Sprawność paneli fotowoltaicznych – ile wynosi i co oznacza?

Sprawność paneli fotowoltaicznych to miara zdolności przekształcania światła słonecznego w energię elektryczną do zasilania domu. Panele fotowoltaiczne o najwyższej sprawności mogą zamienić większą ilość światła słonecznego w energię elektryczną. Innymi słowy, generują więcej kilowatogodzin (kWh) z powierzchni metra kwadratowego w porównaniu do paneli fotowoltaicznych o niższej sprawności.

W tym artykule omówimy co wpływa na sprawność paneli fotowoltaicznych, kiedy sprawność może mieć znaczenie, a także, prezentujemy najnowszy ranking sprawności modułów PV oraz ranking najmocniejszych paneli fotowoltaicznych.

Co to jest sprawność paneli fotowoltaicznych?

Jak już wyjaśniliśmy, 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%, wówczas 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 PV o wyższej sprawności wyprodukuje więcej prądu niż moduł o niższej sprawności.

Trzeba tutaj odróżnić sprawność paneli fotowoltaicznych od ich wydajności. Wydajność paneli fotowoltaicznych to ilość energii elektrycznej, jaką moduł PV może wyprodukować z 1 kWp (kilowatopika).

Większość dostępnych na rynku modułów fotowoltaicznych ma sprawność poniżej 23%, przy średnich wartościach w zakresie od 18% do 21%. Najwyższa sprawność paneli fotowoltaicznych produkowanych seryjnie przekracza obecnie 24% – zobacz zestawienie poniżej.

Liczby te mogą wydawać się niskie, ale należy pamiętać, że ogniwa fotowoltaiczne wykorzystują darmową energię – światło słoneczne. Elektrownie zasilane paliwami kopalnymi mogą osiągać sprawność na poziomie około 60%, ale uzyskiwana energia nie jest darmowa i powoduje zanieczyszczenia powietrza.

Sprawność paneli fotowoltaicznych zależy od sprawności ogniw PV oraz od budowy i rozmiaru modułu PV.

Sprawność ogniw fotowoltaicznych

Mówiąc o sprawności ogniw fotowoltaicznych, mamy na myśli ilość światła słonecznego, która dociera do panelu PV i jest przekształcana w energię elektryczną. Panel fotowoltaiczny jest tak wydajny, jak jego najsłabszy element: ogniwo fotowoltaiczne. Ogniwa PV wykonane z krzemu pochłaniają fotony i przekształcają je w energię elektryczną.

Nie wszystkie fotony są jednak pochłaniane: w zależności od długości fali światła padającego na ogniwo, niektóre fotony są odbijane, inne przechodzą przez ogniwo bez zamiany na prąd, a jeszcze inne są zamieniane na ciepło. Pozostałe fotony są w stanie przekształcić światło słoneczne w prąd elektryczny.

Należy dodatkowo odróżnić sprawność paneli fotowoltaicznych od sprawności instalacji fotowoltaicznej.

Sprawność paneli fotowoltaicznych a sprawność instalacji fotowoltaicznej

Sprawność pojedynczego modułu fotowoltaicznego nie jest taka sama jak sprawność całej instalacji fotowoltaicznej. Podobnie jak w przypadku klasycznej instalacji elektrycznej, pewna niewielka część energii elektrycznej jest tracona w okablowaniu. Instalacje fotowoltaiczne składają się dodatkowo z falowników, które przekształcają prąd stały z modułów PV w prąd przemienny potrzebny do zasilania urządzeń domowych. Najlepsze falowniki do fotowoltaiki osiągają sprawność przekraczającą 97%, co oznacza dodatkowe straty podczas przekształcania prądu stałego w przemienny.

Ze względu na straty związane z okablowaniem i przekształcaniem energii promieniowania słonecznego w elektryczną, sprawność paneli fotowoltaicznych zawsze będzie wyższa niż sprawność całej instalacji PV. Na przykład, domowa instalacja PV z panelami o sprawności 22% może osiągać sprawność instalacji w wysokości 19%.

Rodzaje paneli fotowoltaicznych a sprawność

Istnieje powszechne błędne przekonanie, że sprawność paneli fotowoltaicznych jest równoznaczna z ich jakością. Sprawność to jednak po prostu parametr, podobnie jak moc czy wymiary modułu PV, i można spotkać wysokiej jakości panele PV o różnych sprawnościach.

Głównym czynnikiem decydującym o efektywności paneli fotowoltaicznych są ogniwa PV, z których moduł został wykonany. Poniżej szacunkowa sprawność ogniw fotowoltaicznych produkowanych seryjnie:

• PERC – 23,7% (moduły PERC produkowane seryjnie osiągają sprawność maks. 21,7%),
• TOPCon – 25,2% (sprawność ogniwa TOPCon uzyskana w warunkach laboratoryjnych wynosi obecnie 27,3%),
• HJT – 25,8% (sprawność ogniwa HJT uzyskana w laboratorium osiągnęła 27,4%),
• IBC – 26,5%.

