Фотоэлектрическая система , также называемая фотоэлектрической системой или солнечной энергетической системой , представляет собой электроэнергетическую систему , предназначенную для подачи полезной солнечной энергии посредством фотоэлектрических элементов . Он состоит из нескольких компонентов, включая солнечные панели для поглощения и преобразования солнечного света в электричество, солнечный инвертор для преобразования выходного тока из постоянного в переменный , а также монтажные , кабельные и другие электрические аксессуары для настройки рабочей системы. . Он также может использовать систему слежения за солнечной энергией для улучшения общей производительности системы и включать встроенную батарею .
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 , используемыми для отопления и охлаждения. Солнечная батарея включает в себя только солнечные панели, видимую часть фотоэлектрической системы, и не включает все остальное оборудование, что часто называют балансом системы (BOS). Фотоэлектрические системы варьируются от небольших, монтируемых на крыше или интегрированных в здания систем мощностью от нескольких до нескольких десятков киловатт до крупных электростанций общего пользования мощностью в сотни мегаватт. В настоящее время большинство фотоэлектрических систем подключены к сети , в то время как автономные или автономные системы составляют небольшую часть рынка.
Работая бесшумно и без каких-либо движущихся частей или выбросов в окружающую среду , фотоэлектрические системы превратились из нишевых рыночных приложений в зрелую технологию, используемую для массового производства электроэнергии. Система на крыше окупает затраченную на ее изготовление и установку энергию в течение 0,7–2 лет и производит около 95 процентов чистой чистой возобновляемой энергии в течение 30-летнего срока службы. [1] : 30 [2] [3]
Из-за роста фотоэлектрических систем цены на фотоэлектрические системы быстро снизились с момента их появления; однако они различаются в зависимости от рынка и размера системы. В 2014 году цены на бытовые 5-киловаттные системы в США составляли около 3,29 долларов за ватт, [4] в то время как на широко распространенном рынке Германии цены на крышные системы мощностью до 100 кВт снизились до 1,24 евро за ватт. [5] В настоящее время солнечные фотоэлектрические модули составляют менее половины общей стоимости системы, [6] остальная часть остается на долю остальных компонентов BOS и мягких затрат, которые включают привлечение клиентов, получение разрешений, проверку и соединение, монтажные работы и затраты на финансирование. [7] : 14
Фотоэлектрическая система преобразует солнечное излучение в форме света в полезную электроэнергию . Он включает в себя солнечную батарею и баланс компонентов системы. Фотоэлектрические системы можно классифицировать по различным аспектам, например, подключенные к сети и автономные системы , интегрированные в здание и стоечные системы, жилые и коммунальные системы, распределенные и централизованные системы, системы на крыше и наземные системы. , системы слежения и системы с фиксированным наклоном, а также новые и модернизированные системы. Другие различия могут включать системы с микроинверторами по сравнению с центральным инвертором, системы, использующие кристаллический кремний по сравнению с тонкопленочной технологией , а также системы с модулями.
Около 99 процентов всех европейских и 90 процентов всех солнечных энергетических систем США подключены к электрической сети , тогда как автономные системы несколько более распространены в Австралии и Южной Корее. [8] : 14 фотоэлектрических систем редко используют аккумуляторные батареи. Ситуация может измениться по мере того, как будут реализованы государственные стимулы для распределенного хранения энергии, а инвестиции в решения по хранению постепенно станут экономически выгодными для небольших систем. [9] [10] Типичная солнечная батарея в жилом доме устанавливается на стойке на крыше, а не интегрирована в крышу или фасад здания, что значительно дороже. Солнечные электростанции коммунального масштаба монтируются на земле, с фиксированными наклоненными солнечными панелями, а не с использованием дорогих устройств слежения. Кристаллический кремний является преобладающим материалом, используемым в 90 процентах солнечных модулей, производимых во всем мире, в то время как его конкурент, тонкопленочный, потерял долю рынка. [1] : 17–20 Около 70 процентов всех солнечных элементов и модулей производятся в Китае и Тайване, только 5 процентов – европейскими и американскими производителями . [1] : 11–12 Установленная мощность как небольших крышных систем, так и крупных солнечных электростанций растет быстро и в равных долях, хотя наблюдается заметная тенденция к системам коммунального масштаба, поскольку акцент на новые установки смещается от От Европы к более солнечным регионам, таким как Санбелт в США, которые меньше противостоят наземным солнечным фермам, а экономическая эффективность больше подчеркивается инвесторами. [8] : 43
Благодаря развитию технологий, увеличению масштабов и сложности производства стоимость фотоэлектрических систем постоянно снижается. [3] Существует несколько миллионов фотоэлектрических систем, распределенных по всему миру, в основном в Европе, при этом только в Германии насчитывается 1,4 миллиона систем [1] : 5 , а также в Северной Америке с 440 000 систем в Соединенных Штатах. [11] Эффективность преобразования энергии обычного солнечного модуля увеличилась с 15 до 20 процентов с 2004 года [1] : 17 , а фотоэлектрическая система окупает энергию, необходимую для его изготовления, примерно за 2 года. В исключительно облученных местах или при использовании тонкопленочной технологии так называемый срок окупаемости энергии снижается до одного года или менее. [1] : 30–33 Чистые измерения и финансовые стимулы, такие как льготные тарифы на электроэнергию, вырабатываемую солнечной энергией, также в значительной степени поддержали установку фотоэлектрических систем во многих странах. [12] Приведенная стоимость электроэнергии из крупных фотоэлектрических систем стала конкурентоспособной по сравнению с традиционными источниками электроэнергии в расширяющемся списке географических регионов, а сетевой паритет был достигнут примерно в 30 странах. [13] [14] [15] [16]
По состоянию на 2015 год быстрорастущий мировой рынок фотоэлектрических систем быстро приближается к отметке в 200 ГВт, что примерно в 40 раз превышает установленную мощность в 2006 году. [17] На долю этих систем в настоящее время приходится около 1 процента мирового производства электроэнергии. Крупнейшими установщиками фотоэлектрических систем с точки зрения мощности в настоящее время являются Китай, Япония и США, тогда как половина мировых мощностей установлена в Европе, при этом Германия и Италия обеспечивают от 7% до 8% своего внутреннего потребления электроэнергии с помощью солнечных фотоэлектрических систем. [18] Международное энергетическое агентство ожидает, что солнечная энергия станет крупнейшим в мире источником электроэнергии к 2050 году, при этом солнечная фотоэлектрическая и концентрированная солнечная тепловая энергия будут обеспечивать 16% и 11% глобального спроса соответственно. [7]
Система, подключенная к сети, подключается к более крупной независимой сети (обычно общественной электросети) и подает энергию непосредственно в сеть. Эта энергия может использоваться жилым или коммерческим зданием до или после точки измерения дохода, в зависимости от того, рассчитывается ли зачисленное производство энергии независимо от потребления энергии потребителем ( зеленый тариф ) или только на основе разницы энергии ( чистый учет). ). Эти системы различаются по размеру: от жилых (2–10 кВт пик ) до солнечных электростанций (до десятков МВт пик ). Это форма децентрализованного производства электроэнергии . Подача электроэнергии в сеть требует преобразования постоянного тока в переменный с помощью специального синхронизирующего сетевого инвертора . В установках мощностью в киловатт напряжение системы на стороне постоянного тока должно быть настолько высоким, насколько это разрешено (обычно 1000 В, за исключением 600 В в жилых домах США), чтобы ограничить омические потери. Большинство модулей (60 или 72 кристаллических кремниевых элемента) генерируют от 160 до 300 Вт при напряжении 36 В. Иногда необходимо или желательно соединять модули частично параллельно, а не все последовательно. Отдельный набор модулей, соединенных последовательно, известен как «цепочка». [19] Набор последовательно соединенных «строк» известен как «массив».
