Фотоэлектрическая система , также называемая фотоэлектрической системой или солнечной энергосистемой , представляет собой электроэнергетическую систему, предназначенную для подачи пригодной для использования солнечной энергии с помощью фотоэлектрических элементов . Она состоит из нескольких компонентов, включая солнечные панели для поглощения и преобразования солнечного света в электричество, солнечный инвертор для преобразования выходного сигнала из постоянного в переменный ток , а также монтаж , кабели и другие электрические принадлежности для настройки рабочей системы. Многие фотоэлектрические системы коммунального масштаба используют системы слежения , которые следуют за ежедневным путем солнца по небу, чтобы генерировать больше электроэнергии, чем стационарные системы. [1]
Фотоэлектрические системы преобразуют свет непосредственно в электричество и их не следует путать с другими солнечными технологиями, такими как концентрированная солнечная энергия или солнечная тепловая энергия , используемая для отопления и охлаждения. Солнечная батарея охватывает только солнечные панели, видимую часть фотоэлектрической системы, и не включает все остальное оборудование, часто обобщаемое как баланс системы (BOS). Фотоэлектрические системы варьируются от небольших, монтируемых на крыше или интегрированных в здание систем с мощностью от нескольких до нескольких десятков киловатт до крупных электростанций коммунального масштаба в сотни мегаватт. В настоящее время автономные или автономные системы составляют небольшую часть рынка.
Работая бесшумно и без каких-либо движущихся частей или загрязнения воздуха , фотоэлектрические системы превратились из нишевых рыночных приложений в зрелую технологию, используемую для основного производства электроэнергии. Из-за роста фотоэлектричества цены на фотоэлектрические системы быстро снизились с момента их появления; однако они различаются в зависимости от рынка и размера системы. В настоящее время солнечные фотоэлектрические модули составляют менее половины общей стоимости системы, [2] оставляя остальное на оставшиеся компоненты BOS и мягкие затраты, которые включают привлечение клиентов, получение разрешений, проверку и подключение, монтажную работу и расходы на финансирование. [3] : 14
Фотоэлектрическая система преобразует излучение Солнца в форме света в пригодное для использования электричество . Она включает в себя солнечную батарею и баланс компонентов системы. Фотоэлектрические системы можно классифицировать по различным аспектам, например, подключенные к сети против автономных систем, интегрированные в здание против стоечных систем, жилые против коммунальных систем, распределенные против централизованных систем, крыш против наземных систем, отслеживающие против систем с фиксированным наклоном и новые построенные против модернизированных систем. Другие различия могут включать в себя системы с микроинверторами против центрального инвертора, системы, использующие кристаллический кремний против тонкопленочной технологии и системы с модулями.
Около 99 процентов всех европейских и 90 процентов всех американских солнечных энергосистем подключены к электросети , в то время как автономные системы несколько более распространены в Австралии и Южной Корее. [4] : 14 Фотоэлектрические системы редко используют аккумуляторные батареи. Это может измениться, поскольку внедряются государственные стимулы для распределенного хранения энергии, а инвестиции в решения для хранения постепенно становятся экономически жизнеспособными для небольших систем. [5] [6] В Великобритании количество коммерческих систем, использующих аккумуляторные батареи, постепенно увеличивается в результате ограничений сети, препятствующих возврату неиспользованной электроэнергии в сеть, а также увеличения расходов на электроэнергию, что приводит к улучшению экономики. [7] Типичная жилая солнечная батарея монтируется на стойке на крыше, а не интегрируется в крышу или фасад здания, что значительно дороже. Солнечные электростанции коммунального масштаба монтируются на земле с фиксированными наклонными солнечными панелями, а не используют дорогие устройства слежения. Кристаллический кремний является преобладающим материалом, используемым в 90 процентах производимых во всем мире солнечных модулей, в то время как его конкурент — тонкопленочный — потерял долю рынка. [8] : 17–20 Около 70 процентов всех солнечных элементов и модулей производятся в Китае и на Тайване, и только 5 процентов — европейскими и американскими производителями . [8] : 11–12 Установленная мощность как небольших систем на крышах, так и крупных солнечных электростанций растет быстро и в равных долях, хотя наблюдается заметная тенденция к системам коммунального масштаба, поскольку акцент на новых установках смещается из Европы в более солнечные регионы, такие как Солнечный пояс в США, которые менее враждебно относятся к наземным солнечным фермам, а инвесторы больше подчеркивают экономическую эффективность. [4] : 43
Благодаря достижениям в области технологий и увеличению масштабов производства и сложности, стоимость фотоэлектрических систем постоянно снижается. [9] Существует несколько миллионов фотоэлектрических систем, распределенных по всему миру, в основном в Европе, с 1,4 миллиона систем в одной только Германии [8] : 5 – а также в Северной Америке с 440 000 систем в Соединенных Штатах. [10] Эффективность преобразования энергии обычного солнечного модуля увеличилась с 15 до 20 процентов с 2004 года [8] : 17 , и фотоэлектрическая система окупает энергию, необходимую для ее производства, примерно за 2 года. В исключительно облученных местах или при использовании тонкопленочной технологии так называемый срок окупаемости энергии сокращается до одного года или меньше. [8] : 30–33 Чистый учет и финансовые стимулы, такие как льготные тарифы на электроэнергию, вырабатываемую солнечной энергией, также значительно поддержали установку фотоэлектрических систем во многих странах. [11] Уравновешенная стоимость электроэнергии от крупномасштабных фотоэлектрических систем стала конкурентоспособной по сравнению с традиционными источниками электроэнергии в растущем списке географических регионов, а сетевой паритет был достигнут примерно в 30 странах. [12] [13] [14] [15]
По состоянию на 2015 год быстрорастущий мировой рынок фотоэлектрических систем стремительно приближается к отметке в 200 ГВт, что примерно в 40 раз превышает установленную мощность 2006 года. [16] В настоящее время эти системы обеспечивают около 1 процента от мирового производства электроэнергии. Лидерами по установке фотоэлектрических систем с точки зрения мощности в настоящее время являются Китай, Япония и США, в то время как половина мировой мощности установлена в Европе, а Германия и Италия поставляют от 7% до 8% своего внутреннего потребления электроэнергии с помощью солнечных фотоэлектрических систем. [17] Международное энергетическое агентство ожидает, что солнечная энергия станет крупнейшим в мире источником электроэнергии к 2050 году, при этом солнечная фотоэлектричество и концентрированная солнечная тепловая энергия обеспечат 16% и 11% мирового спроса соответственно. [3]
Система, подключенная к сети, подключена к более крупной независимой сети (обычно к общественной электросети) и подает энергию непосредственно в сеть. Эта энергия может быть разделена жилым или коммерческим зданием до или после точки измерения дохода, в зависимости от того, рассчитывается ли кредитное производство энергии независимо от потребления энергии потребителем ( тариф на подачу ) или только на основе разницы энергии ( чистый учет ). Эти системы различаются по размеру от жилых помещений (2–10 кВт p ) до солнечных электростанций (до десятков МВт p ). Это форма децентрализованной генерации электроэнергии . Подача электроэнергии в сеть требует преобразования постоянного тока в переменный с помощью специального синхронизирующего инвертора сетевой связи . В установках размером с киловатт напряжение системы на стороне постоянного тока максимально допустимо (обычно 1000 В, за исключением жилых помещений США 600 В) для ограничения омических потерь. Большинство модулей (60 или 72 кристаллических кремниевых ячеек) генерируют от 160 Вт до 300 Вт при 36 вольтах. Иногда необходимо или желательно соединить модули частично параллельно, а не все последовательно. Отдельный набор модулей, соединенных последовательно, называется «строкой». [18] Набор последовательно соединенных «строк» называется «массивом».
