ЕНЕРГИЯ - Списание за оборудване, технологии и инженеринггодина XI, брой 3, 2019

Тенденции във фотоволтаичната енергетика

Тенденции във фотоволтаичната енергетика

През последните няколко години нараства потреблението на слънчева енергия и предвижданията са тази тенденция да продължи и вбъдеще. Това води не само до инсталирането на все повече мощности за генериране на соларна енергия, но и представлява стимул за развитието на технологиите, които засягат тази област от енергетиката.
Друга посока, в която се работи, са инверторите, като при тях от една страна се полагат усилия за усъвършенстването им така, че те не само да могат да изпълняват основната си функция по най-добрия начин, но също така да се превърнат в основно средство за оптимизирането и до голяма степен автоматизирането на работата на инсталациите за слънчева енергия. Във връзка с това оптимизиране на работата се развиват и технологиите за съхранение на генерираната енергия и за изграждане на хибридни електроцентрали, в които да се съчетават ползите и да се минимизират недостатъците от генерирането на енергия от различните възобновяеми източници.


Пазарът за слънчева енергия процъфтява. Според данни на консултантската фирма IHS Markit, през 2018г. са инсталирани нови слънчеви енергийни системи с обща производителност над 100GW, а се очаква през 2019г. да бъдат инсталирани още 120GW. Всичко показва продължаваща тенденция на развитие на пазара през следващите години. Този световен растеж на фотоволтаиците се движи от новаторски и икономически ефективни производствени технологии, бързи темпове на разработване и гарантирани качество и надеждност. Развитието на технологиите в тази област включва автоматизация, мониторинг и измервателна техника, материали и аксесоари, оборудване за производство на слитъци, пластини и суровини като полисилиций и UMG, както и оборудване за производство на слънчеви клетки и модули.

Възход на ефикасните монокристални соларни клетки
Разделените наполовина соларни клетки, технологиите за пасивиране на задната част на соларната клетка (PERC) и монокристал - соларните клетки стават все по-мощни и ефикасни. Тенденцията, която в момента се наблюдава в световен мащаб, показва напредък при монокристалните клетки и модули, които са достигнали по-високи нива на ефективност от поликристалните технологии. Според PV InfoLink, през 2018г. монокристалните панели с технология PERC са се превърнали във водещ продукт. По-голямата част от разширяването на производствения капацитет се фокусира върху тази технология и това доведе до по-висок от очакваното капацитет на PERC, от 33,6GW в края на 2017г. до 66,7GW в края на 2018г, като се смята се, че той ще се увеличи с над 26GW до края на 2019г. - до повече от 92GW. По-тънките пластини, които намаляват разходите и увеличават ефективността на клетките, ще доведат до засилване на тази тенденция. Очаква се производителите на фотоволтаици да продължат да използват по-големи пластини и модули, като се разраства употребата на монокристални пластини с дебелина от 160μm.

Досега високопроизводителните соларни модули с монокристални клетки се инсталираха предимно върху покривите на жилищни сгради, но вече все по-често се използват за големи съоръжения за производство на електроенергия. Преди три години монокристалните технологии представляваха около 30% от пазара на фотоволтаици, а днес анализатори вече предвиждат глобалният пазарен дял на тези продукти да се изравни с този на поликристалните клетки и модули. Според IHS Markit, цената на монокристалните пластини се е понижила през първата половина на 2018г. но нива, които ги правят с около 10% по-скъпи от поликристалните пластини, но тази разлика лесно ще бъде компенсирана чрез по-голяма ефективност. Това предимство по отношение на разходите е възможно отчасти заради използването на ефикасна технология за диамантени жици за рязане на фотоволтаичните пластини, както и разпространението на соларни клетки с технологията PERC, като според данни на Германската промишлена асоциация (VDMA), тази технология е от особена полза за монокристалните клетки. Чрез нея степента на тяхната ефективност може да бъде увеличена с 1,7% в сравнение със стандартните технологии, а тази на поликристалните - с около 1%. Монокристалните клетки преобразуват 15% от слънчевата енергия в електричество, докато поликристалните само 12%, но недостатъкът им е, че в сравнение с поликристалните клетки процесът на производството им е много по-сложен, както и много по-голяма част от използваният силиций се превръща в отпадък.

Модулите с разделени наполовина клетки също се радват на развитие и все по-широко разпространение. Много компании се пренасочват към производството на продукти с тази технология. В допълнение към повишената изходна мощност, модулите с разделени наполовина клетки се отличават с подобрени характеристики благодарение на по-благоприятните температурни коефициенти, по-ниски нива на горещите точки и по-ниски работни температури, наред с други предимства. Характерното предимство на технологията с разделени наполовина клетки е, че чрез нея намалява наполовина мощността в самия модул, като по този начин загубите на енергия се понижават с до 75% и благодарение на това производството на енергия може да се увеличи с 3%. Преминаването от 4-шинна към 6-шинна технология дава допълнителни предимства. Намаленото пространство между шините и допълнителните проводящи пътища позволява повишаване на електропроизводството с до 0,5%. Използването на кръгли проводници, за разлика от плоските лентови кабели, може да доведе до допълнително увеличаване на производството с до 2%.

