Vysvětlení účinnosti solárních panelů

Účinnost solárního panelu je množství slunečního světla (slunečního záření), které dopadá na povrch solárního panelu a je přeměněno na elektřinu. Díky mnoha pokrokům ve fotovoltaické technologii  za poslední desetiletí se průměrná účinnost konverze panelů zvýšila z 15 % na více než 23 %. Tento významný skok v účinnosti vedl ke zvýšení jmenovitého výkonu standardního obytného solárního panelu z 250 W na více než 450 W.

Jak je vysvětleno níže, účinnost solárních panelů je určena dvěma hlavními faktory: účinností fotovoltaických (PV) článků na základě konstrukce solárních článků a typu křemíku a celkovou účinností panelu na základě uspořádání, konfigurace a velikosti panelu. Zvětšení velikosti panelu může zlepšit účinnost vytvořením větší plochy pro zachycení slunečního světla, přičemž nejvýkonnější solární panely nyní dosahují jmenovitého výkonu výrazně přes 700 W.

Jaké jsou nejúčinnější solární panely?

V současnosti jsou nejúčinnějším dostupným typem monokrystalické panely na bázi křemíku. Moderní monokrystalické panely jsou však vyráběny s použitím několika různých typů článků, přičemž nejúčinnější varianty využívají vysoce výkonné články typu N , které umožňují panelům dosáhnout účinnosti nad 24 %. Tři hlavní varianty buněk typu N zahrnují heterojunction (HJT), TOPcon a back-contact (IBC), které jsou podrobně popsány níže. Polykrystalické články a panely se již nevyrábějí z důvodu nižší účinnosti, která dosáhla vrcholu těsně nad 18 %. V posledních letech prakticky všichni přední výrobci solárních panelů na celém světě přešli na výrobu účinnějších solárních panelů pomocí článků typu N-  HJT, TOPcon nebo Back-contact. 

Kdo vyrábí nejúčinnější solární panely?

Maxeon, dříve SunPower , zůstává lídrem v účinnosti rezidenčních solárních panelů a drží se na prvním místě s omezenou výrobou panelů řady 7. Aiko Solar však zaujala pozornost se svými většími panely komerční velikosti a dosáhla působivé účinnosti 24,2 % . Historicky Maxeon vedl toto odvětví již více než deset let, ale inovace společnosti Aiko s řadou Neostar, která byla uvedena na trh v roce 2023, posunula hranice. Panely Neostar jsou vybaveny špičkovou technologií článků All-Back-Contact (ABC), která zpočátku nabízí účinnost modulu 23,6 % . Panely 3. generace Neostar, které mají být uvedeny na trh v roce 2025, překonají 24,2 %, čímž stanoví nové měřítko pro výkon solárních panelů.

Nová generace řady Black Tiger společnosti Recom Tech s účinností 23,6 % využívá novou architekturu článků TOPcon Back-contact. LONGi Solar byl dříve druhým výrobcem po Sunpower, který dosáhl úrovně účinnosti modulů 23 % s novou řadou Hi-Mo 6 Scientists, založenou na hybridním designu IBC článku, který LONGi nazývá HPBC. Canadian Solar a v poslední době REC a Huasun Solar odhalily panely nové generace postavené s použitím článků HJT, které jsou na stejné úrovni jako účinnost renomované řady Maxeon.

Mezi další přední výrobce patří Jinko Solar, SPIC, TW Solar, Trina Solar a JA Solar, které jsou vybaveny články TOPCon a HJT nové generace. Panely s vyšší účinností s články TOPCon typu N od společností TW Solar, Astronergy, DAS Solar, Risen, Qcells a většiny zavedených výrobců pomohly zvýšit účinnost panelů nad 22 % v celém odvětví.

Top 10 nejúčinnějších rezidenčních solárních panelů 2024 *

* Poslední aktualizace: prosinec 2024 . Panely velikosti - 54 až 66 buněk (108-HC, 120-HC nebo 132-HC) a formáty buněk 96/104. Nezahrnuje komerční panely delší než 2,0 m.

Vysvětlení účinnosti solárních článků

Účinnost buněk je určena strukturou buňky a typem použitého substrátu, kterým je obecně křemík typu P nebo N, přičemž články typu N jsou nejúčinnější. Účinnost článku se vypočítává podle toho, co je známé jako faktor plnění (FF), což je maximální účinnost konverze fotovoltaického článku při optimálním provozním napětí a proudu. Všimněte si, že účinnost článku by neměla být zaměňována s účinností panelu. Účinnost panelu je vždy nižší kvůli vnitřním mezerám buněk a konstrukci rámu, které jsou zahrnuty do vypočítané plochy. Další podrobnosti viz níže.

Konstrukce článku hraje významnou roli v účinnosti panelu. Mezi klíčové vlastnosti patří typ základního křemíkového substrátu, konfigurace přípojnic a typ pasivace. Panely postavené pomocí článků se zadním kontaktem (IBC) jsou v současnosti nejúčinnější (až 24,1 %) díky vysoce čistému křemíkovému substrátu typu N a bez ztrát stíněním přípojnic. Nicméně panely vyvinuté s použitím nejnovějších N-Type TOPcon a pokročilých heterojunkčních (HJT) buněk dosáhly účinnosti nad 23 %.

Vysvětlení účinnosti solárních panelů

Účinnost solárního panelu se měří za standardních testovacích podmínek (STC) na základě teploty článku 25 ° C, slunečního záření 1000 W/m2 a hmotnosti vzduchu 1,5. Účinnost solárního panelu (%) se vypočítá vydělením jmenovitého výkonu modulu (W), neboli Pmax, celkovou plochou panelu v metrech čtverečních při úrovni ozáření 1000 W/m2 (STC). Jedná se v podstatě o výkon dělený příkonem, vyjádřený v procentech.

Mnoho faktorů, včetně teploty, úrovně ozáření, typu článku a vzájemného propojení článků, může ovlivnit celkovou účinnost panelu. Překvapivě dokonce i barva ochranné zadní vrstvy může ovlivnit účinnost. Černá zadní vrstva může vypadat estetičtěji, ale absorbuje více tepla, což má za následek vyšší teplotu buňky a zvýšený odpor, což mírně snižuje celkovou účinnost konverze.

Nejúčinnější panely jsou ty, které jsou vyrobeny s použitím interdigitovaných článků se zadním kontaktem (IBC) nebo variací článků se zadním kontaktem (XBC), po nichž následují články heterojunction (HJT), články TOPcon, monokrystalické články PERC s polovičním řezem a více přípojnicovými, šindelové články a nakonec 60článkové (4-5 přípojnicové) monočlánky. Nyní do značné míry zastaralé poly nebo multikrystalické panely jsou nejméně účinné a stejně tak nejlevnější panely.

Proč na účinnosti záleží

Termín efektivita se hodně omílá, ale o něco efektivnější panel se ne vždy rovná kvalitnějšímu panelu. Mnoho lidí považuje účinnost za nejdůležitější kritérium při výběru solárního panelu, ale nejdůležitější je kvalita výroby, která souvisí s reálným výkonem, spolehlivostí, servisem výrobce a záručními podmínkami. Přečtěte si více o výběru nejkvalitnějších solárních panelů pod označením TIER 1 zde.

Rychlejší návratnost

Z hlediska ochrany životního prostředí zvýšená účinnost obecně znamená, že solární panel vrátí vloženou energii (energii použitou k těžbě surovin a výrobě solárního panelu) za kratší dobu. Na základě podrobné  analýzy životního cyklu většina solárních panelů na bázi křemíku splatí vloženou energii do dvou let, v závislosti na umístění. Protože se však účinnost panelu zvýšila nad 20 %, doba návratnosti se na mnoha místech zkrátila na méně než 1,5 roku. Zvýšená účinnost také znamená, že solární systém vyrobí více elektřiny za průměrnou životnost solárního panelu 20+ let a dříve splatí počáteční náklady, což znamená, že se zlepší návratnost investic (ROI).

Delší životnost a nižší degradace

Účinnost solárních panelů obecně indikuje výkon, především proto, že většina vysoce účinných panelů používá křemíkové články typu N vyšší třídy se zlepšeným teplotním koeficientem a nižší degradací energie v průběhu času. Účinnější panely využívající články typu N těží z nižší míry degradace vyvolané světlem neboli LID, která představuje pouhých 0,25 % ztráty energie za rok. Při přepočtu na 25 až 30letou životnost panelu je stále zaručeno, že mnoho vysoce účinných panelů bude generovat 90 % nebo více původní jmenovité kapacity, v závislosti na podrobnostech záruky výrobce . Díky složení s vyšší čistotou nabízejí články typu N vyšší výkon díky větší toleranci vůči nečistotám a nižším defektům, což zvyšuje celkovou účinnost.

Plocha versus účinnost

Účinnost má velký rozdíl v množství požadované střešní plochy. Panely s vyšší účinností generují více energie na metr čtvereční, a proto vyžadují menší plochu. To je ideální pro střechy s omezeným prostorem a umožňuje instalaci systémů s větší kapacitou na jakoukoli střechu. Například 440W solární panely s 12x vyšší účinností a 22,5% účinností přeměny poskytnou o cca 1200W (1,2kW) větší celkovou solární kapacitu než stejný počet 300W panelů podobné velikosti s nižší 17,5% účinností.

• 12 x 300W panely při 17,5% účinnosti = 3600W

• 12 x 440W panely při 22,5% účinnosti = 5 280 W

Účinnost v reálném světě

V reálném světě závisí provozní účinnost solárních panelů na mnoha vnějších faktorech. V závislosti na místních podmínkách prostředí mohou tyto různé faktory snížit účinnost panelu a celkový výkon systému. Hlavní faktory, které ovlivňují účinnost solárních panelů, jsou uvedeny níže:

• Sluneční záření (W/m2)

• Stínování

• Orientace panelu

• Teplota

• Poloha (zeměpisná šířka)

• Čas roku

• Prach a špína

Faktory, které mají největší vliv na účinnost panelu v reálném světě, jsou ozáření, stínění, orientace a teplota.

Sluneční záření

Úroveň slunečního záření  se měří ve wattech na metr čtvereční (W/m2) a je ovlivněna atmosférickými podmínkami, jako jsou mraky a smog, zeměpisná šířka a roční období. Průměrné sluneční záření těsně mimo zemskou atmosféru je kolem 1360 W/m2, zatímco sluneční záření na úrovni země, v průměru za celý rok, je zhruba 1000 W/m2, proto je toto oficiální údaj používaný za standardních testovacích podmínek (STC). k určení účinnosti solárního panelu a jmenovitého výkonu. Sluneční záření však může být v některých lokalitách uprostřed léta, kdy je slunce přímo nad hlavou, až 1200 W/m2. Naproti tomu sluneční záření může za slunečného dne v zimě nebo ve smogových podmínkách klesnout hluboko pod 500 W/m2.

Stínování

Přirozeně, pokud jsou panely zcela zastíněné, bude výstupní výkon velmi nízký. Částečné zastínění však může mít také velký vliv nejen na účinnost panelu, ale také na spolehlivost a celkovou účinnost systému. Například částečné zastínění na jednom panelu v řetězci může snížit výstupní výkon o 50 % nebo více, čímž se výrazně sníží výkon celého řetězce; panely jsou zapojeny do série a zastínění jednoho panelu ovlivňuje celý řetězec. Ještě důležitější je, že trvalé nebo pevné zastínění na malé ploše může způsobit selhání bypass diod , což vede k závažnějším problémům. Proto je velmi důležité snažit se stínění pokud možno omezit nebo odstranit. Naštěstí existují přídavná zařízení známá jako  optimalizátory  a  mikroinvertory , které dokážou snížit negativní efekt zastínění, zvláště když je zastíněno jen malé množství panelů. Použití kratších řetězců paralelně může také pomoci snížit dopad stínování, protože zastíněné panely v jednom řetězci nesníží proudový výstup paralelních nezastíněných řetězců.

Teplota vs účinnost

Jmenovitý výkon solárního panelu, měřený ve wattech (W), se vypočítá za standardních testovacích podmínek (STC) při teplotě článku 25 ° C a úrovni ozáření 1000 W/m2. Při použití v reálném světě však vnitřní teplota článku obecně stoupá výrazně nad 25 ° C v závislosti na teplotě okolního vzduchu, rychlosti větru, denní době a množství slunečního záření (W/m2).

Během slunečného počasí je teplota vnitřního článku obvykle o 20-30°C vyšší než teplota okolního vzduchu, což odpovídá přibližně 8-15% snížení celkového výkonu – v závislosti na typu solárního článku a jeho teplotním koeficientu.

Většina výrobců také specifikuje jmenovitý výkon za podmínek NOCT nebo Nominální provozní teplotu článku, aby poskytl průměrný skutečný odhad výkonu solárního panelu. Výkon NOCT je typicky specifikován při teplotě článku 45 ° C a nižší úrovni slunečního záření 800 W/m2, což se pokouší přiblížit průměrným reálným provozním podmínkám solárního panelu.

Naopak extrémně nízké teploty mohou zvýšit výrobu energie nad jmenovitou hodnotu na typovém štítku, protože napětí FV článku se zvyšuje při nižších teplotách pod STC (25 °C). Během velmi chladného počasí mohou solární panely na krátkou dobu překročit jmenovitý výkon panelu (Pmax). K tomu často dochází, když plné sluneční světlo prorazí po období zataženého počasí.

Teplotní koeficient výkonu

Teploty článků nad nebo pod STC buď sníží nebo zvýší výstupní výkon o určitou hodnotu pro každý stupeň nad nebo pod 25 ° C. Toto je známé jako koeficient teploty výkonu , který se měří v %/ ° C . Monokrystalické panely mají průměrný teplotní koeficient -0,38 % / ° C, zatímco polykrystalické panely jsou o něco vyšší při -0,40 % / ° C. Monokrystalické články IBC typu N mají mnohem lepší (nižší) teplotní koeficient kolem -0,30 %/ ° C, zatímco nejvýkonnější články při vysokých teplotách jsou články HJT (heterojunction), které mají až -0,25 % / ° C.

Teplotní koeficient různých technologií FV článků

Teplotní koeficient výkonu se měří v % na ° C - Nižší je účinnější.

• Polykrystalické články typu P - 0,39 až 0,43 % / ° C

• Monokrystalické články typu P - 0,35 až 0,40 % / ° C

• Monokrystalický TOPcon typu N - 0,29 až 0,32 % / ° C

• Monokrystalické IBC články typu N - 0,26 až 0,30 % / ° C

• Monokrystalické buňky HJT typu N - 0,25 až 0,27 % / ° C

Níže uvedená tabulka ukazuje rozdíl ve ztrátě výkonu mezi panely používajícími různé typy FV článků. Články s heteropřechodem typu N (HJT), TOPcon a IBC vykazují mnohem nižší ztráty výkonu při zvýšených teplotách ve srovnání s tradičními poly a monokrystalickými články typu P.

Poznámky k grafu výkonu vs teplota:

• STC = Standardní testovací podmínky – 25 ° C (77 ° F)

• NOCT = jmenovitá provozní teplota buňky - 45 ° C (113 ° F)

• (^) Vysoká teplota článku = Typická teplota článku během horkého letního počasí - 65 ° C (149 ° F)

• (#) Maximální provozní teplota = Maximální provozní teplota panelu při extrémně vysokých teplotách namontovaných na tmavé střeše - 85 ° C (185 ° F)

Teplota článku je obecně o 20 ° C vyšší než teplota okolního vzduchu, což odpovídá 5-8% snížení výstupního výkonu při NOCT. Teplota článku se však může zvýšit až o 85 ° C, když je namontován na tmavě zbarvenou střechu během velmi horkých 45 ° C, dnů bez větru, což je obecně považováno za maximální provozní teplotu solárního panelu.

Srovnání účinnosti solárních fotovoltaických článků 2024

Nejúčinnější solární panely na trhu obecně používají buď monokrystalické křemíkové články typu N typu back-contact (BC) nebo jiné vysoce účinné varianty typu N, včetně heterojunction (HJT) a TOPcon článků. Většina výrobců tradičně používala levnější mono-PERC články typu P; nicméně mnoho velkoobjemových výrobců, včetně JinkoSolar , JA Solar, Longi Solar, Canadian Solar a Trina Solar , nyní rychle přechází na účinnější články typu N využívající konstrukce článků HJT nebo TOPcon.

Účinnost panelů na základě typu buňky

• Polykrystalické – 15 až 18 %

• Monokrystalické – 16,5 až 19 %

• Polykrystalický PERC - 17 až 19,5 %

• Monokrystalický PERC – 17,5 až 21 %

• Monokrystalický typ N - 19 až 21,5 %

• Monokrystalický TOPcon typu N - 21 až 22,8 %

• Monokrystalický HJT typu N - 21,2 až 23,6 %

• Monokrystalický N-typ BC - 22,0 až 24,4 % **

** Během posledních 2 let se objevilo mnoho nových variací architektur back-contact (BC) buněk; zatímco základní konstrukce zadního kontaktního článku je podobná, existuje mnoho technických rozdílů. To zahrnuje technologii Hybrid Passivated Back Contact (HPBC) společnosti LONGi Solar a technologii článků ABC (All Back Contact) společnosti Aiko Solar. Solární průmysl nyní sdružuje různé varianty technologie zpětného kontaktu pod zkratkou XBC.

Cena versus efektivita

Všichni výrobci vyrábějí řadu panelů s různou účinností v závislosti na použitém typu křemíku a na tom, zda obsahují technologii PERC, více přípojnic nebo jiné technologie článků. Velmi účinné panely nad 21 % s články typu N jsou obecně mnohem dražší, takže pokud je hlavním omezením cena, byly by vhodnější pro místa s omezeným montážním prostorem. V opačném případě si můžete připlatit za stejnou kapacitu výkonu, které by bylo možné dosáhnout použitím 1 nebo 2 přídavných panelů. Vysoce účinné panely využívající články typu N však téměř vždy překonávají a přežijí panely používající články typu P kvůli nižší rychlosti degradace způsobené světlem neboli LID , takže dodatečné náklady se obvykle z dlouhodobého hlediska vyplatí.

Velikost panelu versus účinnost

Účinnost panelu se vypočítává jako jmenovitý výkon dělený celkovou plochou panelu, takže pouhá větší velikost panelu se nemusí vždy rovnat vyšší účinnosti. Větší panely využívající články větší velikosti však zvětšují plochu povrchu článku, což zvyšuje celkovou účinnost.

V minulosti většina běžných obytných panelů používala standardní 6” (156 mm) čtvercové 60článkové panely, zatímco komerční systémy používaly větší formát 72článkových panelů. Jak je však vysvětleno níže, v roce 2020 se objevil nový průmyslový trend směrem k mnohem větším velikostem panelů postavených na větších článcích, což zvýšilo účinnost panelu a zvýšilo výstupní výkon až na působivých 600 W.

Běžné velikosti solárních panelů

• 60článkový panel (120 HC): Přibližná šířka 0,98 mx délka 1,65 m

• 72článkový panel (144 HC): Přibližná šířka 1,0m x délka 2,0m

• Panel 96/104 buněk: Přibližná šířka 1,05 mx délka 1,75 m

• 66článkový panel (132 HC) - Přibližná šířka 1,10 mx délka 1,85 m

• 78článkový panel (156 HC): Přibližná šířka 1,30 mx délka 2,4 m

HC = napůl řezané buňky

Standardní velikost 60článkového (1 m x 1,65 m) panelu s 18-20% účinností má obvykle jmenovitý výkon 300-330 wattů, zatímco panel používající články s vyšší účinností stejné velikosti může produkovat až 370 W. Jak již bylo vysvětleno dříve, nejúčinnější panely standardní velikosti používají vysoce výkonné články typu N IBC nebo Interdigitated Back Contact, které mohou dosáhnout účinnosti panelu až 22,8 % a generovat působivých 390 až 440 Wattů.

Oblíbené polořezané /half-cut/ nebo dělené moduly buněk mají dvojnásobný počet buněk při zhruba stejné velikosti panelu. Panel s 60 buňkami ve formátu půl buňky je zdvojnásoben na 120 buněk a 72 buněk ve formátu půl buňky má 144 buněk. Konfigurace napůl řezaného článku je o něco efektivnější, protože napětí panelu je stejné, ale proud je rozdělen mezi dvě poloviny. Díky nižšímu proudu mají panely s polovičním řezem nižší odporové ztráty, což má za následek zvýšenou účinnost a nižší teplotní koeficient, což také pomáhá zvýšit provozní účinnost.

Nové větší články a vysoce výkonné 600W+ panely

Aby se snížily výrobní náklady, zvýšila se účinnost a zvýšil výkon, výrobci solárních panelů ustoupili od standardní velikosti 156 mm (6”) čtvercových destiček ve prospěch větších velikostí destiček. Nyní je k dispozici řada různých velikostí buněk, přičemž nejoblíbenější jsou 166 mm, 182 mm a 210 mm. Větší články v kombinaci s novými většími formáty panelů umožnily výrobcům vyvinout extrémně výkonné solární panely s výkonem až 700 W. Větší velikosti článků mají větší plochu a v kombinaci s nejnovějšími technologiemi článků, jako je multi-busbar (MBB), TOPcon a obkladová páska, mohou zvýšit účinnost panelu výrazně nad 22 %.

Zdroj: https://www.cleanenergyreviews.info