Выбор солнечных модулей по спутниковым данным для различных климатических условий и регионов

Группа исследователей проанализировала спектры излучения по спутниковым данным. Исследования были направлены на определение того, как различные модульные технологии, такие как кремний, гетеропереход, перовскит и CdTe, справляются с различными географическими и погодными условиями.

Производительность солнечных батарей зависит от различных факторов, включая широту, спектр излучения и температуру. Из-за их производительности в конкретных условиях, некоторые технологии фотоэлементов лучше подходят для определенных регионов или климатических условий, чем другие.

Зависимость эффективности солнечных модулей от места расположения

Например, по мнению авторов новой статьи в iScience, тонкопленочные модули CdTe лучше справляются высоким температурам в засушливых регионах, чем их аналоги на основе кремния. В то же время модули с высоким полосовым разрывом, такие как CdTe и гетеропереходники, при использовании в комбинации с трекером не обеспечивают такого же уровня энерговыделения. 

Подписывайтесь на наш youtube канал!

Это ключевой вывод исследовательской работы Location-specific spectral and thermal effects in tracking and fixed-tiltlt photovoltaics systems, автором которой является компания Ripalda et al. и которая опубликована в журнале iScience. Группа собрала спутниковые данные из Национальной базы данных по солнечной радиации, которая недавно была предоставлена в таком высоком разрешении, что стало возможным применение новых подходов к моделированию.

Команда занималась поиском географических и временных вариаций спектральной освещенности и метеорологических параметров, таких как скорость ветра и температура окружающей среды. Спектральное излучение изменяется в зависимости от положения солнца, водяного пара в атмосфере и угла наклона модуля. 

С помощью этого метеорологического набора данных группа смоделировала эффективность фотоэлектрического излучения и выход энергии в зависимости от местоположения в США. Моделирование проводилось для одноклеточных кремниевых ячеек, различных конфигураций гетероперехода, тонкопленочных CdTe, перовскитов, а также монтажных конструкций трекеров с фиксированным наклоном и одноосных трекеров.

Сначала моделированию подверглись кремниевые модули, монтируемые на наклонных конструкциях с фиксированным углом наклона. Заметным ранним наблюдением было то, что в одних и тех же местах не наблюдается наибольшей энергоэффективности и выхода энергии. Моделированная эффективность модулей была лучше в северо-восточных районах США, в то время как урожайность была лучше в регионе, расположенном вблизи мексиканской границы. Это связано с более высокими температурами в ячейках, где облучение высокое, что приводит к более высоким токам рекомбинации и более низким напряжениям.

Вблизи канадской границы исследователи смоделировали выход энергии в 1400 кВт/ч на установленный кВт, в то время как ближе к мексиканской границе этот показатель был выше 2000 кВт/ч на установленный кВт. 

Кроме того, исследователи нанесли на карту спектральную коррекцию выхода энергии. В данном случае в самых северо-восточных штатах величина поправки составила 1%. В таких южных штатах, как Флорида, Каролина и Луизиана, величина коррекции практически отсутствует. На юго-западе в окрестностях Колорадо, Нью-Мексико, Юты и Аризоны величина коррекции была наиболее выраженной: -1% и более -1,5%. Интересно, что в этом районе эффект проявляется скорее локально, при этом в Калифорнии или Техасе спектральная коррекция значительно меньше, чем у их соседей. 

Команда подчеркивает, что пренебрежение спектральными эффектами приводит к завышению выхода энергии в одних регионах и занижению его в других. Эффекты спектральной вариабельности в единичных переходах обусловлены порогом поглощения полупроводника. Они показывают четкую корреляцию между топографической высотой и потерями эффективности.

Эффективность была также выше на малых высотах из-за инфракрасных потерь, вызванных, главным образом, содержанием воды в атмосфере. "Поскольку эти потери происходят при энергиях ниже полосы пропускания, они имеют эффект явного повышения эффективности, который не обязательно сопровождается увеличением выхода энергии", - объясняют исследователи.

Команда также учла, что теллурид кадмия имеет более высокий разрыв в полосе 1,45 эВ по сравнению с 1,12 эВ для технологий кристаллического кремния. Это, по мнению ученых, сделает технологии CdTe более выгодными в областях с более низким инфракрасным излучением и более высокими температурами. Потери инфракрасного излучения вызваны атмосферной влагой, которая уменьшает плоскость облучения массива. Это влияет на выход энергии, так как изменения происходят при энергиях ниже полосы CdTe. Следовательно, эффективность CdTe и перовскитных разовых соединений возрастает с увеличением количества воды в атмосфере. 

Кроме того, одноосное слежение также увеличивает прямую долю излучения на модуле - и это снижает среднюю энергию фотонов, по мнению авторов. "...превалирующим эффектом является снижение потерь на теплоноситель, так как полоса пропускания кремния (1,12 эВ) меньше оптимальной полосы пропускания для максимального годового производства энергии (1,35 эВ)", - говорится в них. "И наоборот, если используются перовскиты или другие одноразовые соединения с высоким разрывом полосы пропускания, то спектральные эффекты благоприятствуют фиксированной геометрии наклона". Но поскольку плоскость излучения массива для системы слежения выше, чем для системы с фиксированным наклоном, то выход энергии всегда будет выше для трекеров. Но выгода не будет столь существенной для технологий ячеек с высоким полосовым зазором.

Моделированное повышение производительности при объединении кремниевых фотоэлектрических и трекерных систем является самым высоким на юге США с повышением производительности более чем на 22%, в то время как в самых северных регионах достигается повышение производительности чуть менее чем на 12%.

Мульти-переходные ячейки имеют более высокую чувствительность к спектральным колебаниям. В ходе моделирования исследователи обнаружили, что технологии мульти-перехода наиболее предпочтительны в областях, которые в значительной степени пересекаются с регионами, предпочтительными для слежения. "Это усиливает синергию между этими двумя технологиями, учитывая тот факт, что доход, получаемый фотоэлектрической системой, является результатом действия ряда факторов, таких как эффективность солнечных батарей, эффективность инверторов, эффективность соединения элементов, POA-излучение и передача антибликового покрытия и капсулирующих материалов".

Это означает, что в засушливых регионах юго-запада страны мультиразъемные фотоэлементы достигают 22% энергетического превосходства, хотя даже в северных районах было смоделировано повышение производительности на 21%. 

"Мы обнаружили, что спектральные эффекты благоприятствуют трекерам при использовании кремниевых модулей, а при использовании перовскитов или CdTe предпочтение отдается фиксированному наклону", - резюмируют авторы".

Команда продемонстрировала экстремальную спектральную чувствительность гетеропереходов на шестипереходной конфигурации. Преимущество энергетического эффекта перед кремниевыми одноклеточными соединениями варьируется от 50,8% в Скалистых горах, до 38,75% - в Новой Англии. 

В заключение, исследователи обнаружили, что в связи с широким диапазоном атмосферных условий и широт в США, эффективность модуля может варьироваться в зависимости от местоположения до 1,4% (абсолютной эффективности). Примерно половина этой вариабельности обусловлена эффектами спектральной чувствительности, при этом коэффициенты спектральной коррекции варьируются от -2% до 1,1% с точки зрения выхода энергии, или от -0,5% до 0,3% абсолютной эффективности.  опубликовано econet.ru по материалам pv-magazine.com

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet