Фотоэлектрический модуль

Фотоэлектрический модуль (solar PV module) – это устройство, конструктивно объединяющее электрически соединенные солнечные фотоэлектрические элементы, имеющие выходные клеммы для подключения внешнего потребителя или соединения между собой.
Основным фактором, определяющим выработку электроэнергии фотоэлектрическими модулями (и вообще всеми фотоэлектрическими преобразователями), является номинальная, или так называемая пиковая мощность, т. е. выходная мощность при стандартных условиях испытаний (STC – Standard Test Conditions). Выходная мощность, в свою очередь, зависит от площади активной поверхности – S, мощности потока солнечной радиации – G и коэффициента полезного действия (КПД) преобразователя – η. КПД также имеет свойство меняться в зависимости от температуры преобразователя и мощности потока солнечной радиации. Распределение потока энергии солнечного излучения во многом определяется географической широтой территории (чем севернее широта, тем меньше поток).
Если зависимость выработки электроэнергии фотоэлектрической системой от энергии солнечного излучения более или менее очевидна, то эффект влияния температуры угадывается не сразу. Все дело в так называемых температурных коэффициентах: повышение температуры приводит к заметному снижению выходного напряжения и падению КПД фотоэлектрических преобразователей.

Существует несколько типов фотоэлектрических модулей:

Кристаллический – выполнен из солнечных фотоэлектрических элементов на основе монокристаллического или поликристаллического кремния. Это наиболее распространенный на рынке тип фотоэлектрических модулей. Они отличаются неплохим КПД (18-20% – у монокристаллических и 15-17% – у поликристаллических) и хорошей устойчивостью к деградации. Однако такие модули очень подвержены негативному влиянию высоких температур, их температурный коэффициент достаточно высок.

Тонкопленочный – изготавливается на основе одной из технологий выращивания тонких пленок. На рынке широко представлены тонкопленочные фотоэлектрические модули на базе аморфного кремния, теллурида кадмия, CIS/CIGS-структур, а также на основе разного рода гетероструктурных полупроводников. Сегодня КПД некоторых типов тонкопленочных модулей достигает 20%. Температурный коэффициент значительно ниже, чем у модулей поли- и монокристаллических типов (обычно теряют 15-20% мощности), что делает их использование наиболее перспективным в странах с жарким климатом. С устойчивостью к деградации не все так просто, особенно подвержены ее действию модули на основе аморфного кремния. Одними из ключевых преимуществ таких модулей являются: сравнительно низкая стоимость, широкий спектр поглощения и привлекательный внешний вид. Благодаря широкому спектру поглощения тонкопленочные фотоэлектрические модули в пасмурную и дождливую погоду генерируют на 10-20% больше энергии, чем кристаллические.

Концентраторный – состоит из солнечных фотоэлектрических элементов кристаллического или тонкопленочного типа, снабженных концентраторами солнечного излучения. Такие модули еще достаточно мало распространены на рынке, особенно в российском сегменте ввиду их чрезвычайной дороговизны и необходимости использования системы слежения за солнцем. Наиболее эффективен в регионах с преобладанием прямой солнечной радиации (DNI – Direct Normal Irradiance).

Основные типы фотоэлектрических модулей: а – на основе поликристаллического кремния; б – на основе монокристаллического кремния; в – тонкопленочный; г – концентраторный

Фотоэлектрические модули кристаллического типа должны отвечать стандартам международной электротехнической комиссии IEC 61215 и IEC 61730-2, а тонкопленочные – IEC 61646. На данный момент и для концентраторных фотоэлектрических модулей разработан и введен в действие международный стандарт IEC 62108. Соответствие этим стандартам свидетельствует о надлежащем высоком качестве и прогнозируемом длительном сроке службы фотоэлектрических модулей.

Основные моменты, на которые необходимо обратить внимание при выборе фотоэлектрических модулей:
- репутация производителя и гарантия на фотоэлектрические модули;
- качество элементов; количество элементов;
- напряжение в точке максимальной мощности;
- наличие защитных диодов;
- наличие соединительных кабелей и разъемов.