Фотоэлектрические системы обычно делятся на три отдельных сегмента рынка: жилые крыши, коммерческие крыши и наземные коммунальные системы. Их мощности варьируются от нескольких киловатт до сотен мегаватт. Типичная жилая система имеет мощность около 10 киловатт и устанавливается на скатной крыше, тогда как коммерческие системы могут достигать мощности в мегаватт и обычно устанавливаются на пологих или даже плоских крышах. Хотя системы, монтируемые на крыше, небольшие по размеру и имеют более высокую стоимость за ватт , чем крупные установки коммунального масштаба, они занимают наибольшую долю на рынке. Однако наблюдается растущая тенденция к созданию более крупных электростанций, особенно в «солнечном поясе» планеты. [8] : 43 [20]
Крупные солнечные парки или фермы коммунального масштаба являются электростанциями и способны обеспечивать электроэнергией большое количество потребителей. Произведенная электроэнергия подается в сеть электропередачи, питаемую центральными генерирующими станциями (подключенные к сети или подключенные к сети электростанции), или в сочетании с одним или несколькими бытовыми генераторами электроэнергии для подачи в небольшую электрическую сеть (гибридная электростанция). В редких случаях вырабатываемая электроэнергия хранится или используется непосредственно островной/автономной электростанцией. [21] [22] Фотоэлектрические системы обычно проектируются таким образом, чтобы обеспечить максимальную отдачу энергии при заданных инвестициях. Некоторые крупные фотоэлектрические электростанции, такие как Solar Star , Waldpolenz Solar Park и Topaz Solar Farm , занимают десятки или сотни гектаров и имеют мощность до сотен мегаватт .
Небольшая фотоэлектрическая система способна обеспечить достаточно электроэнергии переменного тока для питания отдельного дома или изолированного устройства переменного или постоянного тока. Военные и гражданские спутники наблюдения Земли , уличные фонари , строительные и дорожные знаки, электромобили , палатки на солнечной энергии [23] и электрические самолеты могут содержать интегрированные фотоэлектрические системы, обеспечивающие основной или вспомогательный источник энергии в виде энергии переменного или постоянного тока. , в зависимости от конструкции и требований к мощности. В 2013 году на крышные системы пришлось 60 процентов установок во всем мире. Тем не менее, существует тенденция перехода от крышных фотоэлектрических систем к коммунальным фотоэлектрическим системам, поскольку фокус новых фотоэлектрических установок также смещается из Европы в страны солнечного пояса планеты, где противодействие наземным солнечным фермам менее выражено. [8] : 43 Портативные и мобильные фотоэлектрические системы обеспечивают электроэнергию независимо от подключений к коммунальным сетям и работают «вне сети». Такие системы настолько широко используются на транспортных средствах для отдыха и лодках, что существуют розничные продавцы, специализирующиеся на этих приложениях и продуктах, специально предназначенных для них. Поскольку транспортные средства для отдыха (дома на колесах) обычно перевозят аккумуляторы и управляют освещением и другими системами номинально от 12 В постоянного тока, системы на колесах обычно работают в диапазоне напряжений, который может напрямую заряжать 12-вольтовые батареи, поэтому для добавления фотоэлектрической системы требуются только панели, контроллер заряда и проводка. Мощность солнечных систем на транспортных средствах для отдыха обычно ограничена физическим размером крыши дома на колесах. [24]
В городских и пригородных районах фотоэлектрические батареи часто используются на крышах в качестве дополнительного источника энергии; часто здание будет подключено к электросети , и в этом случае энергия, произведенная фотоэлектрической батареей, может быть продана обратно коммунальному предприятию по какому-то соглашению о чистом измерении . Некоторые коммунальные предприятия используют крыши коммерческих клиентов и телефонные столбы для поддержки использования фотоэлектрических панелей. [25] Солнечные деревья — это массивы, которые, как следует из названия, имитируют внешний вид деревьев, обеспечивают тень, а ночью могут функционировать как уличные фонари .
Неопределенность доходов с течением времени связана в основном с оценкой солнечного ресурса и производительностью самой системы. В лучшем случае неопределенности обычно составляют 4% для межгодовой изменчивости климата, 5% для оценки солнечных ресурсов (в горизонтальной плоскости), 3% для оценки облучения в плоскости решетки, 3% для мощности. рейтинг модулей, 2% за потери из-за грязи и загрязнений , 1,5% за потери из-за снега и 5% за другие источники ошибок. Выявление управляемых потерь и реагирование на них имеет решающее значение для доходов и эффективности эксплуатации и технического обслуживания. Мониторинг производительности массива может быть частью договорных соглашений между владельцем массива, строителем и коммунальным предприятием, покупающим произведенную энергию. [ нужна цитата ] Метод создания «синтетических дней» с использованием легкодоступных данных о погоде и проверка с использованием открытого испытательного поля солнечной энергии на открытом воздухе позволяют прогнозировать производительность фотоэлектрических систем с высокой степенью точности. [26] Этот метод можно использовать для определения механизмов потерь в локальном масштабе, например, из-за снега [27] [28] или влияния поверхностных покрытий (например, гидрофобных или гидрофильных ) на загрязнение или потери снега. [29] (Хотя в условиях сильного снегопада с сильными помехами от земли ежегодные потери от снега могут достигать 30%. [30] ) Доступ к Интернету позволил еще больше улучшить мониторинг энергопотребления и связь. Выделенные системы доступны от ряда поставщиков. Для солнечных фотоэлектрических систем, в которых используются микроинверторы (преобразование постоянного тока в переменный на уровне панели), данные о мощности модуля предоставляются автоматически. Некоторые системы позволяют настраивать оповещения о производительности, которые вызывают оповещения по телефону, электронной почте или текстовым сообщениям при достижении пределов. Эти решения предоставляют данные владельцу системы и установщику. Установщики могут удаленно контролировать несколько установок и сразу видеть состояние всей установленной базы. [ нужна цитата ]
Фотоэлектрическая система для энергоснабжения жилых, коммерческих или промышленных предприятий состоит из солнечной батареи и ряда компонентов, которые часто называют балансом системы (BOS). Этот термин является синонимом « баланса установки ». Компоненты BOS включают в себя оборудование для стабилизации электропитания и конструкции для монтажа, обычно один или несколько преобразователей постоянного тока в переменный , также известных как инверторы , устройство накопления энергии, стеллажную систему, поддерживающую солнечная батарея, электрическая проводка и соединения, а также монтаж других компонентов.
