Russian Federation
The analysis of the development trends of the main technologies in the production of highly efficient solar batteries is carried out. It is established that not only the use of innovative semicon-ductor materials is important for increasing the efficiency of converting solar energy into elec-trical energy. The important role of the topology of the placement of connecting buses and the rational use of additional reflective capabilities are noted
development, technology, production, solar panels, placement topology, busbars, reflecting possibilities
Тенденции по повышению экологичности при производстве электроэнергии обретают все большее значение [1-3]. В России оказывается государственная поддержка развитию технологии возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В этом тренде находится и солнечная энергетика, которая становится все более важным элементом глобальной энергетической системы. Повышение эффективности солнечной энергетики базируется на развитии технологий преобразователей солнечной энергии в электрических солнечных батареях [4-7].
На текущий момент можно отметить восемь основных технологий, при производстве высокоэффективных солнечных батарей:
- PERC (Passivated Emitter Rear Cell) – диэлектрический слой на обратной стороне ячейки;
- Bifacial – двухсторонние;
- Multi Busbar – многолинейные;
- Split panels – половинчатые;
- Dual Glass – безрамочные, с двойным стеклом;
- Shingled Cells – безразрывные элементы;
- IBC (Interdigitated Back Contact cells) – переплетеные контакты сзади ячейки;
- HJT (Heterojunction cells) – гетероструктурные ячейки.
Из перечисленных выше, четыре основных типа солнечных панелей с использованием новейших технологий солнечных фотоэлементов развиваются в последнее время.
Профессор Мартин Грин, директор Австралийского центра передовой фотогальваники UNSW, изобрел концепцию PERC, которая в настоящее время широко используется многими ведущими производителями солнечных батарей во всем мире.
За последние два года PERC стал предпочтительной технологией для многих производителей как моно, так и поликристаллических ячеек. PERC расшифровывается как «задняя ячейка с активированным излучателем». Как представлено на рисунке 1, технология представляет собой более продвинутую архитектуру ячейки, использующую дополнительные слои на задней стороне ячейки для поглощения большего количества световых фотонов и увеличения «квантовой эффективности». Особенностью технологии PERC является алюминиевый задний слой Al-BSF – Local Aluminium Back Surface Field. Еще было разработано несколько других вариантов, таких как PERT (Passivated Emitter Rear Totally Diffused) и PERL (Passivated Emitter and Rear Locally-diffused), но они пока не получили широкого применения.
Обычные клетки PERC P-типа могут страдать от так называемого LeTID или деградации, вызванной светом и повышенной температурой. Явление LeTID похоже на хорошо известную деградацию, вызванную LID или светом, когда панель может потерять 2-3% от номинальной мощности в первый год воздействия УФ-излучения и от 0,5% до 0,8% в год после. К сожалению, потери из-за LeTID могут быть выше – до 6% в первые 2 года. Если эта потеря не будет полностью учтена производителем, это может привести к снижению производительности и потенциальным претензиям по гарантии.
Рисунок 1 – Технология PERC
Кремниевые элементы N-типа, не страдают от воздействия LeTID. Кроме того, некоторые производители поли и моно PERC ячеек P-типа, разработали процессы уменьшения или устранения LeTID. Некоторые производители заявили о применении технологии анти-LeTID на своей продукции и утверждают, что уменьшили или устранили эффекты LeTID.
Рисунок 2 – Двухсторонние солнечные панели
Технология Bifacial двухсторонних солнечных батарей была известна уже нескольких лет, но сейчас начинает становиться популярной, поскольку стоимость производства монокристаллических элементов очень высокого качества продолжает снижаться. Двухсторонние элементы, примеры которых представлены на рисунке 2, поглощают свет с обеих сторон панели и в таких условиях могут производить до 27% больше энергии, чем традиционные односторонние панели.
В двухсторонних солнечных панелях обычно применяют стекло на передней стороне, а сзади, для герметизации ячеек – прозрачный полимерный слой. Он позволяет отраженному свету проникать с задней стороны панели. Двухсторонние модули также могут иметь стеклянный задний слой, который имеет больший срок службы и может значительно снизить риск отказа, поэтому некоторые производители теперь предлагают 30-летнюю гарантию на свою продукцию.
Традиционно двухсторонние солнечные панели использовались только в наземных установках, где солнечный свет легко отражался от окружающих поверхностей, в частности, в заснеженных районах. Хотя было доказано, что они хорошо работают и при монтаже на светлые поверхности, что позволяет увеличить выработку до 10%.
Двухсторонние модули, как показано на рисунке 3, поглощают отраженный солнечный свет обратной стороной панели.
Рисунок 3 – Двухсторонние модули
Busbar или токоведущие шины представляют собой тонкие провода или ленты, которые проходят по каждой ячейке и переносят электроны (ток) от солнечных элементов. Поскольку фотоэлементы становятся более эффективными, они, в свою очередь, генерируют больше тока, и за последние годы большинство производителей перешли с 3 шин на 5 или 6 шин. Некоторые производители, сделали еще один шаг вперед и разработали многопроволочные системы, использующие до 12 очень тонких круглых проводов, а не плоских шин, что проиллюстрировано на рисунке 4. Выгода заключается в том, что сборные шины фактически затеняют часть ячейки и поэтому могут немного снизить производительность, поэтому их необходимо тщательно проектировать. Несколько тонких шин обеспечивают более низкое сопротивление и более короткий путь перемещения электронов, что приводит к более высокой производительности.
Маленькие дорожки (тонкие шины) на каждой ячейке передают ток на 5 ленточных шин (рисунок 4):
Рисунок 4 – Многолинейные солнечные элементы
Если в ячейке возникли микротрещины из-за ударов или высоких нагрузок, большее количество шин помогает снизить вероятность того, что трещина перерастет в горячую точку, поскольку они обеспечивают альтернативные пути прохождения тока.
В модулях LG Neon 2 впервые использовались 12 маленьких круглых проводных шин, LG называет свою технологию «Cello», которая означает соединение элементов, с низкими электрическими потерями. Многопроволочная технология Cello снижает электрическое сопротивление, тем самым уменьшаются потери напряжения, а уменьшение площади и применение закругленных шин дает лучшее оптическое поглощение света, тем самым повышается эффективность.
Фирма Trina Solar, вместе со многими другими производителями, начали предлагать тонкие круглые шинные ячейки под названием multi-bus (MBB) в качестве опции для ряда модулей с 2019 года. Как объяснялось ранее, еще одним преимуществом наличия большего количества шин является то, что при микротрещинах возникновение в ячейке из-за внешних напряжений, меньше вероятность того, что это создаст горячую точку, так как электроны имеют много альтернативных шин для протекания тока. Это показано на рисунке 5.
Рисунок 5 – Преимущества технологит Multi Busbar
Еще одно недавнее новшество – использование ячеек с половинным размером вместо квадратных ячеек полного размера и перемещение распределительной коробки в центр модуля, варианты которых представлены на рисунке 6. Тем самым разделяя солнечную панель на 2 меньшие панели по 50% площади, каждая из которых работает параллельно. Это имеет множество преимуществ, в том числе повышение производительности благодаря снижению резистивных потерь через шины (токосъемники). Поскольку каждая ячейка имеет половинный размер, она производит половину тока при одном и том же напряжении, что означает, что ширина шины может быть уменьшена наполовину, уменьшая затенение и потери ячейки. Снижение тока также приводит к снижению температуры в ячейке, что, в свою очередь, уменьшает потенциальное образование и серьезность горячих точек из-за локального затенения, загрязнения или повреждения ячейки.
Кроме того, более короткое расстояние до центра панели сверху и снизу повышает эффективность в целом, повышая выходную мощность панели аналогичного размера до 20 Вт. Другое преимущество заключается в том, что при частичном затенении верхней или нижней части панели, затененная часть не влияет на выработку электроэнергии от другой половины солнечной батареи.
Рассмотрение тенденций развития основных технологий при производстве высокоэффективных солнечных батарей показывает, что не только применение инновационных полупроводниковых материалов имеет важное значение для повышения эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую, но и топология размещения соединительных шин и рациональное использование дополнительных отражающих возможностей.
|
|
|
|
Рисунок 6 – Половинчатые солнечные батареи
1. Mozohin A.E. i Shvedenko V.N. 2019 Analiz napravleniy razvitiya cifrovizacii otechestvennyh i zarubezhnyh energeticheskih sistem Nauchno-tehnicheskiy vestnik informacionnyh tehnologiy, mehaniki i optiki. 2019. T. 19. № 4. pp 657–672 Preprint doi:https://doi.org/10.17586/2226-1494-2019-19-4-657-672.
2. Konovalov, Yu.V. Analiz kachestva elektroenergii na predpriyatii / Yu.V. Konovalov, I.I. Vorob'ev // Vestnik Angarskoy gosudarstvennoy tehnicheskoy akademii. 2014. № 8. – S. 57-60.
3. Kryukov, A.V. Primenenie intellektual'nyh tehnologiy dlya elektrotehnicheskih kompleksov na neftegazodobyvayuschih predpriyatiyah / A.V. Kryukov, Yu.V. Konovalov // Sbornik nauchnyh trudov Angarskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. 2018. T.1. № 15. – S. 162-169.
4. Konovalov, Yu.V. Razvitie solnechnoy energetiki v Rossii i mire / Yu.V. Konovalov, A.A. Kozina // Vestnik Angarskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. 2015. № 9. – S. 156-160.
5. Konovalov, Yu.V. Raschet insolyacii solnechnoy fotoelektricheskoy elektrostancii s uchetom geolokacionnyh i pogodnyh parametrov / Yu.V. Konovalov, A.N. Haziev // iPolytech Journal. 2022. T. 26. № 3. – S. 439-450.
6. Konovalov, Y.V. Computer tech-nology applications to calculate the insolation of photoelectric power plant / Y.V. Konovalov, A.N. Khaziev / IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 4. Ser. "IV International Scientific and Practical Conference "Actual Problems of the Energy Complex: Physical Processes, Mining, Pro-duction, Transmission, Processing and Envi-ronmental Protection"". 2022. – S. 012048.
7. Konovalov, Yu.V. Ispol'zovanie solnechnyh paneley dlya povysheniya nadezhnosti sistem elektrosnabzheniya sredstv avtomatiki i signalizacii / Yu.V. Konovalov, A.N. Haziev // Sbornik nauchnyh trudov Angarskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. 2024. № 21. – S. 322-325.
