Przejdź do treści

Jaka jest sprawność paneli fotowoltaicznych?

Ryszard Jesionowski:

sprawność paneli fotowoltaicznych

W ostatnich latach technologia paneli fotowoltaicznych umożliwiła szybki wzrost sprawności ogniw, mocy oraz ogólnej jakości paneli fotowoltaicznych. Obecnie, moduły fotowoltaiczne osiągają sprawności przekraczające 20% – 21%, w porównaniu do jeszcze niedawno uzyskiwanych 15% – 17%. Oprócz tego, posiadają 12-letnie lub dłuższe gwarancje, aby móc montować instalacje PV z większym zaufaniem.

Warto wiedzieć przed dokonaniem zakupu, co wpływa na sprawność paneli fotowoltaicznych, tak aby inwestycja w fotowoltaikę wygenerowała jak najwięcej energii elektrycznej i w ostatecznym rachunku jak najszybciej się spłaciła.

  1. Co to jest sprawność paneli fotowoltaicznych?
  2. Jaka jest sprawność paneli fotowoltaicznych?
  3. Sprawność paneli fotowoltaicznych ranking
  4. Co wpływa na sprawność paneli fotowoltaicznych
  5. Wzór na sprawność paneli fotowoltaicznych
  6. Podsumowanie



Co to jest sprawność paneli fotowoltaicznych?

Sprawność paneli fotowoltaicznych jest miarą ich zdolności do przekształcania promieniowania słonecznego w prąd elektryczny. Na przykład, gdy słońce świeci na moduł fotowoltaiczny o sprawności 20%, to 20% energii promieniowania słonecznego zostanie przekształcone w prąd z fotowoltaiki. Taka sama ilość światła słonecznego, padająca w tym samym czasie na dwa panele fotowoltaiczne o różnych współczynnikach sprawności, spowoduje, iż moduł o wyższej sprawności wyprodukuje więcej prądu niż moduł o niższej sprawności.

Współczynnik sprawności modułu fotowoltaicznego, określa jaką moc osiągnie moduł z jednego metra kwadratowego powierzchni, przy określonym natężeniu promieniowania słonecznego. Sprawność zmienia się wraz z warunkami atmosferycznymi, dlatego dla modułu fotowoltaicznego ustala się ją dla warunków STC – taką wartość można znaleźć w karcie katalogowej. Warunki STC można uzyskać w bardzo słoneczny i chłodny dzień – wówczas panele pracują z mocą i sprawnością znamionową.

Jaka jest sprawność paneli fotowoltaicznych?

Obecnie, większość paneli fotowoltaicznych charakteryzuje się sprawnością pomiędzy 17% a 21%, choć zdarzają się wyjątki. Panele o wysokiej sprawności mogą osiągać 22%, ale większość modułów nie przekracza 21%. Trzeba przy tym dodać, iż panele o wysokiej sprawności kosztują na ogół więcej, mogą jednak wyprodukować więcej prądu. Ma to jednak na ogół jedynie wówczas znaczenie, gdy dysponujemy ograniczoną powierzchnią na dachu do montażu paneli.

zmiana sprawności ogniw fotowoltaicznych w latach 1975 - 2023
Zmiana sprawności krzemowych ogniw fotowoltaicznych na przestrzeni lat. Źródło: NREL
W dolnej części pokazano wzrost sprawności modułów PV dostępnych w seryjnej produkcji. Moc obliczona dla wymiarów 1,7m x 1m, 1000 W/m2

Na powyższym wykresie można zobaczyć zmianę sprawności ogniw z krzemu krystalicznego uzyskaną w warunkach laboratoryjnych. Sprawność modułów PV produkowanych seryjnie różni się od sprawności uzyskanej w laboratorium.

Wykres przedstawia sprawność ogniw fotowoltaicznych, która jest zawsze większa od sprawności modułu fotowoltaicznego. Jednym z powodów jest to, że ogniwa nie pokrywają całej powierzchni modułu, widoczne jest to w postaci podłużnych jasnych pasm (pasma nie są widoczne w modułach full black, gdzie podłoże jest ciemne).

Oprócz tego, nie ma dwóch identycznych ogniw fotowoltaicznych. Łącząc ogniwa szeregowo może wystąpić minimalne niedopasowanie prądowe – wystarczy jedno ogniwo, które będzie przewodzić nieco mniejszy prąd i pozostałe ogniwa będą ograniczone przez jedno słabsze.

Sprawność paneli fotowoltaicznych ranking

Firmy konkurują o uzyskanie modułów fotowoltaicznych o jak najwyższej sprawności. Po pierwsze dlatego, że wyższa sprawność oznacza wyższą moc modułu, a wyższa moc to wyższa cena. Po drugie, zdolność do wytworzenia produktu przewyższającego konkurencję świadczy o potencjale technologicznym i może być dobrym wskaźnikiem solidności firmy.