Фотоэлектрические системы обычно подразделяются на три отдельных сегмента рынка: жилые крыши, коммерческие крыши и наземные коммунальные системы. Их мощность варьируется от нескольких киловатт до сотен мегаватт. Типичная жилая система имеет мощность около 10 киловатт и устанавливается на наклонной крыше, в то время как коммерческие системы могут достигать мегаваттного масштаба и обычно устанавливаются на крышах с небольшим уклоном или даже на плоских крышах. Хотя системы, устанавливаемые на крыше, небольшие и имеют более высокую стоимость за ватт , чем крупные коммунальные установки, они занимают наибольшую долю на рынке. Однако наблюдается растущая тенденция к более крупным коммунальным электростанциям, особенно в регионе «солнечного пояса» планеты. [4] : 43 [19]
Крупные солнечные парки или фермы коммунального масштаба являются электростанциями и способны обеспечивать поставку энергии большому количеству потребителей. Вырабатываемая электроэнергия подается в передающую сеть, питаемую центральными генерирующими установками (подключенная к сети или сетевая установка), или в сочетании с одним или несколькими бытовыми электрогенераторами для подачи в небольшую электрическую сеть (гибридная установка). В редких случаях вырабатываемая электроэнергия хранится или используется непосредственно островной/автономной установкой. [20] [21] Фотоэлектрические системы, как правило, проектируются для обеспечения максимальной выработки энергии при заданных инвестициях. Некоторые крупные фотоэлектрические электростанции, такие как Solar Star , Waldpolenz Solar Park и Topaz Solar Farm, охватывают десятки или сотни гектаров и имеют выходную мощность до сотен мегаватт .
Небольшая фотоэлектрическая система способна обеспечить достаточно электроэнергии переменного тока для питания одного дома или изолированного устройства в виде электроэнергии переменного или постоянного тока. Военные и гражданские спутники наблюдения Земли , уличные фонари , строительные и дорожные знаки, электромобили , палатки на солнечных батареях [22] и электрические самолеты могут содержать интегрированные фотоэлектрические системы для обеспечения основного или вспомогательного источника питания в виде электроэнергии переменного или постоянного тока в зависимости от конструкции и требований к мощности. В 2013 году системы на крышах составляли 60 процентов установок во всем мире. Однако наблюдается тенденция отхода от систем на крышах к системам фотоэлектрических систем коммунального масштаба, поскольку фокус новых установок фотоэлектрических систем также смещается из Европы в страны в солнечном поясе планеты, где сопротивление наземным солнечным фермам менее выражено. [4] : 43 Портативные и мобильные фотоэлектрические системы обеспечивают электроэнергию независимо от подключений к коммунальным сетям для работы «вне сети». Такие системы так часто используются на транспортных средствах для отдыха и лодках, что существуют розничные торговцы, специализирующиеся на этих приложениях и продуктах, специально предназначенных для них. Поскольку транспортные средства для отдыха (RV) обычно везут батареи и работают с освещением и другими системами на номинальном 12-вольтовом постоянном токе, системы RV обычно работают в диапазоне напряжений, который может заряжать 12-вольтовые батареи напрямую, поэтому для добавления фотоэлектрической системы требуются только панели, контроллер заряда и проводка. Солнечные системы на транспортных средствах для отдыха обычно ограничены по мощности физическим размером пространства на крыше RV. [23]
В городских и пригородных районах фотоэлектрические батареи часто используются на крышах для дополнения использования энергии; часто здание будет иметь подключение к электросети , и в этом случае энергия, произведенная фотоэлектрической батареей, может быть продана обратно коммунальному предприятию по своего рода соглашению о чистом измерении . Некоторые коммунальные предприятия используют крыши коммерческих клиентов и телефонные столбы для поддержки использования ими фотоэлектрических панелей. [24] Солнечные деревья — это батареи, которые, как следует из названия, имитируют внешний вид деревьев, обеспечивают тень и ночью могут функционировать как уличные фонари .
Неопределенности в доходах с течением времени в основном связаны с оценкой солнечного ресурса и производительностью самой системы. В лучшем случае неопределенности обычно составляют 4% для изменчивости климата из года в год, 5% для оценки солнечного ресурса (в горизонтальной плоскости), 3% для оценки облучения в плоскости массива, 3% для номинальной мощности модулей, 2% для потерь из-за грязи и загрязнения , 1,5% для потерь из-за снега и 5% для других источников ошибок. Выявление и реагирование на управляемые потери имеют решающее значение для доходов и эффективности O&M. Мониторинг производительности массива может быть частью договорных соглашений между владельцем массива, застройщиком и коммунальным предприятием, покупающим произведенную энергию. [ необходима цитата ] Метод создания «синтетических дней» с использованием легкодоступных данных о погоде и проверка с использованием открытого испытательного поля солнечных батарей на открытом воздухе позволяют прогнозировать производительность фотоэлектрических систем с высокой степенью точности. [25] Этот метод может быть использован для определения механизмов потерь в локальном масштабе, например, от снега [26] [27] или влияния поверхностных покрытий (например, гидрофобных или гидрофильных ) на загрязнение или потери снега. [28] (Хотя в условиях сильного снегопада с серьезными помехами на земле годовые потери от снега могут составлять 30%. [29] ) Доступ к Интернету позволил еще больше улучшить мониторинг энергии и связь. Специализированные системы доступны у ряда поставщиков. Для солнечных фотоэлектрических систем, которые используют микроинверторы (преобразование постоянного тока в переменный на уровне панели), данные о мощности модуля предоставляются автоматически. Некоторые системы позволяют устанавливать оповещения о производительности, которые запускают предупреждения по телефону/электронной почте/тексту при достижении пределов. Эти решения предоставляют данные владельцу системы и установщику. Установщики могут удаленно контролировать несколько установок и быстро видеть состояние всей своей установленной базы. [ необходима цитата ]
Фотоэлектрическая система для жилого, коммерческого или промышленного энергоснабжения состоит из солнечной батареи и ряда компонентов, часто объединяемых как баланс системы (BOS). Этот термин является синонимом термина « Баланс установки » (т. е. BOS-компоненты включают в себя оборудование для кондиционирования питания и конструкции для монтажа, как правило, один или несколько преобразователей постоянного тока в переменный ток , также известных как инверторы , устройство хранения энергии, стеллажную систему, которая поддерживает солнечную батарею, электропроводку и соединения, а также монтаж для других компонентов.
По желанию, баланс системы может включать в себя любое или все из следующего: счетчик кредита возобновляемой энергии , трекер максимальной мощности (MPPT), аккумуляторная система и зарядное устройство , солнечный трекер GNSS , программное обеспечение для управления энергией , датчики солнечного излучения , анемометр или специальные аксессуары, разработанные для удовлетворения специальных требований владельца системы. Кроме того, система CPV требует оптических линз или зеркал, а иногда и системы охлаждения.
Термины «солнечная батарея» и «фотоэлектрическая система» часто неправильно используются как взаимозаменяемые, несмотря на то, что солнечная батарея не охватывает всю систему. Более того, «солнечная панель» часто используется как синоним «солнечного модуля», хотя панель состоит из ряда нескольких модулей. Термин «солнечная система» также часто используется как неправильное название фотоэлектрической системы.
Строительными блоками фотоэлектрической системы являются солнечные элементы. Солнечный элемент — это электрическое устройство, которое может напрямую преобразовывать энергию фотонов в электричество. Существует три технологических поколения солнечных элементов: первое поколение (1G) кристаллических кремниевых элементов (c-Si), второе поколение (2G) тонкопленочных элементов (таких как CdTe , CIGS , аморфный кремний и GaAs ) и третье поколение (3G) органических , сенсибилизированных красителем , перовскитных и многопереходных элементов . [30] [31]
Обычные солнечные элементы c-Si , обычно соединенные последовательно, инкапсулируются в солнечный модуль для защиты от непогоды. Модуль состоит из закаленного стекла в качестве крышки, мягкого и гибкого инкапсулянта , заднего листа из погодостойкого и огнестойкого материала и алюминиевой рамы по внешнему краю. Электрически соединенные и установленные на опорной конструкции, солнечные модули образуют цепочку модулей, часто называемую солнечной панелью. Солнечная батарея состоит из одной или нескольких таких панелей. [32] Фотоэлектрическая батарея, или солнечная батарея, представляет собой связанный набор солнечных модулей. Мощности, которую может вырабатывать один модуль, редко бывает достаточно для удовлетворения потребностей дома или бизнеса, поэтому модули соединяются вместе, образуя решетку. Большинство фотоэлектрических батарей используют инвертор для преобразования постоянного тока, вырабатываемого модулями, в переменный ток , который может питать освещение , двигатели и другие нагрузки. Модули в фотоэлектрической батарее обычно сначала соединяются последовательно для получения желаемого напряжения ; затем отдельные цепочки соединяются параллельно , чтобы позволить системе вырабатывать больше тока . Солнечные панели обычно измеряются в условиях STC (стандартные условия испытаний) или PTC (условия испытаний PVUSA) в ваттах . [33] Типичные номинальные мощности панелей варьируются от менее 100 Вт до более 400 Вт. [34] Номинальная мощность массива состоит из суммы номинальных мощностей панелей в ваттах, киловаттах или мегаваттах.
Типичный 150-ваттный фотоэлектрический модуль имеет размер около квадратного метра. Можно ожидать, что такой модуль будет вырабатывать 0,75 киловатт-часа (кВт-ч) каждый день, в среднем, после учета погоды и широты, при инсоляции 5 солнечных часов в день. Выходная мощность модуля ухудшается быстрее при повышенной температуре. Позволяя окружающему воздуху проходить над, а по возможности и позади фотоэлектрических модулей, эта проблема уменьшается, поскольку поток воздуха имеет тенденцию снижать рабочую температуру и, как следствие, увеличивать эффективность модуля. Однако недавно было продемонстрировано, что в реальных условиях эксплуатации, учитывая более масштабный фотоэлектрический генератор, увеличение скорости ветра может увеличить потери энергии, [35] следуя теории механики жидкости, поскольку взаимодействие ветра с фотоэлектрическим генератором вызывает изменения потока воздуха, которые изменяют передачу тепла от модулей к воздуху.
Эффективный срок службы модуля обычно составляет 25 лет и более. [36] Срок окупаемости инвестиций в установку солнечных батарей значительно варьируется и, как правило, менее полезен, чем расчет окупаемости инвестиций . [37] Хотя обычно он рассчитывается как период от 10 до 20 лет, финансовый период окупаемости может быть намного короче при наличии стимулов . [38]
Влияние температуры на фотоэлектрические модули обычно количественно определяется с помощью некоторых коэффициентов, связывающих изменения напряжения холостого хода, тока короткого замыкания и максимальной мощности с изменениями температуры. В этой статье приводятся комплексные экспериментальные рекомендации по оценке температурных коэффициентов. [39]
Из-за низкого напряжения отдельного солнечного элемента (обычно около 0,5 В) несколько элементов соединяются проводами (см. Медь в возобновляемой энергии#Солнечная фотоэлектрическая генерация энергии ) последовательно при изготовлении «ламината». Ламинат собирается в защитный корпус, устойчивый к атмосферным воздействиям, таким образом, создавая фотоэлектрический модуль или солнечную панель . Затем модули могут быть соединены вместе в фотоэлектрическую решетку. В 2012 году солнечные панели, доступные для потребителей, имели эффективность примерно до 17%, [40], в то время как коммерчески доступные панели могут достигать 27%. Концентрируя солнечный свет, можно достичь более высокой эффективности. Группа из Института Фраунгофера по системам солнечной энергии создала элемент, который может достигать эффективности 44,7%, используя эквивалент «297 солнц». [41] [42] [43] [44]
Электрическая мощность фотоэлектрического элемента чрезвычайно чувствительна к затенению (так называемый «эффект рождественского света»). [45] [46] [47] Когда даже небольшая часть элемента или модуля или массива параллельно соединенных элементов затенена, а остальная часть находится на солнечном свете, выход резко падает из-за внутреннего «короткого замыкания» (электроны меняют направление через затененную часть). При последовательном соединении ток, потребляемый от цепочки элементов, не превышает обычно небольшого тока, который может протекать через затененный элемент, поэтому ток (и, следовательно, мощность), вырабатываемый цепочкой, ограничен. Если внешняя нагрузка имеет достаточно низкое сопротивление, может быть достаточно напряжения от других элементов в цепочке, чтобы заставить больше тока проходить через затененный элемент, разрушая соединение. Это пробивное напряжение в обычных элементах составляет от 10 до 30 вольт. Вместо того, чтобы добавлять мощность, вырабатываемую панелью, затененный элемент поглощает мощность, превращая ее в тепло. Так как обратное напряжение затененной ячейки намного больше прямого напряжения освещенной ячейки, одна затененная ячейка может поглощать мощность многих других ячеек в цепочке, непропорционально влияя на выход панели. Например, затененная ячейка может понизить 8 вольт вместо того, чтобы добавить 0,5 вольта, при высоком уровне тока, тем самым поглощая мощность, вырабатываемую 16 другими ячейками. [48] Поэтому важно, чтобы фотоэлектрическая установка не была затенена деревьями или другими препятствиями. Существуют методы снижения потерь с помощью диодов, но эти методы также влекут за собой потери.
Было разработано несколько методов для определения потерь затенения от деревьев к фотоэлектрическим системам как в больших регионах с использованием LiDAR , [49] , так и на уровне отдельной системы с использованием программного обеспечения для 3D-моделирования . [50] Большинство модулей имеют обходные диоды между каждой ячейкой или цепочкой ячеек, которые минимизируют эффекты затенения и теряют только мощность, которую могла бы поставлять затененная часть массива, а также мощность, рассеиваемую в диодах. Основная задача обходного диода — устранить горячие точки, которые образуются на ячейках, что может привести к дальнейшему повреждению массива и вызвать пожары.