Wzrost sprawności ogniw fotowoltaicznych od 2001 r. przedstawiono na wykresie poniżej:

Główną korzyścią osiągnięcia najwyższej sprawności paneli fotowoltaicznych jest uzyskiwanie większej ilości energii elektrycznej z mniejszej powierzchni. Takie moduły solarne są jednak na ogół droższe. Jeśli masz dużo miejsca na dachu, montaż większej liczby paneli PV o mniejszej efektywności jest również dobrym rozwiązaniem.

Sprawność paneli fotowoltaicznych ranking

Firmy rywalizują między sobą chcąc uzyskać najwyższą sprawność paneli fotowoltaicznych. Po pierwsze dlatego, że najwyższa sprawność może oznaczać najwyższą moc modułu, a im większa moc tym większa cena. Po drugie, zdolność do wytworzenia produktu przewyższającego konkurencję świadczy o potencjale technologicznym i może być dobrym wskaźnikiem solidności firmy.

Poniżej zestawienie dostępnych w sprzedaży paneli fotowoltaicznych o największej sprawności (zestawienie zawiera zarówno moduły jednostronne jak i dwustronne):

Technologie ogniw fotowoltaicznych:

IBC (interdigitated-back-contact) – brak metalowych pasków (szyn prądowych) na przedniej części modułu fotowoltaicznego, całość połączeń pomiędzy ogniwami przeniesiona na tylną część, dzięki czemu można efektywniej wykorzystać przednią część,

ABC (all-back-contact) – odmiana IBC, połączenia przeniesione na tylną część ogniwa

HPBC (hybrid passivated back contact) – odmiana technologii IBC

HJT (heterojunction technology) – ogniwo fotowoltaiczne wykonane z połączenia krzemu monokrystalicznego i amorficznej cienkiej warstwy krzemowej; dla porównania klasyczne ogniwo fotowoltaiczne w najpopularniejszych krzemowych panelach fotowoltaicznych wykonane jest z materiału jednorodnego,

TOPcon (tunnel oxide passivated contact) – ogniwa TOPCon posiadają dodatkową warstwę zwiększającą przewodność, bezpośredni następca dominującej przez wiele lat technologii PERC.

Kiedy sprawność paneli fotowoltaicznych ma znaczenie?

Chociaż panele fotowoltaiczne o najwyższej sprawności są droższe, oferują one szereg korzyści. Oto kilka z nich.

Lepsze wykorzystanie powierzchni dachu

Ponieważ moduły o najwyższej sprawności przekształcają większy procent światła słonecznego w energię elektryczną, pozwalają one na bardziej efektywne wykorzystanie przestrzeni dachowej. Na przykład, panele o sprawności 20%, w porównaniu do paneli o sprawności 10%, mogą wyprodukować dwa razy więcej energii elektrycznej na metr kwadratowy. Innymi słowy, wzrasta efektywność paneli fotowoltaicznych przez co wytwarzają więcej energii przy użyciu mniejszej liczby paneli.

Wyższa sprawność paneli fotowoltaicznych pozwoli 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 najwyższej sprawności umożliwiają również lepsze wykorzystanie dostępnej powierzchni. Gdy na dachu występują częściowe zacienienia, np. od drzew czy kominów, zastosowanie modułów o najwyższej sprawności może zapobiec przed ich montażem w zacienionych miejscach.

Ograniczony wpływ wysokiej temperatury

Wszystkie moduły fotowoltaiczne doświadczają niewielkiej utraty mocy, gdy się nagrzewają. Efekt ten jest tymczasowy – panele odzyskują utraconą sprawność gdy temperatura spadnie. Jeśli jednak moduły solarne są stale narażone na działanie wysokich temperatur, utrata sprawności może być odczuwalna. W rezultacie wysokie temperatury mogą powodować spadek sprawność paneli fotowoltaicznych o 10% do kilkunastu procent.

Jednym z parametrów modułów solarnych jest parametr zwany współczynnikiem temperaturowym, który opisuje wpływ zmian temperatury na sprawność paneli PV. Na przykład moduł o współczynniku -0,40% straci 8% mocy przy wzroście temperatury o 20°C.

Na wykresie widać zmianę mocy ogniwa fotowoltaicznego w zależności od temperatury ogniwa (nie temperatury otoczenia – temperatura otoczenia może być o kilkanaście lub więcej stopni wyższa od temperatury ogniwa).

Żółta linia (ogniwa typu n, np. TOPCon lub HJT) charakteryzuje się najmniejszym wpływem zmian temperatury na sprawność paneli fotowoltaicznych – na rozgrzanym dachu ubytek mocy modułu PV wyniesie ok. 18% w porównaniu do temperatury 25 stopni Celsjusza.

Niebieska linia (moduły polikrystaliczne), mogą doświadczyć utraty mocy w wysokiej temperaturze nawet o 25%.

