Moc paneli fotowoltaicznych - co jest?
Moc to podstawowy parametr opisujący moduł fotowoltaiczny. Moc panelu fotowoltaicznego określa, ile prądu jest on w stanie wygenerować, w określonym czasie i pewnych warunkach otoczenia. Podaje się ją w watach [W] i kilowatach [kW] lub w watopeakach [Wp] i kilowatopeakach [kWp].
Warto wiedzieć, że moc paneli fotowoltaicznych jest zmienna i zależy od wielu czynników, takich jak np. ilość energii słonecznej docierającej do modułów i kąt padania promieni, temperatura otoczenia i ogniwa, ilość zanieczyszczeń (powietrza, modułu). Oprócz tego, wpływ na moc paneli fotowoltaicznych mają również jego wymiary oraz sprawność (o której więcej napiszemy w dalszej części artykułu).
Nominalna a rzeczywista moc paneli fotowoltaicznych
Wspominaliśmy już, że moc paneli fotowoltaicznych jest zmienna i uzależniona m.in. od czynników zewnętrznych. By możliwe było porównywanie poszczególnych urządzeń przyjęto więc, że w kartach katalogowych moc modułów PV będzie podawana w odniesieniu do tych samych, wystandaryzowanych warunków. W dokumentacji technicznej paneli możecie jednak znaleźć aż dwa rodzaje warunków testowych, dla których podaje się nominalną moc paneli fotowoltaicznych: STC oraz NOCT.
- Panele fotowoltaiczne - moc wg. STC to najczęściej wykorzystywany parametr służący do określania zdolności produkcyjnych modułów PV. Moc panelu PV wg. STC jest wyznaczana dla następujących warunków otoczenia: nasłonecznienie 1000 W/m2, temperatura ogniwa 25°C, grubość atmosfery 1,5 AM, bezwietrzna pogoda. W praktyce jednak, moc wg. STC sporadycznie jest osiągana przez panele fotowoltaicznej.
- Panele fotowoltaiczne - moc wg. NOCT lepiej niż STC odzwierciedla faktyczną moc modułów PV w normalnych pracy. Obliczając moc paneli PV wg. NOCT, uwzględnia się nasłonecznie 800 W/m2, temperaturę otoczenia (a nie ogniwa) 20°C oraz wiatr o prędkości 1 m/s.
Co istotne, rzeczywista moc paneli fotowoltaicznych prawie nigdy nie wynosi tyle, co nominalna moc modułów wg. STC, i nie często będzie wynosić tyle, ile zakładają parametry określone wg. NOCT. Przez ok. 70% roku, natężenie promieniowania słonecznego w Polsce jest niższe niż 500 W/m2, co oznacza, że jest ono znacznie niższe niż zakładają warunki testowe.
Uwaga! Pomimo tego, wydajność instalacji fotowoltaicznej w Polsce jest bardzo dobra - z 1 kW systemu PV możemy otrzymać ok. 1.000 kWh energii. To sprawia, że energetyka słoneczna jest opłacalnym rozwiązaniem również w naszym kraju.
Jaką moc ma jeden panel fotowoltaiczny?
Moc nominalna panelu fotowoltaicznego, w zależności m.in. od marki, modelu czy rodzaju, waha się od ok. 50 W do ok. 700 W. Najpopularniejsze obecnie moduły PV wykorzystujące krzem monokrystaliczny najczęściej charakteryzują się mocą nominalną na poziomie od 400 W - 600 W. Jednak jeszcze do niedawna, moc jednego panelu fotowoltaicznego wynosiła zwykle ok. 250 W - 300 W - taką moc osiągały bowiem polikrystaliczne moduły PV.
Panele fotowoltaiczne przeznaczone do nietypowych zastosowań (np. panele fotowoltaiczne do kampera czy dachówki fotowoltaiczne) mogą charakteryzować się niższą mocą - od ok. 50 W do 200 W.
Moc paneli fotowoltaicznych na m2
Aktualnie produkowane panele fotowoltaiczne zapewniają moc na poziomie od ok. 170 do 300 W na metr kwadratowy. Oznacza to, że 1 kW można osiągnąć już z ok. 4 - 6 metrów kwadratowych. Najlepszymi wynikami w tym zakresie mogą pochwalić się urządzenia o wysokiej sprawności, wykonane m.in. w technologii PERC, TOPCon czy IBC.
Jeśli chcecie wiedzieć, jaką moc paneli fotowoltaicznych potrzebujecie do swojego domu, sprawdźcie nasz artykuł: Ile paneli fotowoltaicznych na dom 100 m2, 150 m2, 200 m2?
Co to jest sprawność paneli fotowoltaicznych?
Sprawność paneli fotowoltaicznych to parametr, który określa stosunek użytecznej ilości energii elektrycznej produkowanej przez panele do energii słonecznej docierającej do modułu. W prostych słowach, sprawność panelu fotowoltaicznego informuje Was o tym, ile energii słonecznej moduł będzie w stanie przetworzyć na prąd.
Sprawność modułu fotowoltaicznego jest podawana w procentach i jest wypadkową wielu czynników, z których najważniejsze są: zakres promieniowania słonecznego oraz jego wymiar. W kartach katalogowych sprawność jest podawana dla standaryzowanych warunków STC (brak wiatru, temperatura modułu 25 stopni Celsjusza, promieniowanie 1000 W/m2).
Sprawność a efektywność paneli fotowoltaicznych
Bywa, że pojęcie sprawność paneli fotowoltaicznych stosuje się zamiennie z pojęciem efektywności paneli fotowoltaicznych. Czy słusznie?
Jak najbardziej! Sprawność modułu fotowoltaicznego z angielskiego to “solar module efficiency”. Stąd oba określenia można stosować zamiennie. Inaczej jest jednak w przypadku wydajności.
Wydajność paneli fotowoltaicznych to pojęcie odnoszące się zwykle do całokształtu skuteczności pracy systemu fotowoltaicznego, z uwzględnieniem wszystkich wpływających na niego czynników (m.in. nasłonecznienia, ale też temperatury otoczenia czy przepustowości sieci). Tymczasem pojęcie sprawności najczęściej odnosi się do modułów lub też ogniw fotowoltaicznych.
Sprawność ogniw fotowoltaicznych a sprawność paneli fotowoltaicznych
Może się też zdarzyć, że oprócz sprawności modułu PV, natraficie na informacje na temat sprawności ogniw fotowoltaicznych. Musicie jednak pamiętać, że sprawność ogniw fotowoltaicznych nie jest tym samym co sprawność paneli fotowoltaicznych. Dlaczego?
Zapewne wiecie już, że panel fotowoltaiczny jest zbudowany z wielu ogniw fotowoltaicznych. Taka konstrukcja ma jednak swoją wadę. Łączenie dużej ilości ogniw sprawia, że pojawiają się pewne straty energetyczne, których nie ma w pojedynczym ogniwie. W efekcie, czytając informacje o kolejnych rekordowych sprawnościach ogniw fotowoltaicznych, musicie pamiętać, że faktyczna sprawność zbudowanego z nich modułu będzie o kilka procent niższa. Poniżej możecie zobaczyć wykres uwzględniający rekordowe sprawności ogniw fotowoltaicznych (pamiętajcie jednak, że wyniki te nie przekładają się na sprawność modułów).
Sprawność paneli fotowoltaicznych a ich rodzaj
Wspominaliśmy, że na sprawność modułu PV wpływa jego wielkość, ale też ilość docierającej do niego energii słonecznej. W przypadku tej ostatniej kwestii, jest to pewne uproszczenie, bo tak naprawdę znaczenie ma tzw. spektrum promieniowania słonecznego, czyli zakres długości fal promieni słonecznych.
Różne ogniwa (i moduły) fotowoltaiczne inaczej radzą sobie z promieniowaniem o określonej długości fali. To sprawia, że rodzaj paneli fotowoltaicznych determinuje ich sprawność. Przykładowo, amorficzne panele krzemowe najskuteczniej przetwarzają promieniowanie o małej długości fali, które docierają do Ziemi latem. Z kolei panele typu CIS/CIGS dobrze radzą sobie z przekształcaniem promieniowania podczerwonego (o dłuższej fali).
Poniżej możecie zobaczyć tabelę sprawności modułów fotowoltaicznych, według ich rodzaju. Opracowanie jest systematycznie aktualizowane przez Narodowego Laboratorium Energetyki Odnawialnej (National Renewable Energy Laboratory, NREL).
Sprawność paneli monokrystalicznych
Sprawność paneli monokrystalicznych (najpopularniejszy obecnie typ modułów) najczęściej oscyluje w granicach od ok. 19% do ok. 24% (warto jednak podkreślić, że mowa tu o wynikach osiąganych przez pełnowymiarowe podzespoły). Jak do tej pory, najlepsze wyniki mogą zaoferować panele fotowoltaiczne wykonane w technologii IBC (Integrated Back Contact) oraz PERC (w tym odmiana technologii PERC - TOPCon).
Sprawność paneli polikrystalicznych
Sprawność paneli polikrystalicznych zwykle wynosi od około 16% do 20% (mowa tu o powszechnie dostępnych modelach). Jest ona zatem o kilka procent niższa niż w przypadku modułów monokrystalicznych. To jeden z kilku czynników, który wpłynął na wyparcie polikrystalicznych paneli fotowoltaicznych z rynku.
Sprawność paneli cienkowarstwowych
W przypadku sprawności cienkowarstwowych paneli fotowoltaicznych mamy do czynienia z bardzo dużą rozbieżnością. Efektywność tego typu modułów waha się bowiem od ok. 6% (amorficzne krzemowe panele PV) do nawet 38% (moduły GaAs z koncentratorem). Sprawność cienkowarstwowych modułów PV dostępnych szerzej na rynku nie przekracza 17%.
Jak sprawdzić sprawność paneli fotowoltaicznych? Wzór
Wspominaliśmy już, że efektywność paneli fotowoltaicznych to parametr, który znajdziemy w każdej karcie katalogowej. Jest ona jednak podana dla laboratoryjnych warunków (STC), które nie zdarzają się często. Dlatego, jeśli chcemy sprawdzić, jaką sprawność osiągnie nasz moduł w aktualnych warunkach, możemy skorzystać ze wzoru na sprawność paneli fotowoltaicznych.
S = M / Pp x 100%
Gdzie,
S = sprawność modułu,
M = moc modułu PV (w kW),
Pp = pole powierzchni (w m2)
Wyjaśnijmy to na przykładzie. Korzystając z monitoringu instalacji fotowoltaicznej ustaliłam, że aktualna moc modułu wynosi 295 W. Daje to 0,295 kW. Jednocześnie z karty katalogowej wiem, że wymiary panelu to 1,855 m na 1,029 m. Pole powierzchni wynosi więc 1,908795 m2. Aktualna sprawność modułu wynosi zatem w przybliżeniu 15,45%. Dla porównania, nominalna sprawność dla STC według karty katalogowej to 21,22%.
Czy i jak można zwiększyć sprawność paneli fotowoltaicznych?
Choć nie każdy zdaje sobie z tego sprawę, istnieje kilka sposobów na zwiększenie sprawności modułów fotowoltaicznych. Wśród nich możemy wskazać:
- Wykorzystanie tzw. koncentratorów słonecznych - soczewek, które są w stanie skupiać i kierować promienie słoneczne do wewnątrz ogniw. Dzięki takiemu rozwiązaniu sprawność modułu może przekroczyć 40%. Niestety, póki co jest to rozwiązanie stosowane eksperymentalnie.
- Wykorzystanie luster do kierowania promieni słonecznych na moduły. Dzięki temu można zwiększyć albedo (odbicie promieni słonecznych) i zwiększyć sprawność modułów. Niestety, ma to swoje skutki uboczne w postaci mocniejszego nagrzewana się modułów PV, co z kolei niekorzystnie wpływa na ich pracę. Rozwiązanie może znaleźć jednak zastosowanie m.in. w chłodnych regionach.
- Zastosowanie trackerów fotowoltaicznych, które będą automatycznie ustawiały panele fotowoltaiczne w taki sposób, bo docierało do nich jak najwięcej energii słonecznej. Jest to jedno właściwie jedyne rozwiązanie, które można stosunkowo łatwo wdrożyć w życie, w przypadku niekomercyjnej instalacji PV. Więcej na temat fotowoltaiki na trackerach dowiecie się z naszego artykułu: Fotowoltaika na trackerach, czyli system podążania za słońcem.
Sprawność paneli fotowoltaicznych po 10 latach
Jak mogliście zauważyć, efektywność paneli fotowoltaicznych ma bezpośredni wpływ na ich moc.
Tymczasem, 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.
Standardowo, panele fotowoltaiczne w ciągu pierwszych 10 lat mogą stracić około 8% swojej początkowej sprawności i mocy – 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% .
Czy efektywność paneli fotowoltaicznych jest ważna?
Wbrew pozorom, sprawność paneli fotowoltaicznych dla przeciętnego użytkownika instalacji fotowoltaicznej wcale nie musi być kluczowym parametrem, wpływającym na decyzję o wyborze. Dlaczego? Moduły kupujemy bowiem na sztuki, z określoną mocą nominalną, a nie np. na metry kwadratowe. W większości przypadków, nie będzie miało zatem znaczenia, czy wyprodukowane 1000 kWh prądu będzie pochodziło z kilku modułów o wyższej sprawności, czy kilkunastu modułów o niższej efektywności.
Nie zmienia to jednak faktu, że w pewnych przypadkach, faktycznie warto postawić na urządzenia o większej sprawności. Kiedy?
- Gdy dysponujemy niewielką powierzchnią montażową. W takim przypadku, wyższa sprawność modułu PV pozwoli nam wyprodukować więcej energii z tej samej powierzchni. Przykładowo, zamiast instalacji o mocy 5 kW zmieścimy np. 7 kWp czy 8 kWp.
- Gdy mamy obawy związane z nośnością dachu. Waga modułu fotowoltaicznego nie jest mała i zwykle wynosi ponad 20 kg. Jeśli dach ma ograniczoną wytrzymałość, konieczne może być wybór paneli o wysokiej efektywności, w celu minimalizacji obciążenia.
- Gdy miejsce montażu jest częściowo zasłonięte. W takim przypadku wyższa efektywność modułów fotowoltaicznych może przełożyć się na lepsze wykorzystanie dostępnej przestrzeni i uniknięcie zakłóceń w pracy fotowoltaiki.
