Сонячна енергетика продовжує рости завдяки таким технологіям, як перовскіти, гетероперехідні сонячні елементи та системи зберігання енергії. Нові інвертори сприяють більшій ефективності сонячних установок, допомагаючи генерувати якнайбільше сонячної енергії.
Технологічні досягнення сприяють відновленню зростання сектора сонячної енергетики після пандемії. У міру встановлення цілей з декарбонізації все більше компаній ставлять цілі в галузі сталого розвитку, а прагнення до «розумних» будинків сприяє розширенню сонячних установок на дахах житлових будинків.
Триває розробка більш ефективного обладнання для сонячної енергетики. Сьогодні важливий фактор зростання сонячної енергії – це не найкраща сонячна панель або інвертор, а скоріше розгортання систем зберігання енергії для підтримки розвитку сонячної енергетики. «Найактуальніша технологічна проблема для сонячної енергетики в даний час - безпечні, надійні та недорогі сховища», - сказав Суві Шарма, засновник Solaria, каліфорнійської компанії, що займається технологіями та установками сонячних батарей. «Сонячна енергетика стає економічно вигідною. Майже в кожному штаті встановлюються сонячні батареї. Звичайно, сонячна енергія не виробляється вночі, тому необхідно встановлювати системи зберігання у житлових, комерційних чи комунальних приміщеннях».
Подовження ITC також вигідне виробникам систем зберігання енергії. Якщо ці системи одержують щонайменше 75% заряду від внутрішньої системи відновлюваної енергії, часто вони мають право на податковий кредит.
Спільні зусилля.
Партнерські відносини та співробітництво у цій галузі сприяють швидкому розвитку технологій. У жовтні дослідники з Національної лабораторії відновлюваних джерел енергії (NREL) та Колорадської школи гірничої справи оголосили, що застосовують нову техніку для виявлення дефектів у кремнієвих сонячних елементах. Результати дослідження «можуть призвести до поліпшення способів, якими виробники зміцнюють свою продукцію проти так званої світлоіндукованої деградації [LID]».
LID знижує ефективність кремнієвих сонячних елементів приблизно на 2%, що призводить до "значного падіння вихідної потужності після 30-40 років експлуатації установки в польових умовах". Кремнієві сонячні елементи становлять понад 96% ринку. Найбільш поширені напівпровідники, використовувані для цих елементів, зроблені з кремнію, легованого бором, який чутливий до LID, і тому виробники шукали, як стабілізувати сонячні модулі. Дослідники NREL заявили, що розуміння дефектів лише на рівні атомів неможливо передбачити стабільність цих модулів.
"Деякі модулі повністю стабілізовані, деякі - тільки наполовину", - сказала доктор філософії Ебігейл Мейєр, науковий співробітник NREL. Мейєр
Мейєр спільно з співавторами з Mines і NREL, зокрема Полом Страдінсом, провідним вченим і керівником проекту з досліджень кремнієвої фотоелектричної енергії в NREL, написали статтю «Про спроби визначення джерела явища LID». Страдінс сказав, що проблема LID вивчалася десятиліттями, але «точна мікроскопічна природа деградації так і не визначена». Шляхом непрямих експериментів і теорії дослідники дійшли висновку, що проблема зменшується пропорційно до зниження кількості бору або зниження кількості кисню в кремнії.
Співпраця між NREL та Mines з дослідженнями, що фінансуються Управлінням технологій сонячної енергії при Міністерстві енергетики, ґрунтувалася на електронному парамагнітному резонансі (EPR) для виявлення дефектів, що викликають LID. Мікроскопічне дослідження показало виразну сигнатуру дефекту, оскільки зразки сонячних елементів більше руйнуються під впливом світла. Сигнатура дефекту зникла, коли вчені застосували емпіричний процес регенерації для LID, прийнятий в промисловості. Дослідники також виявили другу, «широку» сигнатуру ЕПР, схильну до впливу світла, в якій бере участь набагато більше атомів домішки, ніж дефектів LID. Вони припустили, що не всі атомні зміни, спричинені світлом, призводять до утворення LID. Методи, розроблені для вивчення LID, можуть бути використані для виявлення інших типів деградуючих дефектів кремнієвих сонячних елементах.
Максимальне підвищення ефективності панелей.
Розробники сонячних елементів та модулів продовжують шукати способи підвищення ефективності фотоелектричних (PV) панелей.
Китайські виробники JinkoSolar та LONGi покращили ефективність перетворення сонячної енергії на 25% для технологій кристалічного кремнію. Австралійські дослідники розробили двосторонній кремнієвий сонячний елемент із ККД 24,3% на передній панелі та 23,4% на задній, тобто його ефективна потужність становить близько 29%.
Oxford PV оголосила про підвищення ефективності своїх перовскітних сонячних елементів на 29,52%. У липні компанія завершила будівництво виробничого майданчика для своїх тандемних сонячних елементів на основі перовскіту на кремнії та планує розпочати повне комерційне виробництво у 2022 році.
