Солнечная энергетика продолжает расти благодаря таким технологиям, как перовскиты, гетеропереходные солнечные элементы и системы хранения энергии. Новые инверторы способствуют большей эффективности солнечных установок, помогая генерировать как можно больше солнечной энергии.
Технологические достижения способствуют возобновлению роста сектора солнечной энергетики после пандемии. По мере установления целей по декарбонизации все больше компаний ставят цели в области устойчивого развития, а стремление к «умным» домам способствует расширению солнечных установок на крышах жилых домов.
Продолжаются разработки более эффективного оборудования для солнечной энергетики. Сегодня важный фактор роста солнечной энергии - это не лучшая солнечная панель или инвертор, а скорее развертывание систем хранения энергии для поддержки развития солнечной энергетики. «Самая актуальная технологическая проблема для солнечной энергетики в настоящее время - безопасные, надежные и недорогие хранилища», - сказал Суви Шарма, основатель Solaria, калифорнийской компании, занимающейся технологиями и установками солнечных батарей. «Солнечная энергетика становится экономически выгодной. Практически в каждом штате устанавливаются солнечные батареи. Конечно, солнечная энергия не вырабатывается ночью, поэтому необходимо устанавливать системы хранения в жилых, коммерческих или коммунальных помещениях».
Продление ITC также выгодно производителям систем хранения энергии. Если эти системы получают не менее 75% заряда от внутренней системы возобновляемой энергии, они часто имеют право на налоговый кредит.
Совместные усилия.
Партнерские отношения и сотрудничество в этой отрасли способствуют быстрому развитию технологий. В октябре исследователи из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) и Колорадской школы горного дела объявили, что применяют новую технику для выявления дефектов в кремниевых солнечных элементах. Результаты исследования, «могут привести к улучшению способов, которыми производители укрепляют свою продукцию против так называемой светоиндуцированной деградации [LID]».
LID снижает эффективность кремниевых солнечных элементов примерно на 2%, что приводит к «значительному падению выходной мощности после 30-40 лет эксплуатации установки в полевых условиях». Кремниевые солнечные элементы составляют более 96% на рынке. Наиболее распространенные полупроводники, используемые для производства этих элементов, сделаны из кремния, легированного бором, который чувствителен к LID, и поэтому производители искали, как стабилизировать солнечные модули. Исследователи NREL заявили, что без понимания дефектов на уровне атомов невозможно предсказать стабильность этих модулей.
«Некоторые модули полностью стабилизированы, некоторые - только наполовину», - сказала доктор философии Эбигейл Мейер, научный сотрудник NREL. Мейер
Мейер совместно с соавторами из Mines и NREL, в том числе Полом Страдинсом, ведущим ученым и руководителем проекта по исследованиям кремниевой фотоэлектрической энергии в NREL, написали статью «О попытках по определению источника явления LID». Страдинс сказал, что проблема LID изучалась десятилетиями, но «точная микроскопическая природа деградации так и не определена». Путем косвенных экспериментов и теории исследователи пришли к выводу, что проблема уменьшается пропорционально снижению количества бора или снижению количества кислорода в кремнии.
Сотрудничество между NREL и Mines с исследованиями, финансируемыми Управлением технологий солнечной энергии при Министерстве энергетики, основывалось на электронном парамагнитном резонансе (EPR) для выявления дефектов, вызывающих LID. Микроскопическое исследование показало отчетливую сигнатуру дефекта, так как образцы солнечных элементов больше разрушаются под действием света. Сигнатура дефекта исчезла, когда ученые применили эмпирический процесс «регенерации» для LID, принятый в промышленности. Исследователи также обнаружили вторую, «широкую» сигнатуру ЭПР, подверженную воздействию света, в которой участвует намного больше атомов примеси, чем дефектов LID. Они предположили, что не все атомные изменения, вызванные светом, приводят к образованию LID. Методы, разработанные для изучения LID, могут быть использованы для выявления других типов деградирующих дефектов в кремниевых солнечных элементах.
Максимальное повышение эффективности панелей.
Разработчики солнечных элементов и модулей продолжают искать способы повышения эффективности фотоэлектрических (PV) панелей.
Китайские производители JinkoSolar и LONGi улучшили эффективность преобразования солнечной энергии в 25% для технологий кристаллического кремния. Австралийские исследователи разработали двусторонний кремниевый солнечный элемент с КПД 24,3% на передней панели и 23,4% на задней, то есть его эффективная мощность составляет около 29%.
Oxford PV объявила о повышении эффективности своих перовскитных солнечных элементов на 29,52%. В июле компания завершила строительство производственной площадки для своих тандемных солнечных элементов на основе перовскита на кремнии и планирует начать полное коммерческое производство в 2022 году.
Консорциум Solliance Solar Research, базирующийся в Нидерландах, в конце октября заявил, что их исследования достигли эффективности преобразования энергии 29,2% на прозрачном двустороннем перовскитном солнечном элементе в сочетании с кристаллическим кремниевым солнечным элементом в тандемной конфигурации с четырьмя выводами. Панель основана на прозрачном перовскитовом элементе с высокой пропускной способностью в ближнем инфракрасном диапазоне, созданном Нидерландской организацией прикладных научных исследований (более известной как TNO) и бельгийской лабораторией EnergyVille, а также на 11,4% эффективном кремниевом гетеропереходе c-Si с прерывистым обратным контактом, разработанном компанией Panasonic.
EnergyVille рассказала о своей работе над тандемными конфигурациями, заявив: «Комбинируя два (или более) разных солнечных элемента с подобранными свойствами материала «друг над другом» (в так называемой тандемной конфигурации), мы можем получить больше электрической энергии. Таким образом, мы можем преобразовывать более широкую часть светового спектра и преодолеть физические ограничения одиночных солнечных батарей. Объединяя перовскитовый верхний элемент с кремниевым нижним элементом, EnergyVille стремится достичь эффективности тандемного преобразования энергии на 30%, что превышает теоретический максимум кремниевых солнечных элементов, составляющий около 28%.
Технология кристаллического кремния составляет подавляющую часть рынка солнечной энергии. В связи с проблемами поставок и торговыми ограничениями на импорт из Китая, включая опасения по поводу производства поликремния в Синьцзяне, в США открылись возможности для производителей тонких пленок. First Solar из Аризоны, которая производит солнечные модули и панели из теллурида кадмия (CdTe) инвестирует почти 700 миллионов долларов в строительство третьего завода в США, что расширит внутренние производственные мощности компании на 3,3 ГВт. Компания также планирует построить аналогичный завод мощностью 3,3 ГВт в Индии.
Китайский производитель China National Building Materials, который производит тонкопленочные панели из диселенида меди-индия-галлия, заявил, что расширяет свое производство на 1 ГВт для модулей CdTe.
Новые солнечные батареи.
Суви Шарма сказал: «Самым важным технологическим достижением для солнечных систем являются солнечные элементы n-типа». Два наиболее распространенных солнечных элемента n-типа - это TOPCon (пассивированный контакт) и гетеропереход. Солнечный элемент с гетеропереходом объединяет две разные технологии в один элемент: элемент из кристаллического кремния, расположенный между двумя слоями аморфного тонкопленочного кремния. Одновременное использование технологий позволяют получать больше энергии по сравнению с их отдельным использованием.
«Солнечные элементы N-типа изготавливаются из пластин другого химического состава», - сказал Шарма. «Производство элементов в ближайшие 3-5 лет значительно изменится. Сейчас в основном производятся моноячейки PERC p-типа [монокристаллические кремниевые ячейки], но скоро все начнут переходить на элементы n-типа TOPCon и гетеропереходы».
Шарма сказал: «Производство ячеек n-типа не предназначено для конкретной ниши. Новые элементы повысят эффективность всех солнечных панелей и всех приложений. Это окажет значительное влияние на всю отрасль и развертывание солнечных батарей».
Solaria планирует выпустить свою новую солнечную панель PowerXT 430R-PL (430 Вт) в марте 2022 года. Панель будет оптимизирована для силовой электроники на уровне модулей (MLPE) следующего поколения, которые могут быть встроены в солнечную фотоэлектрическую систему для повышения ее эффективности при определенных условиях, например, в тени. Устройства MLPE включают в себя микроинверторы и оптимизаторы мощности постоянного тока (DC) - все они предназначены для улучшения производства энергии в солнечной энергетической системе.
Слежение за солнцем.
Новые стеллажные системы также повышают эффективность солнечных батарей. В октябре компания Solar FlexRack объявила, что ее солнечные трекеры установлены на более чем 80 солнечных проектах в Калифорнии, в том числе на проекте мощностью 2,82 МВт для Danell Brothers Dairy (рис. 1) расположенной на юге от Хэнфорда. Проект был установлен компанией Renewable Solar Inc., которая занимается установкой коммерческих и сельскохозяйственных солнечных парков в Калифорнии.
1. Solar FlexRack установила свои системы слежения за солнцем в Калифорнии, в том числе на сельскохозяйственных объектах, например, на молочной ферме Danell Brothers.
Все больше и больше энергоемких предприятий устанавливают солнечные парки с целью снижения эксплуатационных расходов. «Мы сотрудничаем с Renewable Solar Inc., поставляя высококачественные экологически чистые энергетические системы в Калифорнии на протяжении многих лет», - сказал Стив Дэниел, исполнительный вице-президент Solar FlexRack. «Мы надеемся на дальнейшее сотрудничество с Renewable Solar Inc. по дополнительным фотоэлектрическим проектам в области сельского хозяйства для поддержки возобновляемых источников энергии».
Можно выбрать стойки от Solar FlexRack Series G как «альбомного», так и «портретного» формата, чтобы максимизировать производство энергии в зависимости от местоположения. Для стабилизации и выравнивания стеллажной системы и облегчения установки на стойках расположены боковые крепления.
Горизонтальный кронштейн позволяет установить горизонтальную направляющую на место без использования болтов, что сокращает время установки. Стойка может быть наклонена до 20% с востока на запад, опять же для максимального увеличения выработки энергии.
2. Производители солнечной энергии постоянно ищут способы оптимизации производства энергии с помощью оборудования, включая трекеры, которые «следуют» за солнцем и могут обеспечить максимальную генерацию солнечной энергии, как ранним утром, так и поздним вечером.
Калифорнийская компания Nextracker в начале ноября сообщила, что она стала первым поставщиком оборудования и программного обеспечения для отслеживания солнца (рис. 2). Оборудование используется на крупных солнечных электростанциях в 40 странах, мировые поставки превысили 50 ГВт.
Технологические достижения Nextracker включают в себя солнечный трекер NX Horizon, который отличается сбалансированной механической конструкцией, обеспечивающей двуфазное производство энергии. Фирменное программное обеспечение TrueCapture для интеллектуального управления помогает солнечным электростанциям снизить падение выходной мощности в связи с облачностью или в случае, когда один ряд панелей затеняет панели в соседних рядах.
Последнее достижение компании - алгоритм Split Boost, оптимизирующий выход энергии для кремниевых фотоэлектрических модулей с разделенными ячейками. Дефне Ган, технический специалист по продажам, написал на веб-сайте компании: «Мы моделируем Split Boost на основе внутреннего программного обеспечения для обратного отслеживания, основанного на трассировке лучей, в котором отклонение модуля, а также рабочий режим Split Boost встроены в наш алгоритм последовательного увеличения энергии. Используя алгоритмы в «режиме моделирования» перед установкой на солнечной электростанции, мы можем оценить производительность TrueCapture на данном участке с учетом конкретной модели энергопотребления, геометрии трекера и рельефа местности».
Компания Tigo Energy, известная системами Flex MLPE, в сентябре сообщила, что ее линейки инверторов и батарей Energy Intelligence (EI) теперь доступны для установки в жилых домах. Компания заявила, что новые инверторы и аккумуляторы поддерживают встроенную интеграцию компонентов солнечной энергии и аккумуляторов для коммерческих и промышленных солнечных систем.
«Новые продукты EI Battery и Inverter обеспечивают очень простой процесс установки и ввода в эксплуатацию, а также имеют функции управления парком оборудования. Конечный потребитель, в свою очередь, получит доступ к устойчивой, возобновляемой и безопасной энергии с помощью адаптированной по цене и производительности системы», - сказал Цви Алон, генеральный директор Tigo Energy.
Хранение энергии - ключ к росту.
Разработка решений для хранения данных в сочетании с солнечной энергией будет ключом к поддержке роста отрасли. Во многих приложениях хранение энергии сегодня экономически не оправдано. [Но] в жилых помещениях хранение энергии имеет смысл: для обеспечения отказоустойчивости, безопасности и питания во время отключений электроэнергии. Это важно, особенно во время экстремальных погодных условий. Но для следующего этапа развития солнечной энергетики, нужны более доступные по цене системы хранения.
На рынке уже можно приобрести продукты, предназначенные для поддержки бытовых солнечных батарей и накопителей. Один из самых известных продуктов - Powerwall от компании Tesla. Powerwall накапливает солнечную энергию для обеспечения резервного питания при отключении сети. Компания Generac Grid Services недавно запустила свой PWRgenerator (новый тип генератора постоянного тока) для быстрой подзарядки аккумуляторной батареи Generac PWRcell. Генератор PWR при подключении к постоянному току позволяет батарее PWRcell дольше поддерживать энергию во время отключений.
Генератор PWR подключается непосредственно к инвертору PWRcell. Такая «нано-сеть позволяет дому быть полностью энергетически независимым». Солнечные панели в доме обеспечивают питание дома днем, а «излишек» накапливается в аккумуляторе. Ночью аккумулятор разряжается, но если уровень заряда достигает 30%, генератор PWR, который работает на природном газе или пропане, включается и за час полностью заряжает аккумулятор.
На рынке сегодня представлены и другие системы с солнечными батареями и накопителями для жилых помещений: EverVolt от Panasonic; домашний аккумулятор RESU (Residential Energy Storage Unit); и более мелкие системы, такие как линейка солнечных генераторов Jackery и портативная модель аккумулятора Goal Zero 6000X.
Технологические достижения в области солнечной энергии продвигаются в таких областях, как автомобильная промышленность и строительство фотоэлектрических систем; бытовая электроника с возможностью зарядки от солнечных батарей и переносные мобильные устройства.
«Ускорение инноваций улучшает [производительность] солнечной энергии», - сказал Шарма, добавив, что «все большее внимание уделяется эффективности и эстетике проектов».