Друг продукт, при който се забелязва напредък в разработките, са двулицевите соларни модули. Техните предимствата вече са добре известни, като според някои специалисти те представляват най-обещаващият напредък в слънчевата енергия от десетилетие. Сред предимствата на тези модули е повишеното производство на енергия, като това увеличение може да варира от едноцифрени проценти до над 20% в сравнение с еднолицевите модули в зависимост от широк спектър от променливи. Според производителите, преди двулицевите модули да са готови за широко разпространение, индустрията се нуждае от една или две години, за да бъдат събрани необходимите данни, така че да може да се определя как се представят тези продукти по отношение на ефективността и разходите, както и за какви приложения са най-ефективни. Тъй като двулицевите модули поглъщат слънчева светлина както от горната, така и от долната страна на панела, те представляват уникално предизвикателство при разполагането и инсталирането, защото тогава трябва да се вземат под внимание различни фактори, включващи както специфики на средата, например земната покривка, така и особености на дизайна на съоръжението като наличие и разположение на тракери, за да се постигне максимално производство на електроенергия. Тези променливи допринасят за едно от най-големите предизвикателства на технологията: изчисляването на изходната мощност. Международната електротехническа комисия, заедно с различни агенции за изпитване, работи върху единен стандарт и публикува предложение за такъв стандарт за измерване. След като стандартът бъде въведен, за индустрията ще бъде по-лесно да оцени ползите от двулицевите модули в съотношение с тяхната цена. Разходите за еднолицеви и двулицеви модули все повече се доближават, като двулицевите се нуждаят от няколко усъвършенствания на производството.

Отвъд силициевите кристални клетки
За производството на соларни панели най-често се използват силициеви кристали, но съществуват още множество различни технологии и материали, които се разработват, с различни предимства и недостатъци спрямо утвърдените продукти. Всяка една от тези иновации има потенциала да зададе новата посока на развитие при слънчевата енергетика.

Аморфните силициеви клетки се произвеждат чрез нанасяне на силиций на тънък хомогенен слой върху субстрат, вместо да се създава твърда кристална структура. При тази технология клетките могат да бъдат по-тънки, откъдето идва и алтернативно наименование тънкослойни фотоволтаици. Аморфният силиций може да бъде нанесен върху широка гама субстрати, както твърди, така и гъвкави, което го прави идеален за извити повърхности. Ефективността на тази технология обаче е около 6%, значително по-ниска от тази на кристалните силициеви клетки. Тънкослойните панели обаче имат предимството да се представят по-добре от другите модули при облачно време (дифузна светлина), а също така производството им е по-лесно и по-евтино. Ако пространството не е ограничено, аморфният продукт може да бъде добър вариант, но ако се изисква максимален добив на квадратен метър, по-подходяща е кристална технология.

Редица други материали като кадмиев телурид (CdTe) и меден индиен селенид (CIS) сега се използват за фотоволтаични модули. Привлекателното в тези технологии е, че се произвеждат чрез относително евтини индустриални процеси в сравнение със силициевите кристални клетки, а и обикновено предлагат по-висока ефективност на модулите спрямо тези от аморфен силиций, но все пак по-ниска от тази на моно- или поликристалните модули. Недостатък е използването на силно токсични метали като кадмий и необходимостта от внимателно и контролирано производство и изхвърляне след края на жизнения цикъл. Друг материал, който става обект на изследване с цел подобряване на соларните технологии и навлиза в производството на фотоволтаици, е перовскита, който обаче обикновено не се използва самостоятелно, а в комбинация с традиционния силиций, за да повиши ефективността при преобразуването на слънчева енергия в електричество. Правят се изследвания и във връзка с други материали, които биха направили производството на соларни клетки по-икономично, но засега ефикасността на тези разработки е много по-ниска спрямо клетките и модулите, които могат да се намерят на пазара.

Напредък при многофункционалността на инверторите
Основната функция на инверторите е да превръщат постоянните токове в променливи токове, но с развитието на технологиите те придобиват все повече функции и стават основно средство не само за управление на инсталациите, но и за оптимизиране на тяхната работа и събиране на данни, което дава възможност за приложението им във връзка със собственото потребление на енергия, системите за съхранение електроенергия, зареждането на електромобили, отоплителните инсталации и интелигентните домове. Хибридните инвертори, решенията за модернизация чрез соларни технологии и дигиталните платформи намират все по-широка употреба. Именно благодарение на дигитализацията, циклите на иновация при инверторите стават все по-кратки.