W ostatnich latach postępy we wzrostach sprawności są znaczące, przekraczające nawet 0,5 punktu procentowego rocznie. Jak widać w poniższym zestawieniu, z najwyższych pozycji wypadły ogniwa w technologii PERC, zastąpiły je przede wszystkim ogniwa TOPCon oraz HJT, wszystkie wykonywane w technologii ogniw połówkowych. Technologia IBC opatentowana przez SunPower, która przez wiele lat pozwalała utrzymać znaczną przewagę nad konkurentami, obecnie już takiej przewagi nie daje.

Poniżej zestawienie paneli fotowoltaicznych o największych sprawnościach (zestawienie zawiera zarówno moduły jednostronne jak i dwustronne):

ProducentSprawnośćMocOgniwoGwarancja
1Sunpower Maxecon 6 AC22,8%440WIBC40 lat
2LONGi Hi-Mo 6 Scientist22,8%590WHPBC25 lat
3Jinko Tiger Neo22,65%585WTOPCon12 lat
4Jolywood Niwa Light22,53%440WTOPCon25 lat
5JA Solar Deep Blue 4.022,5%580WTOPCon12 lat
6TW Solar MND-7222,5%580WTOPCon12 lat
7Canadian Solar HiHero22,5%440WHJT25 lat

Coraz częściej długość gwarancji przekracza dotychczas standardowe 12 lat i zaczyna osiągać 25 lat a w przypadku SunPower nawet 40 lat (pytanie, która firma będzie tak długo istnieć).

Kiedy warto montować panele o wysokiej sprawności

Sprawność modułu jest odzwierciedlona w jego mocy. Gdy mamy dwa moduły o mocy 400W, a jeden z nich ma większą sprawność, to nie musi oznaczać, iż wyprodukuje on więcej energii – ma mniejsze rozmiary, ale niekoniecznie większą produkcję prądu.

Jeśli celem jest maksymalizacja produkcji energii elektrycznej (w ramach dopuszczalnych limitów w systemie rozliczeń net-billing, których przekroczenie nie przynosi żadnych korzyści finansowych) a dysponujesz ograniczoną powierzchnią na dachu, warto rozważyć moduły o wysokiej sprawności, pomimo ich wysokiej ceny.

Dla osoby, która posiada duży niezacieniony dach, lub duże powierzchnie dostępnych gruntów, sprawność ma marginalne znaczenie. Jednak gdy dostępna powierzchnia jest ograniczona, wówczas sprawność może mieć znaczenie:

  1. Wyższa sprawność pozwoli na zwiększenie mocy instalacji fotowoltaicznej. Na przykład zamiast 15 kWp, można będzie zamontować 17 kWp lub 18 kWp.
  2. Wyższa sprawność pozwoli lepiej wykorzystać dostępną powierzchnię. Gdy na dachu występują częściowe zacienienia, np. od drzew czy kominów, zastosowanie modułów o wyższej sprawności może zapobiec przed ich montażem w zacienionych miejscach.
  3. Wyższa sprawność paneli PV może pozwolić zmniejszyć obciążenie dachu, lub pozostawić wolną powierzchnię pod ewentualną rozbudowę w przyszłości. Może to dotyczyć również przestrzeni technicznej: dostęp dla kominiarza, do odśnieżania czy zachowania odstępu od drutu odgromowego.

Panele fotowoltaiczne o wysokiej sprawności kosztują na ogół więcej niż ich słabsze odpowiedniki. Warto przekalkulować, czy różnica w koszcie inwestycji jest uzasadniona oszczędnościami na rachunkach za prąd, w wyniku zwiększonej produkcji prądu. Zwiększona produkcja energii elektrycznej z fotowoltaiki oznacza większą sprzedaż prądu z fotowoltaiki w systemie net-billing oraz na ogół zmniejszoną rentowność inwestycji (głównie z powodu mniejszej autokonsumpcji).

Co wpływa na sprawność paneli fotowoltaicznych

Nie całe promieniowanie słoneczne jest przekształcane w energię elektryczną. W rzeczywistości, większość jest tracona. Wiele czynników w konstrukcji ogniwa fotowoltaicznego ma na to wpływ i są to:

Długość fali światła

jak długość fali światła wpływa na sprawność paneli fotowoltaicznych
Spektrum światła: od ultrafioletu (najkrótsze fale) do podczerwieni (najdłuższe fale)

Krzemowe moduły fotowoltaiczne w największym stopniu wykorzystują widzialny zakres promieniowania słonecznego, oraz w mniejszym stopniu, krótsze promieniowanie podczerwone. Fale podczerwone o większej długości, przenoszą zbyt mało energii, są zbyt długie, aby spowodować przemieszczenie elektronów w ogniwie (przepływ elektronów to przepływ prądu).

Na przeciwnym krańcu skali, na którym znajduje się promieniowanie ultrafioletowe, również ono ma bardzo ograniczone zastosowanie. 95% promieniowania ultrafioletowego ma zbyt małą długość fali i również nie spowoduje przepływu elektronów.

Powyższe zjawiska, oraz to, że nawet w zakresie światła widzialnego (szczególnie światła niebieskiego), nie można wykorzystać całej energii światła, powoduje, iż ponad 50% energii promieniowania słonecznego jest tracona.

Temperatura

Ogniwa fotowoltaiczne pracują najlepiej w niskich temperaturach. Część energii słonecznej, która nie zostanie zamieniona na prąd, ulega rozproszeniu i zamienia się w ciepło. Wraz ze wzrostem temperatury ogniwa, ulega zmniejszeniu jego sprawność.

fotowoltaika a temperatura
Zmiana mocy ogniwa PV w funkcji temperatury

Na wykresie pokazano zmianę mocy ogniwa fotowoltaicznego (nie temperaturę otoczenia – temperatura otoczenia może być o kilkanaście lub więcej stopni niższa od temperatury ogniwa) w zależności od temperatury. Latem, na rozgrzanym dachu, moduły mogą nagrzewać się do bardzo wysokich temperatur, co zmniejsza ich moc nawet o ponad 20%.

Parametrem, który określa wpływ zmian temperatury na sprawność mocułu fotowoltaicznego jest temperaturowy współczynnik mocy.

Odbicie światła

Sprawność ogniwa fotowoltaicznego można zwiększyć poprzez zmniejszenie ilości światła odbitego od powierzchni ogniwa. Na przykład, niewytrawiony krzem odbija ponad 30% padającego światła. Powłoki anty-refleksyjne oraz chropowate powierzchnie pomagają zmniejszyć odbicie. Wysokosprawne ogniwo będzie miało ciemnoniebieską lub czarną barwę.

Zjawisko rekombinacji

Aby energia elektryczna popłynęła przez półprzewodnik, nośnik ładunku elektrycznego, taki jak ujemnie naładowany elektron, musi przemieścić się w ogniwie. Innym nośnikiem ładunku są tzw. “dziury”, które reprezentują brak elektronu w materiale i są nośnikami dodatnimi.

Gdy elektron natrafi na dziurę, może dojść do tzw. rekombinacji i wówczas nie zostanie wytworzona energia elektryczna. Bezpośrednia rekombinacja, podczas której wytworzone przez światło elektrony i dziury łączą się, rekombinują i emitują foton, odwraca proces który umożliwia powstanie energii elektrycznej w ogniwie fotowoltaicznym. Jest to jeden z podstawowych czynników ograniczających sprawność ogniw fotowoltaicznych.

Aby ograniczyć zjawisko rekombinacji, do ogniw wprowadza się warstwy pasywacyjne. Warstwa pasywacyjna to dodatkowy materiał wprowadzony do ogniwa, zapobiegający przedwczesnemu połączeniu się elektronów i dziur.

Sprawność paneli fotowoltaicznych wzór

gdzie znaleźć sprawność panela fotowoltaicznego na karcie katalogowej
Fragment karty katalogowej modułu PV z danymi dot. sprawności

Sprawność paneli fotowoltaicznych można policzyć dzieląc moc panelu przez jego powierzchnię oraz natężenie promieniowania słonecznego i mnożąc razy 100. Natężenie promieniowania słonecznego odnosi się do ilości światła, jakie świeci na powierzchnię ziemi w okolicach Twojego domu w danym momencie. Panele fotowoltaiczne są testowane przy natężeniu 1.000 watów na metr kwadratowy.

Na przykład, powiedzmy, że chcesz policzyć sprawność modułu o mocy 400W. Powierzchnia wynosi 2 metry kwadratowe, a warunki pomiaru STC (standardowe warunki testowe), czyli natężenie promieniowania słonecznego wynosi 2.000 watów. Dzieląc 2.000 watów przez moc modułu 400 watów i mnożąc razy 100, uzyskujemy sprawność 20%:

400 watów mocy / (1.000 watów na metr kwadratowy x 2 metry kwadratowe) = 20% sprawność panelu fotowoltaicznego.

Podsumowanie

  • Panele fotowoltaiczne o największej sprawności osiągają obecnie niemal 23% sprawności.
  • Sprawność modułu fotowoltaicznego to ilość promieniowania słonecznego jaką moduł może zamienić na energię elektryczną.
  • W warunkach laboratoryjnych udało się osiągnąć sprawność ogniwa fotowoltaicznego w wysokości 47,6%.


Może Cię zainteresować