Jak zwiększyć efektywność paneli fotowoltaicznych

Istnieje kilka sposobów, aby zwiększyć efektywność paneli fotowoltaicznych.

Upewnij się, że panele nie są zabrudzone

Ogniwa fotowoltaiczne mogą generować energię elektryczną tylko wtedy, gdy światło dociera do ich powierzchni. Jeśli więc na powierzchni paneli PV gromadzi się kurz i inne zabrudzenia, do ogniw fotowoltaicznych dociera mniej światła słonecznego, a produkcja energii elektrycznej spada. Generalnie, w Polsce na ogół nie ma potrzeby regularnego mycia modułów solarnych ze względu na regularne opady deszczu i śniegu, jednak jeżeli w pobliżu jest wysokie drzewo i na modułach zalegają od dłuższego czasu liście, lepiej je usunąć.

Unikaj montażu modułów PV w zacienionych miejscach

Zacienienie może znacznie obniżyć sprawność paneli słonecznych. Ponieważ ogniwa fotowoltaiczne w module PV są połączone szeregowo, pojedyncze zacienione ogniwo może obniżyć efektywność wszystkich pozostałych. Jeśli panele fotowoltaiczne są połączone w łańcuchy, pojedynczy zacieniony panel może zmniejszyć produkcję energii elektrycznej całego układu, szczególnie jeżeli falownik nie posiada tzw. algorytmu wyszukiwania mocy maksymalnej zwanego globalnym MPPT (a sporo falowników nie posiada – mogą wyszukiwać jedynie lokalny punkt mocy maksymalnej).

Unikanie zacienienia podczas pracy modułów solarnych może stanowić wyzwanie. Ponieważ pozycja słońca na niebie stale się zmienia, zacienienie również nieustannie się przemieszcza. Obszar, który rano wydaje się idealny dla paneli fotowoltaicznych, po południu może być całkowicie zacieniony.

Profesjonalny instalator fotowoltaiki może pomóc w znalezieniu najlepszego miejsca dla instalacji PV. Firmy instalatorskie wykorzystują oprogramowanie do analizy warunków zacienienia w danym miejscu przez cały rok i mogą określić idealne miejsce dla montażu modułów fotowoltaicznych.

Sprawność paneli fotowoltaicznych po 10 latach

Sprawność paneli fotowoltaicznych po 10 latach wynosi od 90% do 95% sprawności (mocy) nowych paneli PV, w zależności od zastosowanej technologii. Najwyższą sprawność po 10 latach uzyskują panele TOPCon i HJT, nieco mniejszą moduły PERC.

W pierwszym roku następuje utrata 1% do 2% mocy modułu fotowoltaicznego, a w kolejnych latach od 0,35% do 0,55% mocy panelu fotowoltaicznego. Po 10 latach moc spada o 5% do 10% w stosunku do mocy katalogowej.

Sprawność paneli fotowoltaicznych wzór

Sprawność paneli fotowoltaicznych zmienia się wraz z warunkami atmosferycznymi, dlatego dla modułu fotowoltaicznego ustala się ją dla warunków STC (Standard Test Conditions – standardowe warunki testowe) – taką wartość można znaleźć w karcie katalogowej. Warunki STC można uzyskać w bardzo słoneczny i chłodny dzień – wówczas panele pracują z mocą i sprawnością taką jaka jest wpisana do karty katalogowej.

Sprawność panelu fotowoltaicznego można znaleźć w karcie produktu:

Jeżeli jednak chcemy to policzyć samodzielnie, poniżej pokażemy wzór na sprawność paneli fotowoltaicznych.

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% – poniżej wzór na sprawność paneli fotowoltaicznych:

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

Najmocniejsze panele fotowoltaiczne

Poniżej zestawienie najmocniejszych paneli fotowoltaicznych, które zostały oficjalnie zaprezentowane i potwierdzone przez niezależne laboratoria. Nie wszystkie najmocniejsze panele fotowoltaiczne są już dostępne w sprzedaży:

Producent	Model	Moc	Sprawność	Ogniwo
	Himalaya G12	750 W	24,16%	HJT
	Vertex N	740 W	22,5%	TOPCon
	Hyper-Ion	740 W	23,89%	HJT
	iPower 7	720 W	23,2%	HJT
	HiKu 7	720 W	23,2%	TOPCon
	Lynx	720 W	23,2%	TOPCon

Najmocniejsze panele fotowoltaiczne, ze względu na swoje rozmiary nie są przeznaczone do montażu na dachach domów. Na przykład, najmocniejszy panel fotowoltaiczny Risen 740 W ma wymiary 2.384 mm x 1.303 mm x 33 mm i waży 37,5 kg, przez co jest dedykowany do montażu na farmach fotowoltaicznych.

Podsumowanie

• Panele fotowoltaiczne o największej sprawności osiągają obecnie powyżej 24%.
  
• 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%.

Autor: Ryszard Jesionowski