Сред новоразработените модели, представяни от различни производители, има устройства в различни класове според производителността си, разполагащи с тракери на максималната точка на мощността, включително такива, комбинирани с портове, през които могат да бъдат включвани високоволтови батерии. Устройствата също така имат разнообразни възможности за комуникация, например интегриран Ethernet порт за LAN достъп или могат да бъдат свързани чрез Modbus TCP (например SunSpec или EEBUS), което позволява интегрирането на други функции като зареждане на електромобили или интелигентно регулиране на температурата.

С развитието на фотоволтаичните технологии, обемът на фотоволтаичните инсталации в световен мащаб бързо се увеличава, което прави ефективното управлението на електроенергията, особено в часовете на върхово производство и на върхово потребление, все по-важно. Решение може да се намери в дигитализирането в тези процеси. В обозримото бъдеще фотоволтаичната индустрия постепенно ще започне да се развива на базата на дигитализацията, а нейното управление и контрол на енергията ще се осъществяват чрез технологии като изкуствен интелект, големи данни и Интернет на нещата. Развитието на тези модерни технологии в крайна сметка ще доведе до нов бизнес модел за доставчиците на инвертори, предлагащ по-добри решения за стабилността на мрежата.

Всекидневно се доставят около 30000 нови фотоволтаични инвертора, позволяващи свързване в интернет на нещата, което възлиза на около 11 милиона годишно. Анализаторите на IHS твърдят, че индустрията ще използва тази година, за да се съсредоточи върху това как да извлече стойност от данните, които тези устройства предоставят. ABB, Schneider Electric и Siemens вече предлагат всеобхватни индустриални платформи за интернет на нещата. Също така тази година вероятно ще се осъществи по-фрагментарно развитие на измерването, мониторинга и експлоатацията на жилищни соларни инсталации и на слънчеви електроцентрали.

Важна тенденция, която ще търпи все по-голямо развитие, са и дигиталните платформи, където доставчиците могат да комбинират своите основни познания по отношение на фотоволтаичните инвертори със софтуера и облачните услуги. Друго развитие, което се забелязва, е производителите на инвертори да основават дъщерни дружества за дигитални енергийни решения, за да се възползват от новите възможности за създаване на добавена стойност.

Фотоволтаици, вятърна енергия и съхранение на електроенергия
Хибридните електроцентрали за възобновяеми енергийни източници привличат все по-голямо внимание. Те съчетават фотоволтаици, вятърна енергия и други възобновяеми източници със системи за съхранение на електроенергия. Преди всичко хибридните електроцентрали могат да осигурят електрозахранване за отдалечени, откъснати от електропреносната мрежа райони, както и могат да подават електричество към мрежата, което помага при върхови натоварвания или намаляване на електричеството, подавано от други електроцентрали. В Европа вече има опит с такова съчетаване на възобновяеми енергийни източници, например в района на Айфел, Германия, където обществена енергийна компания споделя за положителен опит с използването на хибридна фотоволтаична/вятърна електроцентрала. Там слънчев парк с мощност 5MW и вятърна централа с мощност 3MW бяха свързани към точка на присъединяване към обща мрежа. Комбинираното използване на тези два елемента означава, че само няколко от годишните добиви на системата трябва да бъдат ограничени (приблизително 0,5%), а също така енергията се подава равномерно в системата, което благоприятства за стабилността на електрическата мрежа. Важна икономическа полза от хибридните системи е осигуряването на икономии от разходите за присъединяване към мрежата поради съвместната точка на свързване. Най-голямата в света хибридна фотоволтаична/вятърна електроцентрала в момента се изгражда в Индия. През август 2018г. Индийската корпорация за слънчева енергия (SECI) обяви строителството на 160MW инсталация в щата Андхра Прадеш. Очаква се фотоволтаиците да допринесат със 120MW енергия, като вятърната енергия ще произвежда още 40MW. Системата ще разполага още с акумулаторна батерия с капацитет 40MW.

Усилия за усъвършенстването на технологиите за съхранение на електричество и прилагането им в по-голям мащаб се осъществяват по отношение не само на хибридните, но и на обикновените слънчеви електроцентрали. Според IHS Markit, преди края на 2018г. в световен мащаб инсталираните решения за съхранение на електроенергия, свързани с фотоволтаични съоръжения, достигат 420MW, като в същото време 40% от системите са съхранение на енергия са част от проекти за производство и съхранение на слънчева енергия. Очаква се до 2025г. да бъдат изградени системи за съхранение, свързани със слънчеви електроицентрали, възлизащи на между 20GWh и 26GWh. Явни възможности за растеж има в САЩ, Япония, Южна Корея, Обединеното кралство и Франция.