Солнечный свет может поглощаться пылью, снегом или другими примесями на поверхности модуля (совместно именуемыми загрязнением ). Загрязнение уменьшает свет, попадающий на ячейки, что, в свою очередь, снижает выходную мощность фотоэлектрической системы. Потери от загрязнения накапливаются с течением времени и могут стать большими без надлежащей очистки. В 2018 году глобальные ежегодные потери энергии из-за загрязнения оценивались как минимум в 3–4%. [51] Однако потери от загрязнения значительно различаются от региона к региону и внутри регионов. [52] [53] [54] [55] Поддержание чистой поверхности модуля увеличит производительность на протяжении всего срока службы фотоэлектрической системы. В одном исследовании, проведенном в богатом снегом районе ( Онтарио ), очистка плоских солнечных панелей через 15 месяцев увеличила их выходную мощность почти на 100%. Однако наклонные на 5° массивы были достаточно очищены дождевой водой. [27] [56] Во многих случаях, особенно в засушливых регионах или в местах, расположенных в непосредственной близости от пустынь, дорог, промышленности или сельского хозяйства, регулярная очистка солнечных панелей является экономически эффективной . В 2018 году предполагаемая потеря дохода, вызванная загрязнением, оценивалась в 5–7 миллиардов евро. [51]
Долгосрочная надежность фотоэлектрических модулей имеет решающее значение для обеспечения технической и экономической жизнеспособности PV как успешного источника энергии. Анализ механизмов деградации PV-модулей имеет ключевое значение для обеспечения текущего срока службы, превышающего 25 лет. [57]
Солнечная инсоляция состоит из прямого, рассеянного и отраженного излучения . Коэффициент поглощения фотоэлектрического элемента определяется как доля падающего солнечного излучения, которая поглощается элементом. [58] Когда солнце находится в зените в безоблачный день, мощность солнца составляет около 1 кВт /м2 , [ 59] на поверхности Земли, в плоскости, перпендикулярной солнечным лучам. Таким образом, фотоэлектрические массивы могут отслеживать солнце в течение каждого дня, чтобы значительно улучшить сбор энергии. Однако устройства отслеживания увеличивают стоимость и требуют обслуживания, поэтому для фотоэлектрических массивов более характерно иметь фиксированные крепления, которые наклоняют массив и смотрят строго на юг в северном полушарии или строго на север в южном полушарии. Угол наклона от горизонтали может меняться в зависимости от сезона, [60] но если он фиксирован, его следует установить так, чтобы обеспечить оптимальную выходную мощность массива во время пиковой части потребления электроэнергии типичного года для автономной системы. Этот оптимальный угол наклона модуля не обязательно идентичен углу наклона для максимальной годовой выходной мощности массива. [61] Оптимизация фотоэлектрической системы для конкретной среды может быть сложной, поскольку необходимо учитывать вопросы солнечного потока, загрязнения и потерь снега. Кроме того, более поздние работы показали, что спектральные эффекты могут играть роль в оптимальном выборе фотоэлектрического материала. Например, спектр альбедо окружающей среды может играть значительную роль в выходной мощности в зависимости от поверхности вокруг фотоэлектрической системы [62] и типа материала солнечного элемента. [63] Фотоэлектрическая установка в северных широтах Европы или США может вырабатывать 1 кВт·ч/м² / день. [ требуется цитата ] Типичная фотоэлектрическая установка мощностью 1 кВт в Австралии или южных широтах Европы или США может вырабатывать 3,5–5 кВт·ч в день в зависимости от местоположения, ориентации, наклона, инсоляции и других факторов. [ необходима цитата ] В пустыне Сахара , с меньшим облачным покровом и лучшим углом наклона солнца, можно было бы в идеале получить около 8,3 кВтч/м2 / день, при условии, что почти постоянный ветер не будет задувать песок на установки. Площадь пустыни Сахара составляет более 9 миллионов км2 . 90 600 км2 , или около 1%, могли бы генерировать столько же электроэнергии, сколько все электростанции мира вместе взятые. [64]
Модули собираются в массивы на какой-либо системе крепления, которая может быть классифицирована как наземное крепление, крепление на крыше или крепление на столбе. Для солнечных парков большая стойка монтируется на земле, а модули монтируются на стойке. Для зданий было разработано много различных стоек для скатных крыш. Для плоских крыш используются стойки, бункеры и интегрированные решения для зданий. [ требуется ссылка ] Стойки для солнечных панелей, монтируемые на вершине столбов, могут быть стационарными или подвижными, см. Трекеры ниже. Боковые крепления столба подходят для ситуаций, когда на вершине столба установлено что-то еще, например, осветительный прибор или антенна. Монтаж столба поднимает то, что в противном случае было бы наземным массивом, над тенью сорняков и скотом, и может удовлетворять требованиям электротехнического кодекса относительно недоступности открытой проводки. Панели, монтируемые столбом, открыты для большего количества охлаждающего воздуха с нижней стороны, что повышает производительность. Множество стоек на вершине столба можно сформировать в навес для парковки или другую затененную конструкцию. Стойка, которая не следует за солнцем слева направо, может допускать сезонную регулировку вверх или вниз. [ необходима цитата ]
Благодаря использованию на открытом воздухе солнечные кабели разработаны так, чтобы быть устойчивыми к ультрафиолетовому излучению и чрезвычайно высоким колебаниям температуры, и, как правило, не подвержены влиянию погоды. Стандарты, определяющие использование электропроводки в фотоэлектрических системах, включают IEC 60364 Международной электротехнической комиссии в разделе 712 «Солнечные фотоэлектрические (PV) системы электроснабжения», британский стандарт BS 7671 , включающий правила, касающиеся микрогенерации и фотоэлектрических систем, и стандарт США UL4703 в разделе 4703 «Фотоэлектрические провода».
Солнечный кабель — это соединительный кабель, используемый в фотоэлектрической генерации электроэнергии. Солнечные кабели соединяют солнечные панели и другие электрические компоненты фотоэлектрической системы. Солнечные кабели разработаны с учетом устойчивости к ультрафиолетовому излучению и погодным условиям. Их можно использовать в широком диапазоне температур.
Конкретные требования к эксплуатационным характеристикам материалов, используемых для электропроводки солнечной панели, приведены в национальных и местных электротехнических нормах , которые регулируют электроустановки в регионе. Общими характеристиками, требуемыми для солнечных кабелей, являются устойчивость к ультрафиолетовому излучению, погодным условиям, экстремальным температурам в регионе и изоляция, подходящая для класса напряжения оборудования. Различные юрисдикции будут иметь особые правила относительно заземления (зануления) солнечных энергетических установок для защиты от поражения электрическим током и молниезащиты.
Система слежения за солнцем наклоняет солнечную панель в течение дня. В зависимости от типа системы слежения панель либо направлена прямо на Солнце, либо на самую яркую область частично облачного неба. Трекеры значительно повышают производительность рано утром и поздно вечером, увеличивая общее количество энергии, вырабатываемой системой, примерно на 20–25% для одноосного трекера и примерно на 30% или более для двухосного трекера, в зависимости от широты. [65] [66] Трекеры эффективны в регионах, которые получают большую часть солнечного света напрямую. При рассеянном свете (то есть под облаками или туманом) отслеживание имеет мало или вообще не имеет значения. Поскольку большинство концентрированных фотоэлектрических систем очень чувствительны к углу солнечного света, системы слежения позволяют им вырабатывать полезную энергию более короткого периода каждый день. [67] Системы слежения повышают производительность по двум основным причинам. Во-первых, когда солнечная панель перпендикулярна солнечному свету, она получает больше света на свою поверхность, чем если бы она была расположена под углом. Во-вторых, прямой свет используется более эффективно, чем угловой. [68] Специальные антибликовые покрытия могут повысить эффективность солнечных панелей для прямого и углового света, несколько снижая преимущества отслеживания. [69]
Трекеры и датчики для оптимизации производительности часто рассматриваются как необязательные, но они могут увеличить жизнеспособную производительность до 45%. [70] Массивы, которые приближаются или превышают один мегаватт, часто используют солнечные трекеры. Учитывая облака и тот факт, что большая часть мира не находится на экваторе, и что солнце садится вечером, правильной мерой солнечной энергии является инсоляция — среднее количество киловатт-часов на квадратный метр в день. Для погоды и широт Соединенных Штатов и Европы типичная инсоляция колеблется от 2,26 кВтч/м2 / день в северном климате до 5,61 кВтч/м2 / день в самых солнечных регионах. [71] [72]
Для больших систем энергия, полученная за счет использования систем слежения, может перевесить добавленную сложность. Для очень больших систем дополнительное обслуживание слежения является существенным недостатком. [73] Слежение не требуется для плоских панелей и фотоэлектрических систем с низкой концентрацией . Для фотоэлектрических систем с высокой концентрацией отслеживание по двум осям является необходимостью. [74] Тенденции ценообразования влияют на баланс между добавлением большего количества стационарных солнечных панелей и меньшим количеством панелей, которые отслеживают.
По мере улучшения цен, надежности и производительности одноосных трекеров, эти системы стали устанавливаться во все большем проценте проектов коммунального масштаба. Согласно данным WoodMackenzie/GTM Research, мировые поставки солнечных трекеров достигли рекордных 14,5 гигаватт в 2017 году. Это представляет собой рост на 32 процента по сравнению с прошлым годом, и прогнозируется аналогичный или больший рост по мере ускорения крупномасштабного развертывания солнечных систем. [75]
Системы, предназначенные для подачи переменного тока (AC), такие как сетевые приложения, нуждаются в инверторе для преобразования постоянного тока (DC) от солнечных модулей в переменный ток. Сетевые инверторы должны поставлять переменный ток в синусоидальной форме, синхронизированный с частотой сети, ограничивать подачу напряжения до уровня, не превышающего напряжение сети, и отключаться от сети, если напряжение сети отключено. [76] Изолированные инверторы должны производить только регулируемые напряжения и частоты в синусоидальной форме волны, поскольку синхронизация или координация с сетевыми источниками питания не требуются.
Солнечный инвертор может подключаться к ряду солнечных панелей. В некоторых установках солнечный микроинвертор подключается к каждой солнечной панели. [77] В целях безопасности предусмотрен автоматический выключатель как на стороне переменного, так и постоянного тока для обеспечения обслуживания. Выход переменного тока может быть подключен через счетчик электроэнергии к общественной сети. [78] Количество модулей в системе определяет общую мощность постоянного тока, которую может генерировать солнечная батарея; однако инвертор в конечном итоге управляет количеством ватт переменного тока, которое может быть распределено для потребления. Например, фотоэлектрическая система, включающая 11 киловатт постоянного тока (кВт DC ) фотоэлектрических модулей, соединенных с одним 10-киловаттным инвертором переменного тока (кВт AC ), будет ограничена выходной мощностью инвертора в 10 кВт. По состоянию на 2019 год эффективность преобразования для современных преобразователей достигла более 98 процентов. В то время как строчные инверторы используются в жилых и средних коммерческих фотоэлектрических системах, центральные инверторы охватывают крупный коммерческий и коммунальный рынок. Доля рынка центральных и струнных инверторов составляет около 44 процентов и 52 процентов соответственно, а доля микроинверторов составляет менее 1 процента. [79]
Отслеживание точки максимальной мощности (MPPT) — это метод, который инверторы, подключенные к сети, используют для получения максимально возможной мощности от фотоэлектрической батареи. Для этого система MPPT инвертора в цифровом виде производит выборку постоянно меняющейся выходной мощности солнечной батареи и применяет соответствующее сопротивление для поиска оптимальной точки максимальной мощности . [80]
Anti-islanding — это защитный механизм, который немедленно отключает инвертор, не давая ему генерировать переменный ток, когда соединение с нагрузкой больше не существует. Это происходит, например, в случае отключения электроэнергии. Без этой защиты линия электропередачи станет «островом» с питанием, окруженным «морем» неподключенных линий, поскольку солнечная батарея продолжает поставлять постоянный ток во время отключения электроэнергии. Islanding представляет опасность для работников коммунальных служб, которые могут не осознавать, что цепь переменного тока все еще находится под напряжением, и это может помешать автоматическому повторному подключению устройств. [81] Функция Anti-Islanding не требуется для полных Off-Grid Systems.
Хотя все еще дорого, фотоэлектрические системы все чаще используют перезаряжаемые батареи для хранения излишков, которые можно использовать ночью. Батареи, используемые для хранения в сети, также стабилизируют электросеть , выравнивая пиковые нагрузки , и играют важную роль в интеллектуальной сети , поскольку они могут заряжаться в периоды низкого спроса и подавать свою накопленную энергию в сеть, когда спрос высок.
Распространенные технологии аккумуляторов, используемые в современных фотоэлектрических системах, включают в себя свинцово-кислотные аккумуляторы с клапанным регулированием — модифицированную версию обычного свинцово-кислотного аккумулятора — никель-кадмиевые и литий-ионные аккумуляторы. По сравнению с другими типами свинцово-кислотные аккумуляторы имеют более короткий срок службы и более низкую плотность энергии. Однако из-за их высокой надежности, низкого саморазряда, а также низких инвестиций и затрат на обслуживание они в настоящее время (по состоянию на 2014 год) являются преобладающей технологией, используемой в небольших жилых фотоэлектрических системах, поскольку литий-ионные аккумуляторы все еще находятся в стадии разработки и примерно в 3,5 раза дороже свинцово-кислотных аккумуляторов. Кроме того, поскольку устройства хранения для фотоэлектрических систем являются стационарными, более низкая плотность энергии и мощности и, следовательно, более высокий вес свинцово-кислотных аккумуляторов не так критичны, как, например, в электротранспорте [5] : 4, 9 Другие перезаряжаемые аккумуляторы, рассматриваемые для распределенных фотоэлектрических систем, включают натрий-серные и ванадиевые окислительно-восстановительные аккумуляторы, два известных типа расплавленной соли и проточной батареи соответственно. [5] : 4 В 2015 году Tesla Motors выпустила Powerwall — перезаряжаемую литий-ионную батарею, призванную произвести революцию в потреблении энергии. [82]
Фотоэлектрические системы с интегрированным аккумуляторным решением также нуждаются в контроллере заряда , поскольку изменяющееся напряжение и ток от солнечной батареи требуют постоянной регулировки для предотвращения повреждений от перезарядки. [83] Базовые контроллеры заряда могут просто включать и выключать фотоэлектрические панели или могут измерять импульсы энергии по мере необходимости, стратегия, называемая ШИМ или широтно-импульсной модуляцией . Более продвинутые контроллеры заряда будут включать логику MPPT в свои алгоритмы зарядки аккумуляторов. Контроллеры заряда также могут перенаправлять энергию на какие-то цели, отличные от зарядки аккумулятора. Вместо того, чтобы просто отключать бесплатную фотоэлектрическую энергию, когда она не нужна, пользователь может выбрать нагрев воздуха или воды, когда аккумулятор полностью заряжен.
Измерение должно быть способно накапливать единицы энергии в обоих направлениях, или должны использоваться два счетчика. Многие счетчики накапливают двунаправленно, некоторые системы используют два счетчика, но однонаправленный счетчик (с фиксатором) не будет накапливать энергию из любой результирующей подачи в сеть. [84] В некоторых странах для установок более 30 кВт p требуется монитор частоты и напряжения с отключением всех фаз. Это делается там, где генерируется больше солнечной энергии, чем может обеспечить коммунальное предприятие, и избыток не может быть ни экспортирован, ни сохранен . Операторам сетей исторически приходилось предоставлять линии электропередачи и генерирующие мощности. Теперь им также необходимо предоставлять хранилище. Обычно это гидроаккумулирование, но используются и другие средства хранения. Первоначально хранилище использовалось для того, чтобы генераторы базовой нагрузки могли работать на полной мощности. При переменной возобновляемой энергии хранилище необходимо для того, чтобы обеспечить генерацию электроэнергии, когда она доступна, и потребление, когда это необходимо.
У оператора сети есть две переменные: хранение электроэнергии на тот момент, когда она нужна, или ее передача туда, где она нужна. Если обе эти переменные выходят из строя, установки мощностью более 30 кВт могут автоматически отключиться, хотя на практике все инверторы поддерживают регулировку напряжения и прекращают подачу электроэнергии, если нагрузка недостаточна. У операторов сети есть возможность сократить избыточную генерацию от крупных систем, хотя это чаще делается с ветровой энергией, чем с солнечной, и приводит к существенной потере дохода. [85] Трехфазные инверторы имеют уникальную возможность подачи реактивной мощности, что может быть выгодно для соответствия требованиям нагрузки. [86]
Фотоэлектрические системы необходимо контролировать для обнаружения поломки и оптимизации работы. Существует несколько стратегий фотоэлектрического мониторинга в зависимости от выходной мощности установки и ее характера. Мониторинг может выполняться на месте или удаленно. Он может измерять только производство, извлекать все данные из инвертора или извлекать все данные из коммуникационного оборудования (зондов, счетчиков и т. д.). Инструменты мониторинга могут быть предназначены только для контроля или предлагать дополнительные функции. Отдельные инверторы и контроллеры заряда аккумулятора могут включать мониторинг с использованием протоколов и программного обеспечения, определенных производителем. [87] Измерение энергии инвертора может иметь ограниченную точность и не подходить для целей измерения доходов. Сторонняя система сбора данных может контролировать несколько инверторов, используя протоколы производителя инвертора, а также получать информацию, связанную с погодой. Независимые интеллектуальные счетчики могут измерять общую выработку энергии системой массива фотоэлектрических батарей. Отдельные меры, такие как анализ спутниковых изображений или измеритель солнечной радиации ( пиранометр ), могут использоваться для оценки общей инсоляции для сравнения. [88] Данные, собранные с помощью системы мониторинга, могут быть отображены удаленно через Всемирную паутину, например, OSOTF . [89] [90] [91] [92]
Зная годовое потребление энергии в кВт·ч учреждением или семьей, например, 2300 кВт·ч, указанное в счете за электроэнергию, можно рассчитать количество фотоэлектрических панелей, необходимых для удовлетворения его энергетических потребностей. Подключившись к сайту https://re.jrc.ec.europa.eu/pvg_tools/en/ , выбрав место установки панелей или нажав на карту или введя название места, необходимо выбрать «Подключено к сети» и «Визуализировать результаты», получив следующую таблицу, например, для города Палермо:
Предоставленные входные данные:;Местоположение [Шир./Долг.]:;38.111,13.352Горизонт:;РассчитаноИспользуемая база данных:;PVGIS-SARAH2Технология PV:;Кристаллический кремнийУстановлено фотоэлектрических систем [кВт]:;1Системные потери [%]:;14Результаты моделирования:;Угол наклона [°]:;35Азимутальный угол [°]:;0Годовое производство фотоэлектрической энергии [кВт·ч]: 1519,1Годовое внутрипланетное облучение [кВтч/м2]: 1944,62Изменчивость из года в год [кВт·ч]:;47,61Изменения в выпуске продукции из-за:;Угол падения [%]:;-2.68Спектральные эффекты [%]:;0.88Температура и низкая освещенность [%]:;-7.48Общие потери [%]:;-21.88Стоимость электроэнергии, вырабатываемой фотоэлектрическими установками [за кВт·ч]:
Используя программу wxMaxima , количество панелей, необходимое для годового потребления 2300 кВт·ч и технологии кристаллического кремния с углом наклона 35°, углом азимута 0° и общими потерями 21,88%, округлено до 6:
E_d : 2300 ; E_s : 1519.1 ; P : 300 ; Количество_панелей : 1000 * E_d / ( P * E_s ) ; 5.046847914335243В среднем каждая семья потребляет 30% энергии напрямую от фотоэлектрических систем. Система хранения может довести собственное потребление до максимум 70%, поэтому емкость аккумулятора, которая должна быть в конкретном случае: 4,41 кВт·ч, что округляется до 4,8 кВт·ч
Емкость_аккумулятора : 0,70 * E_d / 365 ; 4.410958904109589Если цена на энергию составляет 0,5 евро/кВт·ч, то стоимость энергии без учета налогов составит 1150 евро в год:
Стоимость_энергии : E_d * 0,5 ; 1150.0Таким образом, если панель мощностью 300 Вт стоит 200 евро, аккумулятор емкостью 4,8 кВт·ч стоит 3000 евро, инвертор для преобразования постоянного тока в переменный — 1000 евро, регулятор заряда — 100 евро, установка стоит 1000 евро, то общая стоимость составит 6300 евро:
Общая_стоимость : 200 * 6 + 3000 + 1000 + 100 + 1000 ; 3150которые амортизируются в течение 5,46 лет:
Годы : Общая_стоимость / Стоимость_энергии ; 5.46 ...срок службы батареи составляет 10 лет, а панелей — 25–30 лет
В этот раздел включены системы, которые являются либо узкоспециализированными и необычными, либо все еще новой технологией с ограниченной значимостью. Однако автономные или внесетевые системы занимают особое место. Они были наиболее распространенным типом систем в 1980-х и 1990-х годах, когда фотоэлектрические технологии были еще очень дорогими и представляли собой чисто нишевый рынок мелкомасштабных приложений. Только в местах, где не было электросети, они были экономически жизнеспособны. Хотя новые автономные системы все еще развертываются по всему миру, их вклад в общую установленную фотоэлектрическую мощность уменьшается. В Европе внесетевые системы составляют 1 процент установленной мощности. В Соединенных Штатах они составляют около 10 процентов. Внесетевые системы все еще распространены в Австралии и Южной Корее, а также во многих развивающихся странах. [4] : 14
Системы фотоэлектрических концентраторов (CPV) и высококонцентраторных фотоэлектрических систем (HCPV) используют оптические линзы или изогнутые зеркала для концентрации солнечного света на небольших, но высокоэффективных солнечных элементах. Помимо концентрирующей оптики, системы CPV иногда используют солнечные трекеры и системы охлаждения и стоят дороже.
В частности, системы HCPV лучше всего подходят для мест с высокой солнечной радиацией, концентрируя солнечный свет до 400 раз и более, с эффективностью 24–28 процентов, что превышает эффективность обычных систем. Различные конструкции систем коммерчески доступны, но не очень распространены. Тем не менее, ведутся постоянные исследования и разработки. [8] : 26
CPV часто путают с CSP ( концентрированная солнечная энергия ), которая не использует фотоэлектрические элементы. Обе технологии отдают предпочтение местам, которые получают много солнечного света, и напрямую конкурируют друг с другом.
Гибридная система объединяет фотоэлектрические системы с другими формами генерации, обычно дизельным генератором. [ требуется ссылка ] Также используется биогаз. Другой формой генерации может быть тип, способный модулировать выходную мощность в зависимости от спроса. Однако может использоваться более одного возобновляемого вида энергии, например, ветер. Фотоэлектрическая генерация энергии служит для сокращения потребления невозобновляемого топлива. Гибридные системы чаще всего встречаются на островах. Остров Пельворм в Германии и остров Китнос в Греции являются яркими примерами (оба сочетаются с ветром). [93] [94] Завод на Китносе сократил потребление дизельного топлива на 11,2%. [95]
В 2015 году исследование, проведенное в семи странах, пришло к выводу, что во всех случаях затраты на производство электроэнергии можно снизить путем гибридизации мини-сетей и изолированных сетей. Однако затраты на финансирование таких гибридов имеют решающее значение и в значительной степени зависят от структуры собственности электростанции. В то время как сокращение затрат для государственных предприятий может быть значительным, исследование также выявило, что экономические выгоды незначительны или даже отрицательны для негосударственных предприятий, таких как независимые производители электроэнергии . [96] [97]
Также была проведена работа, показывающая, что предел проникновения PV может быть увеличен путем развертывания распределенной сети гибридных систем PV+CHP в США [98] Было проанализировано временное распределение солнечного потока, электрических и отопительных требований для типичных односемейных домов в США, и результаты ясно показывают, что гибридизация CHP с PV может обеспечить дополнительное развертывание PV сверх того, что возможно с обычной централизованной системой генерации электроэнергии. Эта теория была подтверждена численным моделированием с использованием данных о солнечном потоке в секунду для определения того, что необходимое резервное питание батареи для обеспечения такой гибридной системы возможно с относительно небольшими и недорогими системами батарей. [99] Кроме того, большие системы PV+CHP возможны для институциональных зданий, которые снова обеспечивают резервное питание для прерывистых PV и сокращают время работы CHP. [100]
Плавающие солнечные батареи или плавающие фотоэлектрические системы (FPV), иногда называемые плавающими фотоэлектрическими системами, представляют собой солнечные панели, установленные на конструкции, которая плавает на поверхности водоема, как правило, водохранилища или озера, например, резервуаров питьевой воды, карьерных озер, оросительных каналов или прудов-отстойников. [104] [105] [106] [107] [108]
Системы могут иметь преимущества перед фотоэлектрическими системами (ФС) на суше. Водные поверхности могут быть менее дорогими, чем стоимость земли, и существует меньше правил и положений для сооружений, построенных на водоемах, не используемых для отдыха. Анализ жизненного цикла показывает, что FPV на основе пены [109] имеют одни из самых коротких сроков окупаемости энергии (1,3 года) и самое низкое соотношение выбросов парниковых газов к энергии (11 кг CO 2 экв/МВт·ч) среди известных технологий солнечных фотоэлектрических систем на основе кристаллического кремния. [110]
Плавающие массивы могут достигать более высокой эффективности, чем фотоэлектрические панели на суше, поскольку вода охлаждает панели. Панели могут иметь специальное покрытие для предотвращения ржавчины или коррозии. [111]
Рынок этой технологии возобновляемой энергии стремительно рос с 2016 года. Первые 20 установок мощностью в несколько десятков кВт/пик были построены в период с 2007 по 2013 год. [112] Установленная мощность выросла с 3 ГВт в 2020 году до 13 ГВт в 2022 году, [113] превзойдя прогноз в 10 ГВт к 2025 году. [114] Всемирный банк подсчитал, что существует 6600 крупных водоемов, подходящих для плавучих солнечных батарей, с технической мощностью более 4000 ГВт, если 10% их поверхности будут покрыты солнечными панелями. [113]
Расходы на плавающую систему примерно на 10-20% выше, чем на наземные системы. [115] [116] [117] По словам исследователя из Национальной лаборатории возобновляемой энергии (NREL), это увеличение в первую очередь связано с необходимостью использования систем крепления для закрепления панелей на воде, что делает плавучие солнечные установки примерно на 25% дороже, чем наземные. [118]Сети постоянного тока используются в электрическом транспорте: железнодорожных трамваях и троллейбусах. Было построено несколько пилотных установок для таких применений, например, трамвайные депо в Ганновере Лайнхаузене, использующие фотоэлектрические элементы [119] и Женеве (Баше де Песай). [120] Женевская площадка мощностью 150 кВт p подает 600 В постоянного тока непосредственно в трамвайную/троллейбусную электрическую сеть, тогда как раньше она обеспечивала около 15% электроэнергии при своем открытии в 1999 году.
Автономная или внесетевая система не подключена к электросети . Автономные системы сильно различаются по размеру и применению: от наручных часов или калькуляторов до удаленных зданий или космических аппаратов . Если нагрузка должна поставляться независимо от солнечной инсоляции , вырабатываемая энергия хранится и буферизуется батареей. [121] В непереносных устройствах, где вес не имеет значения, например, в зданиях, чаще всего используются свинцово-кислотные батареи из-за их низкой стоимости и устойчивости к неправильному использованию.
Контроллер заряда может быть включен в систему, чтобы избежать повреждения аккумулятора из-за чрезмерной зарядки или разрядки. Он также может помочь оптимизировать производство солнечной батареи с помощью метода отслеживания точки максимальной мощности ( MPPT ). Однако в простых фотоэлектрических системах, где напряжение фотоэлектрического модуля соответствует напряжению аккумулятора, использование электроники MPPT обычно считается ненужным, поскольку напряжение аккумулятора достаточно стабильно, чтобы обеспечить почти максимальный сбор энергии с фотоэлектрического модуля. В небольших устройствах (например, калькуляторах, паркоматах) потребляется только постоянный ток (DC). В более крупных системах (например, зданиях, удаленных водяных насосах) обычно требуется переменный ток. Для преобразования постоянного тока от модулей или аккумуляторов в переменный ток используется инвертор .
В сельскохозяйственных условиях массив может использоваться для непосредственного питания насосов постоянного тока без необходимости использования инвертора . В отдаленных районах, таких как горные районы, острова или другие места, где отсутствует электросеть, солнечные батареи могут использоваться в качестве единственного источника электроэнергии, обычно путем зарядки аккумуляторной батареи . Автономные системы тесно связаны с микрогенерацией и распределенной генерацией .
Стоимость производства фотоэлектрических элементов снизилась из-за экономии масштаба в производстве и технологических достижений в производстве. Для крупномасштабных установок цены ниже $1,00 за ватт были обычным явлением к 2012 году. [124] Снижение цен на 50% было достигнуто в Европе с 2006 по 2011 год, и был потенциал для снижения стоимости генерации на 50% к 2020 году. [125] Кристаллические кремниевые солнечные элементы были в значительной степени заменены менее дорогими мультикристаллическими кремниевыми солнечными элементами, а также были разработаны тонкопленочные кремниевые солнечные элементы с более низкими затратами на производство. Хотя они и уступают по эффективности преобразования энергии монокристаллическим «siwafers», их также намного легче производить при сравнительно более низких затратах. [126]
В таблице ниже показана общая (средняя) стоимость в центах США за кВт·ч электроэнергии, вырабатываемой фотоэлектрической системой. [127] [128] Заголовки строк слева показывают общую стоимость, за пиковый киловатт (кВт· п ), фотоэлектрической установки. Стоимость фотоэлектрической системы снижается и, например, в Германии, как сообщается, упала до 1389 долларов США/кВт· п к концу 2014 года. [129] Заголовки столбцов сверху относятся к годовому производству энергии в кВт·ч, ожидаемому от каждого установленного кВт· п . Это зависит от географического региона, поскольку средняя инсоляция зависит от средней облачности и толщины атмосферы, пересекаемой солнечным светом. Это также зависит от пути солнца относительно панели и горизонта. Панели обычно устанавливаются под углом в зависимости от широты, и часто они корректируются в зависимости от сезона, чтобы соответствовать изменяющемуся солнечному склонению . Слежение за солнцем также можно использовать для получения еще большего количества перпендикулярного солнечного света, тем самым увеличивая общую выработку энергии.
Расчетные значения в таблице отражают общую (среднюю) стоимость в центах за произведенный кВтч. Они предполагают 10% общей капитальной стоимости (например, 4% процентной ставки , 1% эксплуатационных и эксплуатационных расходов, [130] и амортизации капитальных затрат в течение 20 лет). Обычно фотоэлектрические модули имеют 25-летнюю гарантию. [131] [132]
Фотоэлектрические системы демонстрируют кривую обучения с точки зрения приведенной стоимости электроэнергии (LCOE), снижая ее стоимость за кВт·ч на 32,6% при каждом удвоении мощности. [134] [135] [136] Из данных LCOE и совокупной установленной мощности Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA) с 2010 по 2017 год [135] [136] уравнение кривой обучения для фотоэлектрических систем имеет вид [134]
Растущее использование фотоэлектрических систем и интеграция фотоэлектрической энергии в существующие структуры и методы поставки и распределения увеличивают потребность в общих стандартах и определениях для фотоэлектрических компонентов и систем. [ необходима ссылка ] Стандарты составляются в Международной электротехнической комиссии (МЭК) и применяются к эффективности, долговечности и безопасности ячеек, модулей, программ моделирования, штепсельных разъемов и кабелей, систем крепления, общей эффективности инверторов и т. д. [137]
В Великобритании фотоэлектрические установки обычно считаются разрешенной застройкой и не требуют разрешения на планирование. Если недвижимость внесена в список или находится в обозначенной зоне (Национальный парк, Район исключительной природной красоты, Участок особого научного интереса или Норфолк-Бродс), то требуется разрешение на планирование. [138]
Солнечные фотоэлектрические установки в Великобритании также подлежат контролю в соответствии со Строительными нормами 2010 года. Поэтому для бытовых и коммерческих солнечных фотоэлектрических установок rootop необходимо одобрение Строительных норм, чтобы гарантировать, что они соответствуют требуемым стандартам безопасности. Это включает в себя обеспечение того, что крыша может выдержать вес солнечных панелей, что электрические соединения безопасны и что нет риска возникновения пожара. [139]
В Соединенных Штатах статья 690 Национального электрического кодекса содержит общие рекомендации по установке фотоэлектрических систем; они могут быть заменены местными законами и правилами. Часто требуется разрешение, требующее представления плана и структурных расчетов до начала работ. Кроме того, во многих местах требуется, чтобы работы выполнялись под руководством лицензированного электрика.