Консорціум Solliance Solar Research, що базується в Нідерландах, наприкінці жовтня заявив, що їх дослідження досягли ефективності перетворення енергії 29,2% на прозорому двосторонньому перовскітному сонячному елементі у поєднанні з кристалічним кремнієвим сонячним елементом у тандемній конфігурації з чотирма висновками. Панель заснована на прозорому перовскітовому елементі з високою пропускною здатністю в ближньому інфрачервоному діапазоні, створеному Нідерландською організацією прикладних наукових досліджень (більш відомою як TNO) та бельгійською лабораторією EnergyVille, а також на 11,4% ефективному кремнієвому гетеропереході. розроблений компанією Panasonic.
EnergyVille розповіла про свою роботу над тандемними конфігураціями, заявивши: «Комбінуючи два (або більше) різних сонячних елементи з підібраними властивостями матеріалу «друг над одним» (у так званій тандемній конфігурації), ми можемо отримати більше електричної енергії. Таким чином, ми можемо перетворювати ширшу частину світлового спектру та подолати фізичні обмеження одиночних сонячних батарей. Поєднуючи перовскітовий верхній елемент з нижнім кремнієвим елементом, EnergyVille прагне досягти ефективності тандемного перетворення енергії на 30%, що перевищує теоретичний максимум кремнієвих сонячних елементів, що становить близько 28%.
Технологія кристалічного кремнію становить переважну частину ринку сонячної енергії. У зв'язку з проблемами постачання та торговими обмеженнями на імпорт з Китаю, включаючи побоювання щодо виробництва полікремнію в Сіньцзяні, у США відкрилися можливості для виробників тонких плівок. First Solar з Арізони, яка виробляє сонячні модулі та панелі з телуриду кадмію (CdTe), інвестує майже 700 мільйонів доларів у будівництво третього заводу в США, що розширить внутрішні виробничі потужності компанії на 3,3 ГВт. Компанія також планує збудувати аналогічний завод потужністю 3,3 ГВт в Індії.
Китайський виробник China National Building Materials, який виробляє тонкоплівкові панелі з диселеніду меді-індію-галію, заявив, що розширює своє виробництво на 1 ГВт для модулів CdTe.
Нові сонячні батареї.
Суві Шарма сказав: «Найважливішим технологічним досягненням для сонячних систем є сонячні елементи n-типу». Два найбільш поширені сонячні елементи n-типу - це TOPCon (пасивований контакт) та гетероперехід. Сонячний елемент з гетеропереходом поєднує дві різні технології в один елемент: елемент кристалічного кремнію, розташований між двома шарами аморфного тонкоплівкового кремнію. Одночасне використання технологій дозволяють отримувати більше енергії порівняно з окремим використанням.
«Сонячні елементи N-типу виготовляються із пластин іншого хімічного складу», - сказав Шарма. «Виробництво елементів у найближчі 3-5 років значно зміниться. Зараз здебільшого виробляються моноосередки PERC p-типу [монокристалічні кремнієві осередки], але скоро всі почнуть переходити на елементи n-типу TOPCon і гетеропереходи».
Шарма сказав: «Виробництво осередків n-типу не призначене для конкретної ніші. Нові елементи підвищать ефективність усіх сонячних панелей та всіх програм. Це вплине на всю галузь і розгортання сонячних батарей».
Solaria планує випустити свою нову сонячну панель PowerXT 430R-PL (430 Вт) у березні 2022 року. Панель буде оптимізована для силової електроніки на рівні модулів (MLPE) наступного покоління, які можуть бути вбудовані в сонячну фотоелектричну систему для підвищення її ефективності за певних умов, наприклад, у тіні. Пристрої MLPE включають мікроінвертори і оптимізатори потужності постійного струму (DC) - всі вони призначені для поліпшення виробництва енергії в сонячній енергетичній системі.
Спостереження за сонцем.
Нові стелажні системи також збільшують ефективність сонячних батарей. У жовтні компанія Solar FlexRack оголосила, що її сонячні трекери встановлені на більш ніж 80 сонячних проектах у Каліфорнії, зокрема на проекті потужністю 2,82 МВт для Danell Brothers Dairy (мал. 1), розташованої на півдні від Хенфорда. Проект був встановлений компанією Renewable Solar Inc., яка займається встановленням комерційних та сільськогосподарських сонячних парків у Каліфорнії.
1. Solar FlexRack встановила свої системи стеження за сонцем у Каліфорнії, зокрема на сільськогосподарських об'єктах, наприклад, на молочній фермі Danell Brothers.
Дедалі більше енергоємних підприємств встановлюють сонячні парки з метою зниження експлуатаційних витрат. "Ми співпрацюємо з Renewable Solar Inc., поставляючи високоякісні екологічно чисті енергетичні системи в Каліфорнії протягом багатьох років", - сказав Стів Деніел, виконавчий віце-президент Solar FlexRack. «Ми сподіваємось на подальшу співпрацю з Renewable Solar Inc. за додатковими фотоелектричними проектами в галузі сільського господарства для підтримки відновлюваних джерел енергії».
Можна вибрати стійки від Solar FlexRack Series G як "альбомного", так і "портретного" формату, щоб максимізувати виробництво енергії залежно від розташування. Для стабілізації та вирівнювання стелажної системи та полегшення установки на стійках розташовані бічні кріплення.
Горизонтальний кронштейн дозволяє встановити горизонтальну напрямну на місце без використання болтів, що скорочує час встановлення. Стійка може бути нахилена до 20% зі сходу на захід, знову ж таки для максимального збільшення вироблення енергії.
2. Виробники сонячної енергії постійно шукають способи оптимізації виробництва енергії за допомогою обладнання, включаючи трекери, які «слідують» за сонцем і можуть забезпечити максимальну генерацію сонячної енергії, як рано-вранці, так і пізно ввечері.
Каліфорнійська компанія Nextracker на початку листопада повідомила, що вона стала першим постачальником обладнання та програмного забезпечення для відстеження сонця (рис. 2). Обладнання використовується на великих сонячних електростанціях у 40 країнах, світове постачання перевищило 50 ГВт.
Технологічні досягнення Nextracker включають сонячний трекер NX Horizon, який відрізняється збалансованою механічною конструкцією, що забезпечує двофазне виробництво енергії. Фірмове програмне забезпечення TrueCapture для інтелектуального керування допомагає сонячним електростанціям знизити падіння вихідної потужності у зв'язку з хмарністю або у випадку, коли один ряд панелей затінює панелі у сусідніх рядах.
Останнє досягнення компанії – алгоритм Split Boost, що оптимізує вихід енергії для кремнієвих фотоелектричних модулів із розділеними осередками. Дефне Ган, технічний спеціаліст з продажу, написав на веб-сайті компанії: «Ми моделюємо Split Boost на основі внутрішнього програмного забезпечення для зворотного відстеження, заснованого на трасуванні променів, в якому відхилення модуля, а також робочий режим Split Boost вбудовані у наш алгоритм послідовного збільшення енергії. Використовуючи алгоритми в режимі моделювання перед установкою на сонячній електростанції, ми можемо оцінити продуктивність TrueCapture на даній ділянці з урахуванням конкретної моделі енергоспоживання, геометрії трекера та рельєфу місцевості».
Компанія Tigo Energy, відома системами Flex MLPE, у вересні повідомила, що її лінійки інверторів та батарей Energy Intelligence (EI) тепер доступні для встановлення у житлових будинках. Компанія заявила, що нові інвертори та акумулятори підтримують вбудовану інтеграцію компонентів сонячної енергії та акумуляторів для комерційних та промислових сонячних систем.
«Нові продукти EI Battery та Inverter забезпечують дуже простий процес встановлення та введення в експлуатацію, а також мають функції управління парком обладнання. Кінцевий споживач, у свою чергу, отримає доступ до стійкої, відновлюваної та безпечної енергії за допомогою адаптованої за ціною та продуктивністю системи», - сказав Цві Алон, генеральний директор Tigo Energy.
Зберігання енергії – ключ до зростання.
Розробка рішень для зберігання даних у поєднанні із сонячною енергією буде ключем до підтримки зростання галузі. У багатьох програмах зберігання енергії сьогодні економічно не виправдане. [Але] в житлових приміщеннях зберігання енергії має сенс: для забезпечення відмовостійкості, безпеки та живлення під час вимкнення електроенергії. Це важливо, особливо під час екстремальних погодних умов. Але для наступного етапу розвитку сонячної енергетики, потрібні доступніші за ціною системи зберігання.
На ринку вже можна придбати продукти, призначені для підтримки побутових сонячних батарей та накопичувачів. Один з найвідоміших продуктів – Powerwall від компанії Tesla. Powerwall накопичує сонячну енергію для забезпечення резервного живлення у разі відключення мережі. Компанія Generac Grid Services нещодавно запустила свій PWRgenerator (новий тип генератора постійного струму) для швидкого заряджання акумуляторної батареї Generac PWRcell. Генератор PWR при підключенні до постійного струму дозволяє батареї PWRcell довше підтримувати енергію під час вимкнення.
Генератор PWR підключається безпосередньо до інвертора PWRcell. Така «нано-мережа дозволяє будинку бути повністю енергетично незалежним». Сонячні панелі в будинку забезпечують живлення будинку вдень, а надлишок накопичується в акумуляторі. Вночі акумулятор розряджається, але якщо рівень заряду досягає 30%, генератор PWR, який працює на природному газі або пропані, включається та за годину повністю заряджає акумулятор.
На ринку сьогодні представлені й інші системи із сонячними батареями та накопичувачами для житлових приміщень: EverVolt від Panasonic; домашній акумулятор RESU (Residential Energy Storage Unit); та дрібніші системи, такі як лінійка сонячних генераторів Jackery та портативна модель акумулятора Goal Zero 6000X.
Технологічні досягнення в галузі сонячної енергії просуваються в таких галузях, як автомобільна промисловість та будівництво фотоелектричних систем; побутова електроніка з можливістю заряджання від сонячних батарей та переносні мобільні пристрої.
«Прискорення інновацій покращує [продуктивність] сонячної енергії», - сказав Шарма, додавши, що «дедалі більше уваги приділяється ефективності та естетиці проектів».