Sprawność paneli fotowoltaicznych 2021 / 2022 – co warto wiedzieć?
Spis treści – Czego dowiesz się z artykułu?
Sprawność paneli fotowoltaicznych a wydajność paneli fotowoltaicznych
Zanim przejdziemy do odpowiedzi na pytanie “Co to jest sprawność paneli fotowoltaicznych?”, warto najpierw wyjaśnić czym ona nie jest.
Sprawność fotowoltaiki, bardzo często jest bowiem mylona i stosowana zamiennie z pojęciem jakim jest wydajność fotowoltaiki. Przykładowo, jeśli chcesz wiedzieć, ile energii wyprodukuje Twoja instalacja w zadanych warunkach (np. zainstalowana pod określonym kątem i wyposażona w dany falownik, przy określonym zacienieniu) w pewnym okresie czasu, to tak naprawdę interesuje Cię właśnie wydajność instalacji fotowoltaicznej, a nie jej sprawność.
A czym jest sprawność paneli fotowoltaicznych?
Co to jest sprawność paneli fotowoltaicznych?
Sprawność paneli fotowoltaicznych (ang. module efficiency – efektywność modułu) określa stosunek ilości energii wytwarzanej do energii dostarczonej do modułu. Innymi słowy, sprawność panelu fotowoltaicznego informuje Was o tym, ile otrzymanych promieni słonecznych, padających na ogniwo zostanie przetworzone na prąd, w standaryzowanych warunkach STC (przy założeniach: brak wiatru, temperatura modułu 25 stopni Celsjusza, promieniowanie 1000 W/m2).
Uproszczony wzór na sprawność ogniwa fotowoltaicznego wygląda następująco:
S = Ew/Np * Pp * 100%
gdzie:
Ew – energia wyprodukowana w [W],
S – sprawność,
Np – natężenie promieniowania słonecznego w [W/m2],
Pp – pole powierzchni ogniwa w metrach kwadratowych.
Sprawność modułu fotowoltaicznego w połączeniu z jego wielkością i natężeniem promieniowania, pozwala wyliczyć moc modułu fotowoltaicznego.
Dla przykładu, panel o polu powierzchni 1,66 i sprawności na poziomie 19,3%, zgodnie z warunkami STC (promieniowanie na poziomie 1000 W/m2) powinien mieć moc ok. 320 Wp, bo:
1000 W/m2 * 0,193 * 1,66 m2 = 320,38 Wp
Sprawność paneli fotowoltaicznych a ich typ
Na sprawność paneli fotowoltaicznych, wpływ ma kilka kwestii technicznych, takich jak np.:
- właściwości półprzewodnika, z którego powstały ogniwa – zwykle krzemu;
- właściwości elementów samego modułu, czyli np. przezroczystość powłok – folii EVA czy szkła chroniącego urządzenie;
- technologia wykonania ogniw oraz jakość połączeń między nimi;
- warunki zewnętrzne (poziom promieniowania, temperatura otoczenia, ilość wiatru).
Pośród powyższych czynników, jednym z najistotniejszych jest kwestia rodzaju i właściwości materiału, z którego zostały wykonane ogniwa fotowoltaicznego. Na rynku można obecnie spotkać kilka typów paneli, charakteryzujących się różną sprawnością:
- polikrystaliczne,
- monokrystaliczne,
- cienkowarstwowe
- panele fotowoltaiczne z perowskitów.
Na chwilę obecną największą sprawnością charakteryzują się monokrystaliczne panele fotowoltaiczne. Powstają one z wyhodowanego, jednolitego kryształu krzemu o uporządkowanej strukturze wewnętrznej. Właściwość ta sprawia, że osiągają one najwyższą spośród wszystkich typów paneli fotowoltaicznych sprawność, na poziomie od ok. 17% do ponad 20%.
Panele monokrystaliczne
W kategorii sprawności, za nimi plasują się panele polikrystaliczne, które jak nazwa wskazuje produkowane są z bloku krzemu, o niejednorodnej strukturze wewnętrznej, składającej się z wielu kryształów. Można je niekiedy dostrzec na powierzchni modułu (mają niebieskawy kolor i przypominają szron), co ułatwia rozpoznanie tego konkretnego typu. Ich sprawność sięga ok. 14-18%. Panele polikrystaliczne, niższą sprawność rekompensują niższą ceną.
Panele polikrystaliczne
Ogniwa fotowoltaiczne II generacji, do których należą cienkowarstwowe panele fotowoltaiczne w zależności od materiału wykonania, mają sprawność wynoszącą od ok. 6-10% (panele krzemu amorficznego) do 10-15% (panele CIGS czy CdTe). Niższa sprawność to jedyny problem tych paneli – są też dość drogie w produkcji i mało żywotne (szczególnie moduły z ogniwami CIGS i CdTe).
Panele cienkowarstwowe
Specyficznym przypadkiem są będące wciąż w fazie badań panele fotowoltaiczne z perowskitów. Perowskity to minerały o krystalicznej budowie, które wykazują doskonałe właściwości pochłaniania światła. Na chwilę obecną, w warunkach laboratoryjnych osiągają one zawrotną efektywność 29,15%, znacznie przekraczającą sprawność ogniw w modułach polikrystalicznych czy monokrystalicznych. Choć wyniki te są obiecujące, trzeba pamiętać, że w warunkach produkcji seryjnej mogą ulec zmianie.
Powyższe wartości, dotyczące sprawności fotowoltaiki to dane orientacyjne. Co roku, producenci podzespołów fotowoltaicznych przesuwają granice ich efektywności. Ile zatem w 2021 roku wynosi sprawność paneli fotowoltaicznych produkowanych seryjnie?
Sprawność paneli fotowoltaicznych w 2022 roku
Entuzjaści tematu, powinni wiedzieć, że kwestię efektywności ogniw fotowoltaicznych dokumentuje instytut NREL (Narodowe Laboratorium Energetyki Odnawialnej). W przygotowanym przez niego zestawieniu, znajdziemy wszystkie najważniejsze typy i podtypy ogniw, wraz z rekordowymi (na dany okres) wynikami sprawności.
Źródło: nrel.gov
Należy jednak pamiętać, że powyższe dane dotyczą efektywności, osiąganej w warunkach laboratoryjnych. Podczas dostosowywania technologii do wymogów produkcyjnych, a także podczas samej produkcji modułu, ogniwa zawsze tracą część sprawności.
Sprawność paneli monokrystalicznych w 2022
W październiku 2021 roku, firma Jinko Solar (jeden z największych producentów paneli PV na świecie), poinformowała, że opracowany przez nią moduł monokrystaliczny typu N osiągnął rekordową sprawność na poziomie 25,4%. Nowoczesny moduł opiera się na ogniwach tej samej firmy, wykonanych w technologii TOPCon.
W listopadzie 2021 roku, LONGi Solar poinformował natomiast, że opracowane przez nich ogniwo HJT (heterojunction) osiągnęło sprawność rzędu 26,30%!
Duże nadzieje, branża fotowoltaiczna wiąże także z ogniwami wykonanych z łączonych warstw krzemu i perowskitu, które już teraz osiągają sprawność na poziomie aż 29,2%! Wynik ten udało się uzyskać na na przezroczystym bifacjalnym perowskitowym ogniwie słonecznym zespolonym z krystalicznym krzemowym ogniwem.
Choć urządzenia dostępne na rynku sięgają już prawie 25-26%, w 2022 roku, przeciętna sprawność paneli fotowoltaicznych (monokrystalicznych) dostępnych na rynku, będzie oscylować raczej w granicach 20-21%.
Sprawność paneli polikrystalicznych
Ogniwa i moduły polikrystaliczne, obecnie traktowane są po macoszemu – coraz mniejsza liczba producentów posiada je swojej ofercie i pracuje nad ich ulepszaniem. Wyjątkiem jest firma Canadian Solar, która ustanowiła rekord sprawności dla pełnowymiarowego ogniwa polikrystalicznego typu N, na poziomie 23,81%.
Oczywiście standardowo, w wersji produkcyjnej sprawność paneli polikrystalicznych w 2022 roku jest zgoła niższa.
Polikrystaliczne panele fotowoltaiczne o najwyższej sprawności produkowane seryjnie
| Moduł | Sprawność | Moc |
| Q.PEAK DUO L-G6.2 | ≥ 19,6% | 420 W |
| Canadian Solar 310P-AG | 18,7% | 310 W |
| BLUESUN BSM350P-72 | 18% | 350 W |
Panele polikrystaliczne coraz trudniej dostać na polskim rynku. Te, które są dostępne zwykle oferują sprawność na poziomie 16-17%.
Czy sprawność paneli fotowoltaicznych po 10 latach może się zmienić?
Każdy panel fotowoltaiczny ulega degradacji związanej z czasem użytkowania. Wpływ na to ma między innymi starzenie się materiałów, z których został wykonany i związane z tym zjawiskiem ewentualne uszkodzenia modułu. Największe straty, na poziomie 0,35 – 0,8% pojawiają się w pierwszym latach działania instalacji. Jest to zjawisko całkowicie naturalne, powiązane z charakterystyką samego urządzenia.
Producenci określają pewne limity spadków sprawności (i związanej z nią mocy) paneli fotowoltaicznych, w danym okresie czasu. Jest to tzw. gwarancja na liniowy spadek mocy.
Jako przykładem, posłużmy się danymi z karty katalogowej produktu marki Q.Cells.
Źródło: q.cells.eu
Standardowo, panele fotowoltaiczne w ciągu pierwszych 10 lat mogą stracić około 8% swojej początkowej sprawności – do poziomu ok. 90-91% (należy bowiem zauważyć, że punktem wyjścia nie jest sprawność na poziomie 100%). Zakładając, że wyjściowa sprawność modułu fotowoltaicznego wynosiłaby 20,01%, po dekadzie spadnie ona do ok. 18% (bo 0,9*20,01 = 18,01%).
Po okresie 25 lat, sprawność i moc paneli standardowo nie powinna być mniejsza niż 80% (85-86% w przypadku produktów lepszej jakości). A zatem, po ćwierć wieku, moduł o początkowej sprawności 20,01% będzie nie powinien nie mniej niż ok. 16% sprawności. W przypadku lepszych modułów, sprawność nie powinna spaść poniżej 17,21% .
Kiedy sprawność fotowoltaiki jest ważna?
Choć bez wątpienia, sprawność paneli fotowoltaicznych ma znaczenie, nie zawsze powinna być kryterium decydującym o wyborze.
Tak naprawdę, wysoka sprawność modułu zwykle pozwala uzyskać określoną moc urządzenia, przy stosunkowo niewielkim polu powierzchni. Zwykle, za większą efektywnością idzie też lepsza jakość samego urządzenia (objawiająca się gwarancją produktową). Wszystko to jednak sprawia, że koszt inwestycji jest większy – za technologię i jakość trzeba zapłacić.
W przypadku mniej wymagających technicznie (naziemnych) lub wielkoobszarowych instalacjach fotowoltaicznych, można zdecydować się na urządzenia niższej sprawności, np. moduły polikrystaliczne. Są one zwykle tańsze, co przyspieszy zwrot z inwestycji, a ewentualne naprawy są łatwiejsze i tańsze.
Sprawność paneli fotowoltaicznych to parametr, od którego zależy m.in. moc modułu i wydajność całej instalacji fotowoltaicznej. Dzięki badaniom, efektywność ogniw fotowoltaicznych rośnie z roku na rok, sprawiając, że fotowoltaika staje coraz bardziej opłacalna.