В процессе производства фотоэлектрических модулей используется множество комплектующих, далее представлены наиболее важные из них.
Ламинирующая пленка EVA (Ethylene Vinyl Acetate) – один из важнейших компонентов в модуле, определяющий срок эксплуатации. В зависимости от производителя ламинирующая пленка EVA имеет срок эксплуатации 5, 10, 20, 25 и более лет. Дешевая и низкокачественная EVA, которая очень часто используется недобросовестными производителями, обычно имеет срок эксплуатации 5-10 лет. По истечении этого срока, а часто намного раньше, пленка под действием УФ-лучей и перепадов температур начинает мутнеть, желтеть или отслаиваться. Последствия отслоения показаны на фото ниже.

Деламинация плёнки EVA

В этом случае лицевая сторона фотоэлектрического модуля начинает терять прозрачность, снижается КПД модуля, нарушается герметичность. Это значительно снижает выработку модуля или приводит к его полному выходу из строя. Ламинирующая пленка EVA находится с лицевой и тыльной сторон, обеспечивая герметичность модуля и высокую прозрачность лицевой стороны модуля в процессе эксплуатации. К сожалению, даже профессионал не сможет отличить модуль, изготовленный из низкокачественной пленки, от модуля с первоклассной EVA – это покажет только время. Разница в цене между первоклассной и низкокачественной EVA может отличаться в 2-4 раза.

Тыльная пленка ПЭТ (полиэтилентерефталат) обеспечивает защиту и герметичность фотоэлектрического модуля с тыльной стороны. В основном она белого или черного цвета. В зависимости от толщины изоляции пленка ПЭТ обеспечивает максимальное напряжение модулей, как правило, это 600 или 1000 В. Данная информация также отображена в технических характеристиках фотоэлектрического модуля. Если говорить о сроках эксплуатации, то здесь ситуация такая же, как и с ламинирующей пленкой EVA: чем дешевле, тем меньше срок эксплуатации. По истечении срока эксплуатации тыльная сторона пленки (особенно низкокачественной) обычно начинает желтеть, трескаться или отслаиваться, нарушается герметичность, и модуль выходит из строя.

Солнечные фотоэлектрические элементы. Они делятся на четыре категории качества:
Grade A – первая категория качества. Такая категория элементов не допускает никаких, даже самых незначительных дефектов. Элементы данной категории, как правило, средней и высокой эффективности – 16-19% и более.
Grade B – вторая категория качества. Элементы данной категории, так же как и пер- вой, как правило, средней и высокой эффективности – 16-19% и более. Однако они всегда имеют визуальные дефекты. Наличие элементов Grade B незначительно влияет на мощность и работу модуля, в основном это только внешние дефекты (разные цвета и оттенки элементов, кривая или неполная матрица на элементе, пятна на элементах). Однако существует и другая точка зрения: элементы Grade B всегда менее эффективны и быстрее деградируют. Поставщики качественных модулей никогда не используют элементы категории B и изготавливают модули из таких элементов только по специальным заказам. Поэтому, если при визуальной оценке вы заметили разноцветные элементы и дефекты на них, будьте уверены, что этот модуль изготовлен из элементов Grade B. Пример солнечного фотоэлектрического модуля, собранного из элементов Grade A и B, представлен на фото ниже.

Модуль, изготовленный из элементов: а – Grade A; б – Grade B

Grade C и Grade D – третья и четвертая категории качества. Элементы этих категорий считаются непригодными для использования в фотоэлектрических модулях. Они имеют сколы, микротрещины и могут иметь те же дефекты, что и элементы Grade B. Такие элементы скупают, разрезают, оставляя целые части, из которых паяют модули. Как правило, эти элементы отличаются низкой эффективностью – 12-15%. Фактически, это отходы (скрап), которые у производителей высококачественных фото- электрических модулей идут на переработку.

Элементы Grade C и D

Следует отметить, что ни один уважающий себя производитель фотоэлектрических модулей не станет изготавливать их из мусора. Однако в Россию такие модули могут поставляться. Стоимость солнечных фотоэлектрических элементов в модуле составляет более 50%, недобросовестные производители фотоэлектрических модулей из элементов Grade C и D скупают этот материал за бесценок, тем самым существенно снижая себестоимость своей продукции. Казалось бы, какая разница, из чего делать модуль, материал-то тот же самый? Остановимся на данном вопросе более подробно.

В фотоэлектрических модулях из элементов Grade C и D всегда больше пайки, так как количество элементов значительно больше (в среднем в два раза), чем в качественных модулях, изготовленных по стандартной общепризнанной технологии. Больше пайки – меньше надежность и долговечность модуля. Некачественная пайка может стать причиной короткого замыкания на элементах и привести к эффекту «hotspot» (локальный перегрев).

Некачественная пайка

Добросовестный производитель всегда сортирует солнечные фотоэлектрические элементы перед изготовлением модуля. В фотоэлектрических модулях из элементов Grade C и D этого, как правило, не происходит, поскольку производитель таких модулей собирает целые части солнечных фотоэлектрических элементов из того, что есть.

Фрагмент солнечного фотоэлектрического модуля из элементов категорий качества C и D

Известный факт, что если в фотоэлектрическом модуле есть хотя бы один солнечный фотоэлектрический элемент меньшей мощности, чем все остальные, то все без исключения солнечные фотоэлектрические элементы «выстроятся» по самому слабому элементу, и если разница в вольтамперных характеристиках весьма значительна, это приведет к образованию эффекта «hotspot». В случае локального перегрева в высоковольтных системах (200-1000 В) температура солнечного фотоэлектрического элемента может достигать 300 °С, перегрев солнечного фотоэлектрического элемента приведет к его быстрой деградации (снижению мощности), возможно локальное отслоение EVA и PET, и в конечном итоге это может полностью вывести модуль из строя. Эффект «hotspot» также наблюдается при микротрещинах, которые всегда присутствуют в элементах Grade C и D. Именно поэтому в Европе и США модули из элементов Grade C и D не рекомендуется ставить в солнечных энергосистемах.

При покупке фотоэлектрического модуля потребитель часто сталкивается с вопросом: какой модуль выбрать – монокристаллический или поликристаллический? Расскажем, в чем разница между ними.

Температурный коэффициент. В процессе эксплуатации в реальных условиях фотоэлектрический модуль нагревается, вследствие чего номинальная мощность модуля снижается. В ходе исследований установлено, что в результате нагрева модуль теряет от 15 до 25% от своей номинальной мощности. В среднем у моно- и поликристаллических фотоэлектрических модулей температурный коэффициент составляет минус 0,45%. То есть при повышении температуры на 1 °С от стандартных условий STC каждый модуль будет терять мощность согласно коэффициенту. Этот параметр также зависит от качества солнечных фотоэлектрических элементов и производителя. У некоторых топовых производителей температурный коэффициент на модулях ниже – минус 0,43%.

Деградация под воздействием солнечного света LID (Light Induced Degradation). Возникает ввиду несовершенства технологии производства кремниевых пластин посредством загрязнения кислородом. Монокристаллические модули имеют немного большую скорость деградации в сравнении с поликристаллическими модулями в первый год. Мощность качественного поликристаллического модуля в первый год снижается в среднем на 2%, монокристаллического – на 3%. В последующие годы монокристаллический модуль деградирует на 0,71% в год, в то время как поликристаллический – на 0,67% в год, и это весьма незначительная разница. Многие компании, имеющие дистрибьюторов в России, изготавливают фотоэлектрические модули из солнечных фотоэлектрических элементов малоизвестных китайских фирм. Известны случаи, когда в модулях китайского производства LID достигал 20% в первый же год. Поэтому перед покупкой фотоэлектрического модуля уточните производителя элементов.

Цена. Стоимость производства поликристаллического модуля ниже, чем монокристаллического.

Чувствительность. В России до сих пор жив миф о том, что поликристаллический модуль более эффективно работает в пасмурную погоду. Однако ни одного официального доказательства этому не существует. Этот вопрос больше относится к качеству и светочувствительности солнечных фотоэлектрических элементов.
Как можно заметить, разница между монокристаллическими и поликристаллическими модулями есть, но она весьма незначительна. Качественный монокристаллический модуль, как правило, более эффективен и выдает больше мощности при тех же размерах, однако поликристаллические модули, изготовленные по стандартной технологии, всегда дешевле.

Pin It on Pinterest