По желанию баланс системы может включать в себя любое или все из следующего: коммерческий счетчик возобновляемой энергии , устройство отслеживания точки максимальной мощности (MPPT), аккумуляторную систему и зарядное устройство , солнечное устройство слежения GNSS , программное обеспечение для управления энергопотреблением , датчики солнечного излучения , анемометр , или аксессуары для конкретных задач, разработанные с учетом особых требований владельца системы. Кроме того, для системы CPV требуются оптические линзы или зеркала, а иногда и система 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 цепочки из нескольких модулей. Термин «солнечная система» также часто используется неправильно для обозначения фотоэлектрической системы.
Строительными блоками фотоэлектрической системы являются солнечные элементы. Солнечная батарея — 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 красителями , перовскитных и многопереходных клеток . [31] [32]
Обычные солнечные элементы c-Si , обычно соединенные последовательно, заключены в солнечный модуль для защиты от атмосферных воздействий. Модуль состоит из закаленного стекла в качестве крышки, мягкого и гибкого герметика , заднего заднего листа из атмосферостойкого и огнестойкого материала и алюминиевой рамы по внешнему краю. Электрически соединенные и установленные на несущей конструкции солнечные модули образуют цепочку модулей, часто называемую солнечной панелью. Солнечная батарея состоит из одной или нескольких таких панелей. [33] Фотоэлектрическая батарея, или солнечная батарея, представляет собой связанную совокупность солнечных модулей. Мощности, которую может производить один модуль, редко бывает достаточно для удовлетворения потребностей дома или бизнеса, поэтому модули соединяются вместе, образуя массив. В большинстве фотоэлектрических массивов используется инвертор для преобразования энергии постоянного тока, вырабатываемой модулями, в переменный ток , который может питать освещение , двигатели и другие нагрузки. Модули фотоэлектрической батареи обычно сначала соединяются последовательно, чтобы получить желаемое напряжение ; затем отдельные цепочки соединяются параллельно, чтобы позволить системе производить больший ток . Солнечные панели обычно измеряются в ваттах в условиях STC (стандартные условия испытаний) или PTC (условия испытаний PVUSA) . [34] Типичная мощность панели варьируется от менее 100 Вт до более 400 Вт. [35] Номинальная мощность массива представляет собой сумму номинальных характеристик панели в ваттах, киловаттах или мегаваттах.
Типичный фотоэлектрический модуль мощностью 150 Вт имеет размер около квадратного метра. Можно ожидать, что такой модуль будет производить 0,75 киловатт-часа (кВтч) каждый день в среднем, с учетом погоды и широты, при инсоляции 5 солнечных часов в день. Выходная мощность модуля ухудшается быстрее при повышении температуры. Разрешение окружающего воздуха течь над фотоэлектрическими модулями и, если возможно, сзади, уменьшает эту проблему. Эффективный срок службы модулей обычно составляет 25 лет и более. [36] Срок окупаемости инвестиций в фотоэлектрическую солнечную установку сильно варьируется и обычно менее полезен, чем расчет окупаемости инвестиций . [37] Хотя обычно он составляет от 10 до 20 лет, период финансовой окупаемости может быть намного короче при наличии стимулов . [38]
Влияние температуры на фотоэлектрические модули обычно оценивают количественно с помощью некоторых коэффициентов, связывающих изменения напряжения холостого хода, тока короткого замыкания и максимальной мощности с изменениями температуры. В этой статье даны подробные экспериментальные рекомендации по оценке температурных коэффициентов. [39]
Из-за низкого напряжения отдельного солнечного элемента (обычно около 0,5 В) несколько элементов соединяются последовательно (см. Медь в возобновляемых источниках энергии # Солнечная фотоэлектрическая энергия ) при производстве «ламината». Ламинат собирается в защитный корпус, защищенный от атмосферных воздействий, образуя фотоэлектрический модуль или солнечную панель . Затем модули можно объединить в фотоэлектрическую батарею. В 2012 году солнечные панели, доступные для потребителей, имели эффективность примерно до 17%, [40] тогда как коммерчески доступные панели могут достигать 27%. Концентрируя солнечный свет, можно добиться более высокой эффективности. Группа из Института систем солнечной энергии Фраунгофера создала элемент, эффективность которого может достигать 44,7%, используя эквивалент «297 солнц». [41] [42] [43] [44]
Электрическая мощность фотоэлектрических элементов чрезвычайно чувствительна к затенению (так называемый «эффект рождественского света»). [45] [46] [47] Когда даже небольшая часть ячейки, модуля или массива ячеек, расположенных параллельно, затенена, а остальная часть находится под солнечным светом, выходная мощность резко падает из-за внутреннего «короткого замыкания» ( электроны меняют курс через заштрихованную часть). При последовательном соединении ток, потребляемый цепочкой ячеек, не превышает обычно небольшой ток, который может течь через заштрихованную ячейку, поэтому ток (и, следовательно, мощность), развиваемый цепочкой, ограничен. Если внешняя нагрузка имеет достаточно низкий импеданс, на других ячейках в цепочке может быть достаточно напряжения, чтобы пропустить больший ток через заштрихованную ячейку за счет разрушения перехода. Это напряжение пробоя в обычных элементах составляет от 10 до 30 вольт. Вместо того, чтобы увеличивать мощность, вырабатываемую панелью, затененная ячейка поглощает энергию, превращая ее в тепло. Поскольку обратное напряжение заштрихованной ячейки намного больше, чем прямое напряжение освещенной ячейки, одна заштрихованная ячейка может поглощать мощность многих других ячеек в цепочке, непропорционально влияя на выходную мощность панели. Например, заштрихованная ячейка может упасть на 8 В вместо добавления 0,5 В при высоком уровне тока, тем самым поглощая мощность, производимую 16 другими ячейками. [48] Поэтому важно, чтобы фотоэлектрическая установка не была затенена деревьями или другими препятствиями. Существуют методы уменьшения 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 в обоих крупных регионах с использованием LiDAR [49] , а также на уровне отдельной системы с использованием программного обеспечения для 3D-моделирования . [50] Большинство модулей имеют байпасные диоды между каждой ячейкой или цепочкой ячеек, которые минимизируют эффект затенения и теряют только мощность, которую могла бы подавать затененная часть массива, а также мощность, рассеиваемую на диодах. Основная задача байпасного диода — устранение горячих точек, образующихся на ячейках, которые могут привести к дальнейшему повреждению массива и вызвать возгорание.