Орган , имеющий юрисдикцию (AHJ), рассмотрит проекты и выдаст разрешения, прежде чем строительство может быть законно начато. Методы электромонтажа должны соответствовать стандартам, изложенным в Национальном электротехническом кодексе (NEC), и проверяться AHJ для обеспечения соответствия строительным нормам , электротехническим нормам и правилам пожарной безопасности . Юрисдикции могут требовать, чтобы оборудование было протестировано, сертифицировано, внесено в список и маркировано по крайней мере одной из Национально признанных испытательных лабораторий (NRTL). [140] Во многих населенных пунктах требуется разрешение на установку фотоэлектрической системы. Сетевая система обычно требует наличия лицензированного электрика для подключения между системой и сетевым подключением здания. [141] Установщики, которые соответствуют этим требованиям, находятся почти в каждом штате. [140] Несколько штатов запрещают ассоциациям домовладельцев ограничивать солнечные устройства. [142] [143] [144]
Хотя Испания вырабатывает около 40% своей электроэнергии с помощью фотоэлектрических и других возобновляемых источников энергии, а такие города, как Уэльва и Севилья, могут похвастаться почти 3000 часами солнечного света в год, в 2013 году Испания ввела солнечный налог для покрытия долга, созданного инвестициями испанского правительства. Те, кто не подключается к сети, могут быть оштрафованы на 30 миллионов евро (40 миллионов долларов США). [145] Такие меры были окончательно отменены к 2018 году, когда было введено новое законодательство, запрещающее любые налоги на собственное потребление возобновляемой энергии. [146]
С ростом уровня фотоэлектрических систем на крышах поток энергии становится двусторонним. Когда локальной генерации больше, чем потребления, электроэнергия экспортируется в сеть. Однако электросеть традиционно не рассчитана на двустороннюю передачу энергии. Поэтому могут возникнуть некоторые технические проблемы. Например, в Квинсленде, Австралия, к концу 2017 года было более 30% домохозяйств с фотоэлектрическими установками на крышах. Знаменитая калифорнийская кривая утки 2020 года очень часто появляется во многих сообществах с 2015 года. Проблема перенапряжения может возникнуть, когда электричество возвращается в сеть. [147] Существуют решения для управления проблемой перенапряжения, такие как регулирование коэффициента мощности инвертора фотоэлектрических систем, новое оборудование для контроля напряжения и энергии на уровне распределителя электроэнергии, перепроводка электрических проводов, управление спросом и т. д. Часто существуют ограничения и затраты, связанные с этими решениями. Способом расчета этих затрат и выгод является использование концепции «стоимости солнечной энергии» (VOS), [148] которая включает в себя предотвращенные затраты/потери, в том числе: эксплуатацию и обслуживание завода (фиксированные и переменные); топливо; генерирующую мощность, резервную мощность, пропускную способность, распределительную мощность, а также ответственность за окружающую среду и здоровье. Popular Mechanics сообщает, что результаты VOS показывают, что потребители коммунальных услуг, подключенные к сети, получают грубую недоплату в большинстве штатов США, поскольку стоимость солнечной энергии затмевает чистую ставку учета, а также двухуровневые ставки, что означает, что «солнечные панели вашего соседа тайно экономят ваши деньги». [149]
У клиентов разные конкретные ситуации, например, разные потребности в комфорте/удобстве, разные тарифы на электроэнергию или разные модели использования. Тариф на электроэнергию может иметь несколько элементов, таких как ежедневная плата за доступ и измерение, плата за электроэнергию (на основе кВтч, МВтч) или плата за пиковый спрос (например, цена за самое высокое 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 мест с установленной платой за пиковый спрос фотоэлектрические системы могут быть менее привлекательными, если пиковый спрос в основном приходится на конец дня или начало вечера, например, в жилых районах. В целом, инвестиции в электроэнергию в значительной степени являются экономическим решением, а инвестиционные решения основываются на систематической оценке вариантов в области улучшения эксплуатации, энергоэффективности , генерации на месте и хранения энергии. [150] [151]
Сетевая фотоэлектрическая система или сетевая фотоэлектрическая система — это солнечная фотоэлектрическая система, которая подключена к коммунальной сети . Сетевая фотоэлектрическая система состоит из солнечных панелей , одного или нескольких инверторов , блока кондиционирования питания и оборудования для подключения к сети. Они варьируются от небольших жилых и коммерческих систем на крыше до крупных коммунальных солнечных электростанций . При подходящих условиях сетевая фотоэлектрическая система поставляет избыточную мощность, превышающую потребление подключенной нагрузкой, в коммунальную сеть . [152]
Жилые, подключенные к сети системы на крыше , которые имеют мощность более 10 киловатт, могут удовлетворить нагрузку большинства потребителей. [153] Они могут подавать избыточную энергию в сеть, где ее потребляют другие пользователи. Обратная связь осуществляется через счетчик для контроля передаваемой энергии. Фотоэлектрическая мощность может быть меньше среднего потребления, в этом случае потребитель будет продолжать покупать энергию из сети, но меньшее количество, чем раньше. Если фотоэлектрическая мощность существенно превышает среднее потребление, энергия, вырабатываемая панелями, будет намного превышать спрос. В этом случае избыточная энергия может приносить доход, продавая ее в сеть. В зависимости от их соглашения с местной энергетической компанией, потребителю нужно будет платить только стоимость потребленной электроэнергии за вычетом стоимости выработанной электроэнергии. Это будет отрицательное число, если вырабатывается больше электроэнергии, чем потребляется. [154] Кроме того, в некоторых случаях оператор сети выплачивает потребителю денежные стимулы .
Подключение фотоэлектрической системы может быть осуществлено только через соглашение о взаимоподключении между потребителем и коммунальной компанией. В соглашении подробно описываются различные стандарты безопасности, которые необходимо соблюдать при подключении. [155]
Электроэнергия от фотоэлектрических панелей должна быть преобразована в переменный ток специальным инвертором мощности , если она предназначена для подачи в электросеть. Инвертор находится между солнечной батареей и сетью и может быть большим автономным блоком или может быть набором небольших инверторов, прикрепленных к отдельным солнечным панелям в качестве модуля переменного тока . Инвертор должен контролировать напряжение сети, форму волны и частоту. Инвертор должен обнаруживать сбой в подаче электроэнергии в сеть, а затем не должен подавать электроэнергию в сеть. Инвертор, подключенный к неисправной линии электропередачи, автоматически отключится в соответствии с правилами безопасности, которые различаются в зависимости от юрисдикции. Местоположение тока короткого замыкания играет решающую роль в принятии решения о срабатывании защитного механизма инвертора, особенно для сетей низкого и среднего уровня электроснабжения. Система защиты должна обеспечивать надлежащую работу при внешних по отношению к инвертору неисправностях в сети электроснабжения. Специальный инвертор также должен быть спроектирован так, чтобы синхронизировать свою частоту переменного тока с сетью, чтобы обеспечить правильную интеграцию потока мощности инвертора в сеть в соответствии с формой волны.
Изолирование — это состояние, при котором распределенный генератор продолжает обеспечивать электроэнергией местоположение, даже если питание от электросети больше не поступает. Изолирование может быть опасным для работников коммунальных служб, которые могут не осознавать, что цепь все еще запитана, даже если питание от электросети отсутствует . По этой причине распределенные генераторы должны обнаруживать изоляцию и немедленно прекращать выработку энергии; [ требуется цитата ] это называется анти-изолированием.
В случае отключения коммунальных услуг в подключенной к сети фотоэлектрической системе солнечные панели продолжат поставлять электроэнергию, пока светит солнце. В этом случае линия электропередачи становится «островом» с электроэнергией, окруженной «морем» не подключенных к сети линий. По этой причине солнечные инверторы , предназначенные для подачи электроэнергии в сеть, как правило, должны иметь в себе автоматическую схему анти-островка. При преднамеренном изолировании генератор отключается от сети и заставляет распределенный генератор питать локальную цепь. Это часто используется в качестве системы резервного питания для зданий, которые обычно продают свою электроэнергию в сеть.
Существует два типа методов контроля за синхронизацией:
{{cite web}}: CS1 maint: bot: original URL status unknown (link). Сайт острова Пельворм (на немецком языке){{cite web}}: CS1 maint: bot: original URL status unknown (link)Международное энергетическое агентство (2001)
{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )