Duże znaczy piękne? Czy moduły PV o coraz większych mocach są niezbędne dla współczesnych instalacji PV?

Duże moduły PV to nowy standard? O co chodzi?

Przez ostatnie kilka lat obserwowaliśmy wzrost mocy i sprawności modułów PV. Doszliśmy do sprawności na pojedynczym module PV przekraczającej 20%. Czy to koniec? Na pewno nie! Jednym z wyróżniających trendów obserwowanych ostatnio kilku latach na rynku PV jest duży wzrost mocy pojedynczych modułów PV [2][6][9][10].

Rys. Rozwój technologii modułów PV w latach 2019-2021 [1][5][10]

W przeszłości często wybieraną drogą w kierunku wyższej mocy wyjściowej modułów PV była przede wszystkim poprawa wydajności ogniw. Stosowano i stosuje się cały czas innowacyjne technologie oparte o moduły połówkowe (typu half-cell), systemy o zagęszczonych busbarach (MBB), czy też o układy zakładkowe (shingling). Rozwiązania te zostaną opisane na niniejszym blogu w oddzielnym artykule. Od roku 2016, a szczególnie od 2019 producenci zaczęli intensywnie wdrażać moduły o coraz większych ogniwach PV.

Do niedawna najbardziej popularnymi mocami modułów fotowoltaicznych dostępnymi na rynku były te z zakresu 330-370W. Ich całkowity wymiar oscylował wówczas w granicy ~170 cm wysokości oraz około 1 m szerokości.

Obecnie w roku 2021 coraz popularniejsze są moduły fotowoltaiczne o dużych mocach dochodzących do 500W i niekiedy je przekraczających, bazując na produktach o rozmiarach znacznie większych od dotychczas znanych. Przykładowy moduł o mocy nominalnej 500W osiąga wymiary 1102x2220 mm, czyli ponad 2,5 m2, co w odniesieniu do standardu jakim jest granica powierzchni około 1,7m2 stanowi duży przeskok. Idąc wyżej i wczytując się w kartę typowego modułu PV o mocy nominalnej 550W, odczytujemy wymiar 1134x2279 mm, czyli prawie 2,6 m2. Moduł PV o mocy nominalnej 600W i wymiarach 1303x2172 mm charakteryzuje się już powierzchnią ponad 2,80 m2 [1][2].

Po tej analizie wniosek jest oczywisty, w dużej mierze wraz ze zwiększeniem mocy nominalnej modułu fotowoltaicznego wiąże się zwiększenie jego powierzchni. Dzieję się to poprzez zwiększenie liczby pojedynczych ogniw krzemowych wchodzących w skład całego modułu PV lub poprzez zwiększenie wymiaru samych ogniw krzemowych.

Czasy, w których wymiary modułów były obecne na rynku przez dłuższy czas i były ustawione jako standardowe, już minęły. Na rynku stale pojawiają się nowe rozmiary wafli, przez co określenie „standardowe ogniwo” nie może być już jednolicie definiowane. Rekordowy w tym zakresie był np. rok 2019 w którym pojawiły się trzy nowe rozmiary wafli [4].

Rys. Standardy wielkości ogniw PV [7][8]

Pierwszym standardowym rozmiarem ogniwa branży PV był wymiar 156 mm, który przez blisko dekadę był w branży PV utrzymywany. W przypadku tego rozmiaru ogniwa wprowadzono nawet określenie: rozmiar „M0” wafla krzemowego. Ostatecznie został on sukcesywnie zastąpiony przez wprowadzenie wariantu M2 o rozmiarze 156,75 mm. W odniesieniu do tych wymiarów średni rozmiar modułu wynosił 1640 lub 1650 x 992 mm (długość x szerokość) dla 60-ogniwowego modułu z ogniwami stałymi [4].

Co było dalej? Dominujący standard przestał istnieć ponieważ zmiany wprowadzano dalej w branży modułów PV w zasadzie co roku.

Jeszcze w 2018 roku wafle 156,75 mm stanowiły około 80% rynku. W 2020 r. standard rozmiarowy doszedł do wartości wafla 158,75 mm. Później na rynku modułów pojawił się nowy rozmiar - wafle M6 o rozmiarze 166 mm. W 2021 roku okazuje się, że ten rozmiar ogniw charakteryzował najczęściej instalowane moduły na rynku światowym. Był to 120-ogniwowy moduł PV o mocy od 350 do 380 watów. Rynek wdrażał jednak dalsze zmiany. producenci pokazali, że można iść jeszcze dalej. Na rynku pojawiły się bowiem ogniwa PV o rozmiarach 182 mm (M10) i 210 mm (M12) [3][5][7].

Rys. Rozwój technologii ogniw PV z uwzględnieniem ich wymiarów o ostatnich [3][4][5][6]

Dlaczego tak się działo? Producenci tłumaczą że, większe rozmiary ogniw PV zwiększają moc ogniw, co sprawia, że ​​produkty są bardziej konkurencyjne na rynku. Trzeba sobie zdawać że te działania nie były tanie. Każdorazowa zmiana na inny rozmiar ogniwa PV wymaga żmudnego procesu odpowiedniej optymalizacji całych linii produkcyjnych. Jednak większy wafel nie tylko zapewnia wyższą moc, ale może być bardzo korzystny w przypadku zaawansowanych technik łączenia ogniw, takich jak stosowanie wielu szyn zbiorczych. Dla przykładu ogniwa o rozmiarze M2, przystosowane do modułów z wieloma szynami zbiorczymi, mają zwiększoną moc znamionową o 5,42 W w porównaniu do 5,35 W przy układzie z 5 szynami zbiorczymi. Niby różnica „tylko” 0,07 W. Jednak to samo podejście skutkuje wzrostem mocy 0,14 W na ogniwach o rozmiarze M6.

Reasumując ogniwo PV jest elementem generującym energię w module fotowoltaicznym i stanowi około 40% całkowitych kosztów modułu. Wraz ze wzrostem powierzchni ogniwa wzrasta również moc wyjściowa każdego jego kawałka powierzchni. Jednak koszt po stronie produkcji może pozostać taki sam lub wzrosnąć tylko o niewielką kwotę. To kusi producentów! Większe, mocniejsze ogniwo PV zapewnia również miejsce na redukcję kosztów po stronie modułu PV. Dzięki wykorzystaniu większego ogniwa PV i większym dzięki temu mocom nominalnym modułów PV można obniżyć koszty samego modułu PV jak i bilansu systemu na zainstalowaną moc szczytową na budowanej farmie PV. Chodzi o koszt transportu modułów PV (w aspekcie gigantycznego wzrostu cen frachtu morskiego ma to coraz większe znaczenie), koszty systemów montażowych, konstrukcji nośnych wraz ze wszystkimi częściami elektrycznymi, takimi jak: falowniki, skrzynki połączeniowe i kable (po stronie tzw. Balance of System (BoS). Rezultatem jest niższy uśredniony koszt energii elektrycznej (LCOE - Levelized Cost of Electricity) i wyższy zwrot z inwestycji w projekty PV [10].

Rys. Duże moduły PV wg analiz producentów pozwolą zaoszczędzić na kosztach transportu o 12% dzięki lepszemu wykorzystaniu powierzchni kontenerów transportowych [12]

Rys. Idea określania uśrednionego kosztu energii elektrycznej (LCOE) uzasadnia trend stosowania coraz większych ogniw PV i uzyskiwanych dzięki temu większym mocom nominalnym modułów PV [5][11]

Duży moduł PV oznacza pewne konsekwencje

Znając już przyczynę rozwoju dostępności tak dużych mocy modułów fotowoltaicznych, warto dowiedzieć się, czy zwiększenie tego parametru przekłada się w jakiś sposób na pracę i wytrzymałość paneli.

Rozmiar nowej generacji modułów wielkoformatowych będą stanowić fizyczne wyzwanie na wszystkich etapach logistycznego łańcucha dostaw. Wielkość i waga modułów większych niż 2 m² nie pozwalają na obsługę montażową przez jedną osobę. A jeśli chodzi o transport, wysokość drzwi standardowego 40-stopowego kontenera transportowego ogranicza rozmiary modułów do szerokości nie większej niż 2343 mm i długości 2280 mm. Jest to wyzwanie dla producentów, którzy chcą maksymalnie wykorzystać dostępną pojemność kontenerów transportowych [12].

Duża moc oznacza więc dużą powierzchnię modułu, która z kolei musi być odporna na zmieniające się warunki atmosferyczne, w szczególności na nacisk pokrywy śnieżnej oraz silne podmuchy wiatru. Warto wiedzieć, że moduły fotowoltaiczne bardziej kompaktowe (standardowe jeszcze kilka lat temu) podczas montażu wymagają czterech punktów podparcia. W przypadku modułów fotowoltaicznych o mocy 500W+ może zaistnieć konieczność zastosowania dodatkowej szyny montażowej, czyli dołożenie kolejnych dwóch punktów podparcia, aby zapewnić wytrzymałość mechaniczną na żądanym poziomie. Za tego typu rozwiązaniem może dodatkowo przemawiać fakt, że moduły PV o dużych wymiarach niekiedy nie są wzmacniane z tyłu dodatkową belką poprzeczną. Producenci zakładają że będzie trzeba ją zastosować na etapie montażu.

Rys. Porównanie relacji mocy modułów oraz ich wymiarów [9]

Warto również wspomnieć o tym, że moduły fotowoltaiczne o większej mocy charakteryzują się również innymi (w porównaniu do modułów kompaktowych) wartościami napięć i natężeń prądu. Ma to bezpośredni wpływ na możliwość łączenia konkretnej liczby modułów w jeden łańcuch, ponieważ połączenie ze sobą zbyt wielu modułów PV o wysokich napięciach/prądach w jeden łańcuch, może być przyczyną poważnej awarii (współpraca z inwerterem).

Przed przystąpieniem do prac montażowych należy dokładnie zapoznać się z kartą katalogową modułu fotowoltaicznego, jak i inwertera. Aby poradzić sobie z tym problemem producenci dużych modułów fotowoltaicznych podczas projektowania wewnętrznych obwodów elektrycznych urządzeń, stosują rozwiązania polegające na zwiększeniu napięcia jałowego i obniżenia wartości prądu zwarcia (to rozwiązanie pozwala połączyć mniej modułów w jeden szereg, ale jest bardziej bezpieczne) lub odwrotnie na obniżeniu napięcia jałowego i zwiększeniu wartości prądu zwarcia (to rozwiązanie pozwala połączyć więcej modułów w jeden szereg). Jednak przy rozwiązaniu drugim, może pojawić się problem z dobraniem odpowiednich mikroinwerterów w związku ze zbyt wysokim prądem.

Dla kogo moduły dużych mocy?

Moduły fotowoltaiczne o mocy 500W+ sprawdzą się, gdy dysponujemy dużą powierzchnią połaci dachowej i jesteśmy w stanie zapewnić wystarczającą liczbę punktów podparcia. Bardzo chętnie stosują je również firmy zajmujące się budową farm fotowoltaicznych o mocach przekraczających kilka MW - zastosowanie modułów o dużych rozmiarach jest tu w pełni uzasadnione i pożądane. Oszczędzamy po prostu koszta wynikające z prac i elementów montażowych oraz elementów elektrycznych. Powiększenie rozmiarów modułów PV w dużej instalacji oznacza, że ​​można zmniejszyć liczbę potrzebnych modułów PV na megawat oraz liczbę ciągów elektrycznych na megawat. Warto dodać, że zależność ta następuje, gdy wydajność dużych ogniw również rośnie [9][10][11][12][13].

Dla domowych rozwiązań, gdzie nierzadko mamy do czynienia ze skomplikowaną połacią dachową, na której znajdują się kominy, wykusze, stopnie dekarskie, częściej proponuje się montaż bardziej kompaktowych modułów fotowoltaicznych o mocy do 400W. Ich montaż jest prostszy, często można taki moduł zainstalować w miejscu, gdzie duży odpowiednik by się nie zmieścił.

Poniżej przedstawiono przewidywany rozwój rynku na najbliższe lata, biorąc pod uwagę wielkość stosowanych ogniw PV.

Rys. Przewidywany rozwój rynku biorąc pod uwagę wielkość stosowanych ogniw PV

Podsumowanie

Przedstawiony w artykule rozwój wielkości formatów ogniw PV wynika z chęci zwiększenia mocy nominalnych oferowanych modułów PV na rynku oraz obniżenia kosztów inwestycji. Producenci odeszli od wieloletniego standardu rozmiaru wafla 156 mm (6”) na rzecz większych rozmiarów ogniw PV aby obniżyć koszty produkcji i zwiększyć wydajność modułów PV. Chociaż opracowywane są różne rozmiary ogniw, kilka rozmiarów ogniw pojawiło się jako docelowy, nowy standard branżowy. Należą do nich rozmiary 166 mm, 182 mm i 210 mm. Wielu wiodących producentów, w tym Jinko, Longi i Canadian Solar, dostosowało się do formatu 182 mm. Trina Solar promuje większy rozmiar wafla 210 mm, podczas gdy Longi, największy na świecie producent wafla monokrzemowego, stosuje zarówno rozmiary 166 mm, jak i 182 mm, w zależności od aplikacji. Dzięki większym mocom modułów PV uzyskuje się zmniejszanie kosztów pracochłonności podczas montażu (mniejsza ilość modułów, punktów przyłączeniowych) i koszty materiałów pomocniczych podczas procesu instalacji (okablowanie, złączki itp.) [6][7][8][9].

Szereg specjalistów wskazuje, że rozmiar ogniwa ​​182 mm to najlepszy wybór dla najbardziej stabilnych i masowo produkowanych modułów o ultrawysokiej mocy. Poniżej analizy firmy Jinko Solar [14].

Rys. Analizy firmy Jinko Solar wskazują, że zastosowanie modułów z ogniwami 182 mm mogą zmniejszyć straty na okablowaniu o 0,21%, zwiększyć produktywność o 17529kWh, zwiększyć stopę zwrotu IRR o 0,15% oraz zmniejszyć koszta LCOE o 0,21% podczas 20-letniej eksploatacji elektrowni o mocy 120MW

Widzimy więc, że po długim okresie standaryzacji na format ogniwa M2 wynoszący 156,75 mm producenci nie mogą dojść do porozumienia w sprawie nowego standardowego rozmiaru ogniwa na rynku. Każdy proponuje nieco inny format, co oczywiście oznacza, że ​​gotowe moduły fotowoltaiczne, w które montowane są różne ogniwa różnią się również rozmiarem. Branża odrzuciła przez to wszystkie korzyści wynikające z posiadania standardowych rozmiarów modułów PV. Prawdopodobnie z ciągu następnych lat zostanie to uporządkowane.

Źródła

1. https://gramwzielone.pl/energia-sloneczna/106376/panele-fotowoltaiczne-o-coraz-wiekszej-mocy-nie-przekonuja-wszystkich-instalatorow?fbclid=IwAR3ZXxLCZ-bh76XfqJ-4RhHmnY8TTyxApcc3BoI1J57W_RVKVn0iu8KlOaA

2. https://muratordom.pl/instalacje/fotowoltaika/panele-fotowoltaiczne-500w-czy-warto-zainwestowac-w-moduly-o-takiej-mocy-aa-1D2V-VuN9-Yv87.html

3. https://www.cleanenergyreviews.info/blog/most-efficient-solar-panels

4. https://blog.ibc-solar.com/2019/12/from-m0-to-m12-different-wafer-sizes-in-the-market/

5. http://taiyangnews.info/technology/big-benefit-for-modules/

6. https://solaredition.com/2020-solar-pv-trends-round-ribbon-multi-bus-bars-larger-wafers-half-third-cut-cells/

7. https://blog.krannich-solar.com/en/solarblog/post/trends-in-pv-cells-and-modules-module-sizes-and-wafer-sizes-in-transition.html

8. https://www.novergysolar.com/significance-increasing-size-mono-crystalline-wafers-modules/

9. https://www.cleanenergyreviews.info/blog/most-powerful-solar-panels

10. https://www.pv-magazine.com/2020/01/25/the-weekend-read-the-rise-of-m6/

11. http://taiyangnews.info/TaiyangNews_webinar_larger_wafer_cells_and_modules_18_Nov_2019_final.pdf

12. https://www.pv-magazine.com/2021/05/15/the-weekend-read-large-format-pv-modules-is-bigger-really-better/

13. https://www.utilitydive.com/spons/how-to-go-big-with-large-modules-and-trackers/592793/

14. https://www.eco-greenenergy.com/what-is-your-choice-182mm-vs-210mm-pv-module/