Солнечный свет может поглощаться пылью, снегом или другими загрязнениями на поверхности модуля (вместе называемые загрязнениями ). Загрязнение уменьшает количество света, попадающего на элементы, что, в свою очередь, снижает выходную мощность фотоэлектрической системы. Потери от загрязнения со временем накапливаются 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 чистоты поверхности модуля повысит выходную мощность 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 производительность почти на 100%. Однако антенны, наклоненные под углом 5°, хорошо очищались дождевой водой. [28] [56] Во многих случаях, особенно в засушливых регионах или в местах, находящихся в непосредственной близости от пустынь, дорог, промышленности или сельского хозяйства, регулярная очистка солнечных панелей экономически эффективна . По оценкам, в 2018 году потери доходов, вызванные загрязнением, составили от 5 до 7 миллиардов евро. [51]
Долгосрочная надежность фотоэлектрических модулей имеет решающее значение для обеспечения технической и экономической жизнеспособности фотоэлектрических систем как успешного источника энергии. Анализ механизмов деградации фотоэлектрических модулей является ключом к обеспечению текущего срока службы, превышающего 25 лет. [57]
Солнечная инсоляция состоит из прямой, рассеянной и отраженной радиации . Коэффициент поглощения фотоэлектрического элемента определяется как доля падающего солнечного излучения, поглощаемая элементом. [58] Когда солнце находится в зените в безоблачный день, мощность Солнца составляет около 1 кВт /м 2 , [59] на поверхности Земли, в плоскости, перпендикулярной солнечным лучам. Таким образом, фотоэлектрические массивы могут отслеживать солнце каждый день, что значительно увеличивает сбор энергии. Однако устройства слежения увеличивают стоимость и требуют обслуживания, поэтому фотоэлектрические массивы чаще имеют фиксированные крепления, которые наклоняют массив и обращены строго на юг в северном полушарии или строго на север в южном полушарии. Угол наклона от горизонтали можно изменять в зависимости от сезона, [60] но, если он фиксирован, его следует установить так, чтобы обеспечить оптимальную выходную мощность массива в период пикового спроса на электроэнергию в обычный год для автономной системы. Этот оптимальный угол наклона модуля не обязательно идентичен углу наклона для максимальной годовой выработки энергии. [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 выборе оптимального 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 рассчитывать на выработку 1 кВтч/м 2 /день. [ нужна цитата ] Типичная фотоэлектрическая установка мощностью 1 кВт в Австралии или южных широтах Европы или США может производить 3,5–5 кВтч в день, в зависимости от местоположения, ориентации, наклона, инсоляции и других факторов. [ нужна цитата ] В пустыне Сахара , с меньшим облачным покровом и лучшим углом солнечного света, в идеале можно было бы получить около 8,3 кВтч/м 2 /день, при условии, что почти всегда присутствующий ветер не будет задувать песок на устройства. Площадь пустыни Сахара составляет более 9 млн км 2 . 90 600 км 2 , или около 1%, могли бы производить столько же электроэнергии, сколько все электростанции мира вместе взятые. [64]
Модули собираются в массивы с помощью какой-либо системы крепления, которую можно классифицировать как крепление на земле, на крыше или на опоре. Для солнечных парков большая стойка монтируется на земле, а модули устанавливаются на стойку. Для зданий придумано множество различных стоек для скатных крыш. Для плоских крыш используются стеллажи, контейнеры и комплексные строительные решения. [ нужна ссылка ] Стойки для солнечных панелей, установленные на вершине опор, могут быть стационарными или движущимися, см. «Трекеры» ниже. Боковые крепления подходят для ситуаций, когда на вершине столба установлено что-то еще, например осветительный прибор или антенна. Монтаж на столбе поднимает то, что в противном случае было бы наземным массивом, над тенями от сорняков и домашним скотом и может удовлетворить требования электрических норм в отношении недоступности открытой проводки. Панели, установленные на опоре, открыты для большего количества охлаждающего воздуха с нижней стороны, что повышает производительность. Множество стоек на вершине столба можно превратить в навес для машины или другую теневую конструкцию. Стойка, которая не следует за солнцем слева направо, может допускать сезонную регулировку вверх или вниз.
Из-за использования на открытом воздухе солнечные кабели устойчивы 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 электропитания», британский стандарт BS 7671 , включающий правила, касающиеся микрогенерации и фотоэлектрических систем, и стандарт США UL4703, предмет 4703 «Фотоэлектрический провод».
Солнечный кабель — это соединительный кабель , используемый при выработке фотоэлектрической энергии. Солнечные кабели соединяют солнечные панели и другие электрические компоненты фотоэлектрической системы. Солнечные кабели устойчивы к ультрафиолетовому излучению и атмосферным воздействиям. Их можно использовать в широком диапазоне температур.
Конкретные требования к характеристикам материала, используемого для электромонтажа установки солнечной панели, приведены в национальных и местных электротехнических нормах , которые регулируют электроустановки в данном районе. Общими характеристиками, необходимыми для солнечных кабелей, являются устойчивость к ультрафиолетовому излучению, погодным условиям, экстремальным температурам в данной местности и изоляция, подходящая для класса напряжения оборудования. В разных юрисдикциях будут действовать особые правила относительно заземления солнечных электростанций 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 направлена либо прямо на Солнце, либо на самый яркий участок частично облачного неба. Трекеры значительно улучшают производительность ранним утром и 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 (т.е. в облаках или тумане) отслеживание не имеет большого значения или не имеет вообще никакого значения. Поскольку большинство концентрированных фотоэлектрических систем очень чувствительны к углу падения солнечного света, системы слежения позволяют им производить полезную энергию в течение более чем короткого периода времени каждый день. [67] Системы слежения повышают производительность по двум основным причинам. Во-первых, когда солнечная панель расположена перпендикулярно солнечному свету, на ее поверхность попадает больше света, чем если бы она была расположена под углом. Во-вторых, прямой свет используется более эффективно, чем наклонный. [68] Специальные антибликовые покрытия могут повысить эффективность солнечных панелей при прямом и угловом освещении, несколько снижая эффективность отслеживания. [69]
Трекеры и датчики для оптимизации производительности часто рассматриваются как дополнительные, но они могут увеличить производительность до 45%. [70] В массивах, мощность которых приближается к одному мегаватту или превышает его, часто используются солнечные трекеры. Учитывая облака и тот факт, что большая часть мира находится не на экваторе, а солнце садится вечером, правильным показателем солнечной энергии является инсоляция – среднее количество киловатт-часов на квадратный метр в день. Для погоды и широт США и Европы типичная инсоляция колеблется от 2,26 кВтч/м 2 /день в северном климате до 5,61 кВтч/м 2 /день в самых солнечных регионах. [71] [72]
Для больших систем энергия, получаемая от использования систем слежения, может перевесить дополнительную сложность. Для очень больших систем дополнительное сопровождение отслеживания является существенным ущербом. [73] Отслеживание не требуется для плоских панелей и фотоэлектрических систем с низкой концентрацией . Для фотоэлектрических систем высокой концентрации двухосное отслеживание является необходимостью. [74] Тенденции ценообразования влияют на баланс между добавлением большего количества стационарных солнечных панелей и меньшим количеством отслеживающих панелей.
Поскольку цены, надежность и производительность одноосных трекеров улучшились, эти системы стали устанавливаться во все большем проценте проектов коммунального масштаба. По данным WoodMackenzie/GTM Research, глобальные поставки солнечных трекеров достигли рекордных 14,5 гигаватт в 2017 году. Это представляет собой рост на 32 процента по сравнению с прошлым годом, причем аналогичный или больший рост прогнозируется по мере ускорения крупномасштабного внедрения солнечной энергии. [75]
Системы, предназначенные для подачи переменного тока (AC), например, приложения, подключенные к сети, нуждаются в инверторе для преобразования постоянного тока (DC) от солнечных модулей в переменный ток. Инверторы, подключенные к сети, должны подавать электроэнергию переменного тока в синусоидальной форме, синхронизированную с частотой сети, ограничивать подаваемое напряжение не выше напряжения сети и отключаться от сети, если напряжение сети отключается. [76] Изолированные инверторы должны производить только регулируемые напряжения и частоты синусоидальной формы, поскольку не требуется никакой синхронизации или координации с сетевыми источниками питания.
Солнечный инвертор может подключаться к цепочке солнечных панелей. В некоторых установках к каждой солнечной панели подключается солнечный микроинвертор . [77] Из соображений безопасности автоматический выключатель предусмотрен как на стороне переменного, так и на стороне постоянного тока для обеспечения возможности технического обслуживания. Выход переменного тока можно подключить 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 определяет количество ватт переменного тока, которое может быть распределено для потребления. Например, фотоэлектрическая система, состоящая из фотоэлектрических модулей мощностью 11 киловатт постоянного тока (кВт постоянного тока ) в сочетании с одним инвертором переменного тока (кВт переменного тока ) мощностью 10 киловатт, будет ограничена выходной мощностью инвертора 10 кВт. По состоянию на 2019 год эффективность преобразования современных преобразователей достигла более 98 процентов. В то время как струнные инверторы используются в бытовых и средних коммерческих фотоэлектрических системах, центральные инверторы охватывают большой рынок коммерческих и коммунальных предприятий. Доля рынка центральных и струнных инверторов составляет около 44 процентов и 52 процентов соответственно, при этом 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 измеряет постоянно меняющуюся выходную мощность солнечной батареи и применяет правильный импеданс для поиска оптимальной точки максимальной мощности . [80]
Анти-изолирование — это механизм защиты, позволяющий немедленно отключить инвертор, не позволяя ему генерировать мощность переменного тока, когда соединение с нагрузкой больше не существует. Это происходит, например, в случае отключения электроэнергии. Без этой защиты линия электропитания превратилась бы в «остров» с электроэнергией, окруженный «морем» обесточенных линий, поскольку солнечная батарея продолжает подавать энергию постоянного тока во время отключения электроэнергии. Изолирование представляет опасность для работников коммунальных предприятий, которые могут не осознавать, что цепь переменного тока все еще находится под напряжением, и может помешать автоматическому повторному подключению устройств. [81] Функция защиты от изолирования не требуется для полноценных автономных систем.
Несмотря на то, что фотоэлектрические системы по-прежнему дороги, они все чаще используют перезаряжаемые батареи для хранения излишков энергии для последующего использования в ночное время. Батареи, используемые для хранения энергии в сети, также стабилизируют электрическую сеть, выравнивая пиковые нагрузки , и играют важную роль в интеллектуальной сети , поскольку они могут заряжаться в периоды низкого спроса и подавать накопленную энергию в сеть, когда спрос высок.
Общие аккумуляторные технологии, используемые в современных фотоэлектрических системах, включают свинцово-кислотные батареи с клапанным регулированием – модифицированную версию обычных свинцово-кислотных батарей – никель-кадмиевые и литий-ионные батареи. По сравнению с другими типами свинцово-кислотные аккумуляторы имеют более короткий срок службы и меньшую плотность энергии. Однако из-за их высокой надежности, низкого саморазряда, а также низких инвестиций и затрат на техническое обслуживание в настоящее время (по состоянию на 2014 год) они являются преобладающей технологией, используемой в небольших бытовых фотоэлектрических системах, поскольку литий-ионные батареи все еще разрабатываются. и примерно в 3,5 раза дороже свинцово-кислотных аккумуляторов. Кроме того, поскольку накопители для фотоэлектрических систем являются стационарными, меньшая плотность энергии и мощности и, следовательно, больший вес свинцово-кислотных аккумуляторов не так критичны, как, например, в электротранспорте [9] : 4, 9 Другие аккумуляторные батареи, рассматриваемые для Распределенные фотоэлектрические системы включают натриево-серные и ванадиевые окислительно-восстановительные батареи, два известных типа расплавленной соли и проточную батарею соответственно. [9] : 4 В 2015 году Tesla Motors выпустила Powerwall , литий-ионную перезаряжаемую батарею, целью которой является революция в потреблении энергии. [82]
Фотоэлектрические системы со встроенным аккумулятором также нуждаются в контроллере заряда , поскольку изменяющееся напряжение и ток солнечной батареи требуют постоянной регулировки, чтобы предотвратить повреждение от перезарядки. [83] Базовые контроллеры заряда могут просто включать и выключать фотоэлектрические панели или измерять импульсы энергии по мере необходимости. Эта стратегия называется ШИМ или широтно-импульсной модуляцией . Более продвинутые контроллеры заряда будут включать логику MPPT в свои алгоритмы зарядки аккумуляторов. Контроллеры заряда также могут направлять энергию на другие цели, кроме зарядки аккумулятора. Вместо того, чтобы просто отключать бесплатную фотоэлектрическую энергию, когда она не нужна, пользователь может нагревать воздух или воду, когда батарея полностью заряжена.
Счетчик должен иметь возможность накапливать единицы энергии в обоих направлениях, либо необходимо использовать два счетчика. Многие счетчики накапливают двунаправленно, некоторые системы используют два счетчика, но однонаправленный счетчик (с фиксатором) не будет накапливать энергию от какой-либо результирующей подачи в сеть. [84] В некоторых странах для установок мощностью более 30 кВт в пик требуется устройство контроля частоты и напряжения с отключением всех фаз. Это делается в тех случаях, когда вырабатывается больше солнечной энергии, чем может обеспечить коммунальное предприятие, а избыток не может быть ни экспортирован, ни сохранен . Исторически сетевым операторам приходилось обеспечивать линии электропередачи и генерирующие мощности. Теперь им нужно еще и место для хранения обеспечить. Обычно это гидроаккумулирование, но используются и другие способы хранения. Первоначально хранилище использовалось для того, чтобы генераторы базовой нагрузки могли работать на полную мощность. При использовании возобновляемых источников энергии необходимо хранилище, позволяющее производить электроэнергию, когда она доступна, и потреблять ее, когда это необходимо.
Две переменные, которые есть у оператора сети, — это хранить электроэнергию, когда она необходима, или передавать ее туда, где она необходима. Если оба из них выходят из строя, установки мощностью более 30 кВт могут автоматически отключиться, хотя на практике все инверторы поддерживают регулирование напряжения и прекращают подачу электроэнергии, если нагрузка недостаточна. У сетевых операторов есть возможность сократить избыточную выработку энергии в крупных системах, хотя это чаще делается с использованием энергии ветра, чем солнечной энергии, и приводит к существенной потере доходов. [85] Трехфазные инверторы имеют уникальную возможность подачи реактивной мощности, что может быть выгодно при согласовании требований нагрузки. [86]
Фотоэлектрические системы необходимо контролировать для выявления поломок и оптимизации работы. Существует несколько стратегий фотоэлектрического мониторинга в зависимости от мощности установки и ее характера. Мониторинг может осуществляться на месте или удаленно. Он может только измерять производительность, получать все данные от инвертора или получать все данные от коммуникационного оборудования (зондов, счетчиков и т. д.). Инструменты мониторинга могут быть предназначены только для контроля или предлагать дополнительные функции. Отдельные инверторы и контроллеры заряда аккумуляторов могут включать мониторинг с использованием протоколов и программного обеспечения, разработанных производителем. [87] Измерение энергии инвертора может иметь ограниченную точность и не подходить для целей коммерческого учета. Сторонняя система сбора данных может контролировать несколько инверторов, используя протоколы производителя инверторов, а также получать информацию, связанную с погодой. Независимые интеллектуальные счетчики могут измерять общее производство энергии фотоэлектрической системой. Отдельные меры, такие как анализ спутниковых изображений или измеритель солнечной радиации (пиранометр ) , могут использоваться для оценки общей инсоляции для сравнения. [88] Данные, собранные из системы мониторинга, могут отображаться удаленно через Всемирную паутину, например, OSOTF . [89] [90] [91] [92]
Зная годовое потребление энергии учреждением или семьей в кВтч, например 2300 кВтч, 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/, после выбора места установки панелей или нажатия на карту или ввода названия места необходимо выбрать «Сетка подключена» и «Визуализация результатов» дает следующую таблицу, например, относящуюся к городу Палермо:
Предоставленные данные:;Местоположение [широта/долгота]:;38.111,13.352Горизонт:;РассчитаноИспользуемая база данных:;PVGIS-SARAH2.Фотоэлектрическая технология: Кристаллический кремнийУстановленная фотоэлектрическая система [кВт]:;1Системные потери [%]:;14Результаты моделирования:;Угол наклона [°]:;35Угол азимута [°]:;0Годовое производство фотоэлектрической энергии [кВтч]:;1519,1Ежегодное плоскостное облучение [кВтч/м2]:;1944,62Межгодовая изменчивость [кВтч]:;47,61Изменения объема производства из-за:;Угол падения [%]:;-2,68Спектральные эффекты [%]:;0,88Температура и низкая освещенность [%]:;-7,48Общие потери [%]:;-21,88Стоимость фотоэлектрической электроэнергии [за кВтч]:;
При использовании программы wxMaxima количество панелей, необходимых для годового потребления 2300 кВтч и для технологии кристаллического кремния с углом наклона 35°, углом азимута 0° и общими потерями равными 21,88%, составляет 6, округленное в большую сторону:
Е_д : 2300 ; Е_с : 1519,1 ; П : 300 ; Количество_панелей : 1000 * E_d / ( P * E_s ) ; 5.046847914335243В среднем каждой семье удается потреблять 30% энергии непосредственно от фотоэлектрических станций. Система хранения может довести собственное потребление до 70%, поэтому емкость аккумулятора, которая должна быть в конкретном случае, составляет: 4,41 кВтч, округленная в большую сторону равна 4,8 кВтч.
Емкость_аккумулятора : 0,70 * E_d / 365 ; 4.410958904109589Если цена энергии составляет 0,5 евро/кВтч, то стоимость энергии без учета налогов составит 1150 евро в год:
Energy_cost : E_d * 0,5 ; 1150,0Таким образом, если панель мощностью 300 Вт стоит 200 евро, батарея 4,8 кВтч стоит 3000 евро, инвертор для преобразования постоянного тока в переменный 1000 евро, регулятор заряда 100 евро, установка стоит 1000 евро, общая стоимость составит 6300 евро:
Общая_стоимость : 200 * 6 + 3000 + 1000 + 100 + 1000 ; 3150которые амортизируются в течение 5,46 лет:
Годы : Total_cost / Energy_cost ; 5,46 ...срок службы батареи 10 лет, а панелей 25–30 лет.
В этот раздел включены системы, которые либо являются узкоспециализированными и необычными, либо представляют собой новую новую технологию, имеющую ограниченное значение. Однако автономные или автономные 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 исключительно нишу рынка небольших приложений. Только там, где не было электрической сети, они были экономически жизнеспособны. Хотя новые автономные системы все еще развертываются по всему миру, их вклад в общую установленную фотоэлектрическую мощность снижается. В Европе автономные системы составляют 1 процент установленной мощности. В США они составляют около 10 процентов. Автономные системы по-прежнему распространены в Австралии и Южной Корее, а также во многих развивающихся странах. [8] : 14
Фотоэлектрические системы с концентраторами (CPV) и фотоэлектрические системы с высокой концентрацией (HCPV) используют оптические линзы или изогнутые зеркала для концентрации солнечного света на небольших, но высокоэффективных солнечных элементах. Помимо концентрации оптики, системы CPV иногда используют солнечные трекеры и системы охлаждения и стоят дороже.
Системы HCPV особенно 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, продолжаются исследования и разработки. [1] : 26
CPV часто путают с CSP ( концентрированной солнечной энергией ), в которой не используются фотоэлектрические элементы. Обе технологии отдают предпочтение местам, которые получают много солнечного света и напрямую конкурируют друг с другом.
Гибридная система сочетает фотоэлектрическую энергию с другими формами генерации, обычно с дизельным генератором. Также используется биогаз. Другой формой генерации может быть тип, способный модулировать выходную мощность в зависимости от спроса. Однако можно использовать более одной возобновляемой формы энергии, например ветер. Производство фотоэлектрической энергии служит для снижения потребления невозобновляемого топлива. Гибридные системы чаще всего встречаются на островах. Яркими примерами являются остров Пеллворм в Германии и остров Кифнос в Греции (оба связаны с ветром). [93] [94] Завод Китнос сократил потребление дизельного топлива на 11,2%. [95]
В 2015 году тематическое исследование, проведенное в семи странах, пришло к выводу, что во всех случаях затраты на производство электроэнергии можно снизить за счет гибридизации мини-сетей и изолированных сетей. Однако затраты на финансирование таких гибридов имеют решающее значение и во многом зависят от структуры собственности электростанции. Хотя снижение затрат для государственных коммунальных предприятий может быть значительным, исследование также выявило, что экономические выгоды являются незначительными или даже отрицательными для негосударственных коммунальных предприятий, таких как независимые производители электроэнергии . [96] [97]
Также была проведена работа, показывающая, что предел проникновения фотоэлектрических систем можно увеличить за счет развертывания распределенной сети гибридных систем фотоэлектрических + ТЭЦ в США [98]. Было проанализировано временное распределение солнечного потока, требований к электричеству и отоплению для типичных жилых домов в США на одну семью. и результаты ясно показывают, что гибридизация ТЭЦ с фотоэлектрическими системами может обеспечить дополнительное развертывание фотоэлектрических систем по сравнению с тем, что возможно при использовании традиционной централизованной системы производства электроэнергии. Эта теория была подтверждена численным моделированием с использованием посекундных данных о солнечном потоке, чтобы определить, что необходимое резервное питание от аккумуляторной батареи для обеспечения такой гибридной системы возможно при использовании относительно небольших и недорогих аккумуляторных систем. [99] Кроме того, для институциональных зданий возможны крупные фотоэлектрические + ТЭЦ-системы, которые снова обеспечивают резервное копирование для прерывистой фотоэлектрической энергии и сокращают время работы ТЭЦ. [100]
Плавающие солнечные батареи или плавучие фотоэлектрические батареи (FPV), иногда называемые плавающими фотоэлектрическими батареями, представляют собой солнечные панели , установленные на конструкции, которая плавает на водоеме, обычно в водоеме или озере, таком как резервуары с питьевой водой, карьерные озера, оросительные каналы или очистные и хвостохранилища. . Все большее число таких систем существует в Китае , Франции , Индонезии , Индии , Японии , Южной Корее , Великобритании , Сингапуре и США . [104] [105] [106] [107] [108]
Эти системы могут иметь преимущества перед фотоэлектрическими (PV) на суше. Водные поверхности могут быть дешевле, 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 пенопласта [109] имеют одни из самых низких сроков окупаемости энергии (1,3 года) и самое низкое соотношение выбросов парниковых газов к энергии (11 кг CO 2 экв/МВтч) среди зарегистрированных солнечных фотоэлектрических технологий на основе кристаллического кремния. [110]
Плавающие массивы могут обеспечить более высокую эффективность, чем фотоэлектрические панели на суше, поскольку вода охлаждает панели. Панели могут иметь специальное покрытие для предотвращения ржавчины и коррозии. [111]
Рынок этой технологии возобновляемой энергетики быстро рос с 2016 года. Первые 20 электростанций 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] превысит прогноз в 10 ГВт к 2025 году. [114] По оценкам Всемирного банка, существует 6600 крупных водоемов, пригодных для использования плавучих солнечных батарей, с технической мощностью более 4000 ГВт, если 10% их поверхностей будут покрыты солнечными панелями. [113]
Затраты на плавучую систему примерно на 10-20% выше, чем на наземные системы. [115] [116]Сети постоянного тока встречаются на электротранспорте: железнодорожных трамваях и троллейбусах. Было построено несколько пилотных установок для таких применений, таких как трамвайные депо в Ганновере, Лейнхаузен, с использованием фотоэлектрических источников [117] и в Женеве (Баше де Песей). [118] Женевская станция мощностью 150 кВт на пик подает напряжение 600 В постоянного тока непосредственно в электрическую сеть трамвая/троллейбуса, тогда как раньше на момент открытия в 1999 году она обеспечивала около 15% электроэнергии.
Автономная или автономная система не подключена к электрической сети . Автономные системы сильно различаются по размеру и способу применения: от наручных часов и калькуляторов до удаленных зданий или космических кораблей . Если нагрузка должна питаться независимо от солнечной инсоляции , генерируемая энергия сохраняется и буферизуется с помощью батареи. [119] В непереносных устройствах, где вес не является проблемой, например, в зданиях, чаще всего используются свинцово-кислотные батареи из-за их низкой стоимости и устойчивости к неправильному обращению.
В систему может быть встроен контроллер заряда, чтобы избежать повреждения батареи из-за чрезмерной зарядки или разрядки. Это также может помочь оптимизировать производство солнечной батареи, используя метод отслеживания точки максимальной мощности ( MPPT ). Однако в простых фотоэлектрических системах, где напряжение фотоэлектрического модуля согласовано с напряжением батареи, использование электроники MPPT обычно считается ненужным, поскольку напряжение батареи достаточно стабильно, чтобы обеспечить почти максимальный сбор мощности от 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 батарей в переменный ток используется инвертор .
В сельском хозяйстве массив можно использовать для прямого питания насосов постоянного тока без необходимости использования инвертора . В отдаленных районах, таких как горные районы, острова или другие места, где электросеть недоступна, солнечные батареи можно использовать 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 эффекта масштаба производства и технологических достижений в производстве. Для крупномасштабных установок к 2012 году обычным явлением были цены ниже 1,00 доллара за ватт. [122] Снижение цен на 50% было достигнуто в Европе с 2006 по 2011 год, и существовала возможность снизить стоимость генерации на 50% к 2020 году. [123] Солнечные элементы из кристаллического кремния в значительной степени были заменены менее дорогими солнечными элементами из мультикристаллического кремния, а также были разработаны тонкопленочные кремниевые солнечные элементы с более низкими затратами на производство . Хотя эффективность преобразования энергии у них ниже, чем у монокристаллических «сивафлей», их гораздо легче производить и при сравнительно меньших затратах. [124]
В таблице ниже показана общая (средняя) стоимость в центах США за кВтч электроэнергии, вырабатываемой фотоэлектрической системой. [125] [126] Заголовки строк слева показывают общую стоимость фотоэлектрической установки на пиковый киловатт (кВт p ). Затраты на фотоэлектрические системы снижаются, и, например, в Германии, как сообщается, к концу 2014 года они упали до 1389 долларов США за кВтч . [127] Заголовки столбцов в верхней части относятся к годовой выработке энергии в кВтч, ожидаемой от каждой установленная кВт p . Это зависит от географического региона, поскольку средняя инсоляция зависит от средней облачности и толщины атмосферы, через которую проходит солнечный свет. Это также зависит от пути солнца относительно панели и горизонта. Панели обычно устанавливаются под углом в зависимости от широты, и часто их корректируют в зависимости от сезона, чтобы соответствовать изменяющемуся солнечному склонению . Солнечное отслеживание также можно использовать для доступа к еще более перпендикулярному солнечному свету, тем самым увеличивая общую выработку энергии.
