 2017). «Усовершенствованная технология улавливания излучения с использованием недорогого алюминиевого плоского пластинчатого отражателя. Анализ характеристик солнечных фотоэлектрических модулей» 2017 2-я Международная конференция по конвергенции технологий (I2CT) . С. 416–420. DOI : 10.1109 / I2CT.2017.8226163 . ISBN 978-1-5090-4307-1.
  38. ^ "Первый прорыв в переработке солнечных фотоэлектрических модулей, говорят эксперты" . Европейская ассоциация фотоэлектрической промышленности . Архивировано из оригинального 12 мая 2013 года . Проверено 1 января 2011 года .
  39. ^ "3-я Международная конференция по переработке фотоэлектрических модулей" . PV CYCLE. Архивировано из оригинального 10 декабря 2012 года . Проверено 1 октября 2012 года .
  40. ↑ Стоун, Мэдди (22 августа 2020 г.). «Солнечные батареи начинают умирать, оставляя после себя токсичный мусор» . Проверено 2 сентября 2020 г. - через Wired.com.
  41. Рианна Харфорд, Тим (11 сентября 2019 г.). «Может ли солнечная энергия встряхнуть энергетический рынок?» . Проверено 24 октября 2019 года .
  42. ^ «LONGi: Кто они и почему мы их используем» . Pulse Solar . 5 августа 2020.
  43. ^ "Отчет о солнечной электростанции" .
  44. ^ «LONGi: Кто они и почему мы их используем» . Pulse Solar . Проверено 18 июня 2020 .
  45. ^ "Как работают солнечные батареи?" . Коммерческая солнечная Австралия . 5 сентября 2020.
  46. ^ «Грандиозные задачи делают солнечную энергию экономичной» . www.engineeringchallenges.org .
  47. ^ "Пресс-релиз SolarCity" . 2 октября 2015 . Проверено 20 апреля 2017 года .
  48. ^ Giges, Нэнси (апрель 2014). «Повышение эффективности солнечных батарей» . ASME.org . Проверено 9 сентября 2018 года .
  49. ^ «Топ-10 поставщиков солнечных модулей в 2018 году» . PV Tech . Проверено 24 октября 2019 года .
  50. ^ «Закон Свонсона и создание солнечной шкалы США, подобной Германии» . Greentech Media . 24 ноября 2014 г.
  51. ^ a b c Морган Базилиана; и другие. (17 мая 2012 г.). Пересмотр экономики фотоэлектрической энергии . ООН-Энергия (Отчет). Объединенные Нации. Архивировано из оригинального 16 мая 2016 года . Проверено 20 ноября 2012 года .
  52. ^ ENF Ltd. (8 января 2013). "Небольшие китайские производители солнечной энергии уничтожены в 2012 году | Деловые новости о солнечных батареях | Справочник компаний ENF" . Enfsolar.com . Проверено 29 августа 2013 года .
  53. ^ Использование света . Национальный исследовательский совет. 1997. стр. 162. DOI : 10,17226 / 5954 . ISBN 978-0-309-05991-6.
  54. ^ Фармер, Дж. Дойн; Лафонд, Франсуа (2016). «Насколько предсказуемо технический прогресс?». Политика исследований . 45 (3): 647–65. arXiv : 1502.05274 . DOI : 10.1016 / j.respol.2015.11.001 .
  55. Перейти ↑ MacDonald, AE, Clack, CT, Alexander, A., Dunbar, A., Wilczak, J., & Xie, Y. (2016). Будущие конкурентоспособные по стоимости электроэнергетические системы и их влияние на выбросы CO 2 в США. Изменение климата природы , 6 (5), 526.
  56. Перейти ↑ MacDonald, AE, Clack, CT, Alexander, A., Dunbar, A., Wilczak, J., & Xie, Y. (2016). Будущие конкурентоспособные по стоимости электроэнергетические системы и их влияние на выбросы CO 2 в США. Изменение климата природы , 6 (5), 526.
  57. ^ «Солнечные фотоэлектрические установки, конкурирующие в энергетическом секторе - на пути к конкурентоспособности» (PDF) . EPIA. Архивировано из оригинального (PDF) 26 февраля 2013 года . Проверено 1 августа 2012 года .
  58. ^ SolarProfessional.com Наземные фотоэлектрические стеллажи, март 2013 г.
  59. ↑ Департамент энергетики штата Массачусетс, наземные солнечные фотоэлектрические системы , декабрь 2012 г.
  60. ^ «Руководство по проектированию и установке фотоэлектрических систем» . ecodiy.org . Проверено 26 июля 2011 года .
  61. ^ Шинглтон, Дж. « Одноосные трекеры - повышенная надежность, долговечность, производительность и снижение затрат» (PDF) . Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии . Проверено 30 декабря 2012 года .
  62. ^ Mousazadeh, Хоссейн; и другие. «Обзор принципов и методов отслеживания солнца для максимизации» (PDF) . Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики 13 (2009) 1800–1818 . Эльзевир . Проверено 30 декабря 2012 года .
  63. ^ "Оптимальный наклон солнечных панелей" . MACS Lab . Проверено 19 октября 2014 года .
  64. ↑ Перри, Кейт (28 июля 2014 г.). «Большинство солнечных панелей смотрят не в ту сторону, - говорят ученые» . Дейли телеграф . Проверено 9 сентября 2018 года .
  65. ^ Миллер, Венди; Лю, Аарон; Амин, Закария; Вагнер, Андреас (2018). «Качество электроэнергии и домохозяйства с фотоэлектрическими элементами на крышах: изучение данных измерений в точке подключения потребителей» . Устойчивость . 10 (4): 1224. DOI : 10,3390 / su10041224 .
  66. ↑ Мартин, Крис (10 октября 2019 г.). «Калифорнийцы узнают, что солнечные батареи не работают при отключениях электроэнергии» . Блумберг . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Bloomberg LP.
  67. ^ Л. Лю, В. Миллер и Г. Ледвич. (2017) Решения по снижению затрат на электроэнергию объектов. Австралийская программа старения. 39-40. Доступно: https://www.australianageingagenda.com.au/2017/10/27/solutions-reduding-facility-electricity-costs/
  68. ^ Миллер, Венди; Лю, Лэй Аарон; Амин, Закария; Грей, Мэтью (2018). «Вовлечение жильцов в модернизацию жилья с использованием солнечной энергии с нулевым потреблением энергии: тематическое исследование в субтропиках Австралии». Солнечная энергия . 159 : 390–404. Bibcode : 2018SoEn..159..390M . DOI : 10.1016 / j.solener.2017.10.008 .