Расчетные значения в таблице отражают общую (среднюю) стоимость в центах за произведенный кВтч. Они предполагают, что общие капитальные затраты составляют 10 % (например, процентная ставка 4 % , затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание 1 %, [128] и амортизация капитальных затрат в течение 20 лет). Обычно на фотоэлектрические модули предоставляется 25-летняя гарантия. [129] [130]
Фотоэлектрические системы демонстрируют кривую обучения с точки зрения приведенной стоимости электроэнергии (LCOE), снижая ее стоимость за кВтч на 32,6% при каждом удвоении мощности. [132] [133] [134] На основе данных LCOE и совокупной установленной мощности Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA) с 2010 по 2017 год, [133] [134] уравнение кривой обучения для фотоэлектрических систем задается как [132]
Увеличение использования фотоэлектрических систем и интеграция фотоэлектрической энергии в существующие структуры и методы снабжения и распределения увеличивает потребность в общих стандартах и определениях для фотоэлектрических компонентов и систем. [ нужна ссылка ] Стандарты составлены Международной электротехнической комиссией (МЭК) и применяются к эффективности, долговечности и безопасности элементов, модулей, программ моделирования, штепсельных разъемов и кабелей, систем крепления, общей эффективности инверторов и т. д. [135]
В Великобритании фотоэлектрические установки обычно считаются разрешенной застройкой и не требуют разрешения на строительство. Если недвижимость внесена в список или находится в обозначенной зоне (Национальный парк, Зона выдающейся природной красоты, Участок особого научного интереса или Норфолк-Бродс), то требуется разрешение на строительство. [136]
В Соединенных Штатах статья 690 Национального электротехнического 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 перед началом работ. Кроме того, во многих регионах требуется, чтобы работа выполнялась под руководством лицензированного электрика.
Орган , обладающий юрисдикцией (AHJ), рассмотрит проекты и выдаст разрешения, прежде чем строительство сможет начаться на законных основаниях. Практика электромонтажа должна соответствовать стандартам, установленным Национальным электротехническим кодексом (NEC), и проверяться AHJ на предмет соответствия строительным нормам , электротехническим нормам и нормам пожарной безопасности . Юрисдикции могут требовать, чтобы оборудование было протестировано, сертифицировано, внесено в список и маркировано хотя бы одной из признанных на национальном уровне испытательных лабораторий (NRTL). [137] Во многих населенных пунктах требуется разрешение на установку фотоэлектрической системы. Для системы, подключенной к сети, обычно требуется лицензированный электрик для подключения системы к проводке здания, подключенной к сети. [138] Монтажники, соответствующие этой квалификации, есть почти в каждом штате. [137] Некоторые штаты запрещают ассоциациям домовладельцев ограничивать использование солнечных устройств. [139] [140] [141]
Хотя Испания производит около 40% своей электроэнергии с помощью фотоэлектрических и других возобновляемых источников энергии, а такие города, как Уэльва и Севилья, могут похвастаться почти 3000 солнечными часами в год, в 2013 году Испания ввела налог на солнечную энергию для учета долга, образовавшегося в результате сделанных инвестиций. правительством Испании. Тем, кто не подключится к сети, грозит штраф в размере до 30 миллионов евро (40 миллионов долларов США). [142] Такие меры были окончательно отменены к 2018 году, когда было принято новое законодательство, запрещающее любые налоги на самопотребление возобновляемой энергии. [143]
С увеличением количества фотоэлектрических систем на крышах поток энергии становится двусторонним. Когда местное производство превышает потребление, электроэнергия экспортируется в сеть. Однако электрические сети традиционно не предназначены для двусторонней передачи энергии. Поэтому могут возникнуть некоторые технические проблемы. Например, в Квинсленде, Австралия, к концу 2017 года более 30% домохозяйств имели фотоэлектрические системы на крышах. Знаменитая калифорнийская утиная кривая 2020 года очень часто появляется для многих сообществ, начиная с 2015 года. Проблема с перенапряжением может возникнуть, когда электричество возвращается в сеть. [144] Существуют решения для решения проблемы перенапряжения, такие как регулирование коэффициента мощности фотоэлектрических инверторов, новое оборудование для контроля напряжения и энергии на уровне распределителя электроэнергии, замена электропроводки в электрических проводах, управление спросом и т. д. Часто существуют ограничения и затраты, связанные с этими решениями. Способ расчета этих затрат и выгод заключается в использовании концепции «ценности солнечной энергии» (VOS), [145] которая включает в себя предотвращенные затраты/потери, включая: эксплуатацию и техническое обслуживание электростанции (постоянные и переменные); топливо; генерирующая мощность, резервная мощность, мощность передачи, мощность распределения, а также ответственность за окружающую среду и здоровье. Popular Mechanics сообщает, что результаты VOS показывают, что потребители коммунальных услуг, подключенные к сети, получают крайне заниженную компенсацию в большей части США, поскольку стоимость солнечной энергии затмевает чистую ставку учета, а также двухуровневые тарифы, что означает, что «солнечные панели вашего соседа тайно экономит ваши деньги». [146]
У потребителей разные конкретные ситуации, например, разные потребности в комфорте/удобстве, разные тарифы на электроэнергию или разные модели использования. Тариф на электроэнергию может состоять из нескольких элементов, таких как ежедневная плата за доступ и измерение, плата за электроэнергию (в зависимости от кВтч, МВтч) или плата за пиковую нагрузку (например, цена за максимальное 30-минутное потребление энергии в месяц). Фотоэлектрические системы являются многообещающим вариантом снижения платы за электроэнергию, когда цены на электроэнергию достаточно высоки и постоянно растут, например, в Австралии и Германии. Однако для объектов, где установлена плата за пиковое потребление, фотоэлектрическая энергия может быть менее привлекательной, если пиковая нагрузка в основном возникает во второй половине дня или в начале вечера, например, в жилых районах. В целом, инвестиции в энергетику в значительной степени являются экономическим решением, а инвестиционные решения основаны на систематической оценке вариантов улучшения эксплуатации, энергоэффективности , выработки электроэнергии на месте и хранения энергии. [147] [148]
Себестоимость «под ключ» солнечной фотоэлектрической системы мощностью до 100 киловатт составила 1240 евро за кВтч.
{{cite web}}: CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка ). Веб-сайт острова Пеллворм (на немецком языке){{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка ). Международное энергетическое агентство (2001 г.)
{{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )