Характеристики солнечных батарей

Солнечные батареи, которые также называют солнечными панелями или солнечными модулями, строятся из отдельных фотоэлектрических преобразователей (так называемых солнечных элементов), которые соединяются друг с другом в последовательные и параллельные цепи, в совокупности работающие как единый источник тока.

Собственно одна панель может рассматриваться как источник тока. Несколько солнечных панелей образуют автономную солнечную электростанцию, которая может быть малой (если речь идет например о частном доме) или большой (если речь идет о промышленной солнечной электростанции) мощности. Размер солнечной станции зависит от ее назначения и от нужд ее потребителя.

Одна солнечная панель обычно содержит количество элементов кратно 12, а именно: 12, 24, 36, 48, 60 или 72 солнечных элемента. Номинальная мощность одной такой панели обычно лежит в диапазоне от 30 до 350 ватт. Соответственно размер и вес панели тем больше, чем больше ее номинальная мощность.

На сегодняшний день реальный КПД солнечных батарей, доступных широкому потребителю, лежит в пределах от 17 до 23%. Есть отдельные экземпляры, декларирующие КПД до 24%, но это скорее исключения и преувеличения. Лаборатории по всему миру стремятся разработать солнечные элементы, КПД которых хотя бы приблизился к 30% — это было бы очень хорошим результатом для источника энергии данного типа, если смотреть на вещи реально.

Солнечные батареи на базе кремния, как альтернативный источник электрической энергии, проверены временем, они отличаются надежностью и безопасностью, компактностью и относительной доступностью. Срок их нормальной эксплуатации доходит до 30 лет и даже превышает. Хотя, справедливости ради стоит отметить, что кремниевые фотоэлектрические элементы со временем деградируют, это выражается в снижении получаемой при полном освещении мощности примерно на 10% от первоначального номинала за каждые 10 лет активной эксплуатации.

То есть если в 2019 году приобреталась новая солнечная панель на 300 Вт, то к 2039 году она будет способна выработать максимум 240 Вт. По этой причине следует вычислять установленную мощность системы с определенным запасом по току. Что касается тонкопленочных элементов, то они временем не проверены, но специалисты утверждают, что скорость деградации в первые же годы у них многократно выше чем у монокристаллических и поликристаллических кремниевых элементов.

При нормальной эксплуатации ни замена элементов, ни какое бы то ни было иное специальное обслуживание монокристаллическим и поликристаллическим солнечным панелям не требуется. Они просты в установке, не содержат движущихся частей, их поверхность обращенная к солнцу всегда имеет защитное механически прочное покрытие.

Вольт-амперная характеристика солнечных батарей снимается в лабораторных условиях при производстве и приводится в спецификации. Стандартный тест проводится при радиации 1000 Вт/кв.м при температуре окружающего воздуха 25°С, как на широте 45°.

Здесь можно видеть крайние точки ВАХ, в которых снимаемая с батареи мощность обращается в ноль. Напряжение холостого хода — Voc — это максимально доступное напряжение на выходе батареи при разомкнутой цепи нагрузки. Ток при коротко замкнутой цепи нагрузки — Isc – это, соответственно, ток при нулевом выходном напряжении.

Практически батарея всегда работает в неком оптимальном режиме где-то посередине между этими двумя точками. В оптимальной точке MPP — максимальная мощность нагрузки. Номинальное напряжение для точки максимальной мощности обозначается Vp, а номинальный ток для данной точки — Ip. В этой точке определяется и КПД солнечной панели.

В принципе солнечная батарея способна работать в любой точке ВАХ, однако для получения максимальной эффективности полезно использовать точку наивысшей мощности, поэтому солнечные панели никогда не питают нагрузку напрямую. Для достижения лучшей эффективности, между солнечной батареей и аккумуляторами (инвертором) следует подключить контроллер заряда с технологией MPPT, который всегда будет работать в точке максимума доступной мощности при любой текущей интенсивности солнечного освещения.

Источник

Размеры солнечных батарей и другие их параметры: на что необходимо обратить внимание?

В предварительном расчете любой СЭС одной из важнейших характеристик являются размеры солнечных батарей. Исходя из длины, ширины и общего количества этих элементов будет определяться конфигурация их размещения на крыше или участке. Не менее принципиален и ряд других параметров – тип полупроводникового материала ячеек, категория качества, мощность панелей и станции в целом, и т.д. Поэтому перед покупкой следует внимательно изучить все основные показатели.

Площадь солнечной батареи и габариты отдельных ячеек

Гелио модуль представляет собой гибкую или жесткую конструкцию прямоугольной формы, основу которой составляют ряды полупроводниковых ячеек. Каждая из них генерирует напряжение около 0,5-0,6V и может иметь различные типоразмеры. Наиболее распространены следующие варианты габаритов (в миллиметрах):

Например, модуль Sunways ФСМ-270П из 60 ячеек (по 10 в длину и 6 – ширину) размером 156 × 156 мм каждая имеет размеры, с учетом рамы, 1640 × 992 мм. Площадь такой солнечной панели составит чуть больше 1,6 м2.

При монтаже необходимо устанавливать модули таким образом, чтобы не допустить частичного затенения одним рядом батарей соседнего. В связи с этим на одну панель 250 – 400 ватт обычно выделяется 1,5 — 2 квадратного метра пространства.

Устройство солнечной панели

Конструктивно каждый модуль состоит из следующих составляющих:

• жесткая или гибкая подложка;
• несколько рядов уложенных вплотную полупроводниковых ячеек, разделенных токопроводящими дорожками;
• рама по периметру, удерживающая ячейки вместе (в некоторых современных моделях отсутствует);
• полностью герметичное, защитное поверхностное стеклянное или полимерное покрытие с антибликовыми свойствами;
• выходные кабели для подключения к соседним модулям и электрической сети.

От размера и КПД солнечных батарей зависит их совокупная мощность. В настоящий момент выпускаются панели от десятых долей до 500 ватт. Наиболее легкие и компактные варианты используются в небольших автономных устройствах – часах, фонариках, туристических «кейсах» и т.д. Полноразмерные крупные модули служат основой частных и промышленных солнечных электростанций производительностью от нескольких сотен до миллионов киловатт-часов.

Виды солнечных батарей и их особенности

На эффективность фотоэлектрических ячеек огромное влияние оказывает тип полупроводника, отвечающего за преобразование излучения в электрический ток. Сегодня на рынке преобладают панели, созданные на базе:

• монокристаллического кремния Mono-Si;
• поликристаллического кремния Poli-Si.

Значительно реже в устройстве солнечных панелей применяются малопроизводительный аморфный кремний, редкоземельные элементы (например, теллурида кадмия Cd-Te) и дорогостоящие «аэрокосмические» германиево-галлиевые батареи типа CIGS. На стадии прототипов активно исследуется фотовольтаика следующего поколения, с использованием органики и минеральных перовскитов.

1. Монокристаллические.

Изготавливаются из выращенных методом Чохральского кремниевых кристаллов высокой степени очистки. Выдают максимальный КПД 22-24% при идеальных условиях освещения – ярком солнце, ориентации на юг и оптимальных углах наклона. Рекомендуются к установке в наиболее солнечных регионах на крышах домов и земляных участках, позволяющих провести размещение, близкое к оптимальному. Эффективный срок службы 25-30 лет.

2. Поликристаллические.

Отличаются от монокристаллов другим методом кристаллизации. Технология выращивания делает рабочую поверхность не гладкой, а «игольчатой». Это несколько снижает продуктивность поглощения при прямом солнце, но повышает (по данным многих исследований) производительность в не самых благоприятных условиях. При работе в средней полосе, при неидеальном положении относительно солнца среднегодовая генерация солнечных панелей данного вида с КПД 18-20% лишь немного уступает Mono-Si. Срок службы составляет 20-25 лет, но цена таких батарей на 8-10% ниже.

3. Тонкопленочные.

Такие виды солнечных панелей последних поколений тоньше и легче классических моделей, за счет гибкости могут устанавливаться на криволинейные поверхности. Они наименее чувствительны к ухудшению условий освещения и обладают самым низким температурным коэффициентом. Максимально удобны в миниатюрных мобильных солнечных станциях, активно используются автотуристами и любителями многодневных походов пешком или на лодках.

Категории качества фотоэлектрических панелей

Помимо размера, номинальной мощности и КПД солнечных батарей, критически важной характеристикой является качество их исполнения. На гелио рынке по данному показателю модули делятся на четыре категории.

Первая – Grad A.

Характеризуется наивысшим качеством. Производится компаниями из всемирно известного ТОП рейтинга TIER-1 от Bloomberg. Отличительные черты:

• минимальная степень деградации ячеек со временем;
• идеальная внутренняя кристаллическая структура;
• однородная поверхность без цветовых перепадов и дифракционной картины;
• полное отсутствие сколов, микротрещин и скрытых дефектов.

Вторая – Grad B

Первой категории солнечных батарей по характеристикам уступает незначительно. Отличается:

• наличием небольших перепадов насыщенности цветового оттенка;
• несколько большей скоростью деградации.

Производители – менее престижные, но хорошо зарекомендовавшие себя на рынке компании, преимущественно из юго-восточной Европы, Турции и Китая.

Третья – Grad С

Категория представлена панелями «no name» фирм из Поднебесной или европейской б/у продукцией. Характерные признаки:

• визуально различимые небольшие поверхностные дефекты;
• цветовая неоднородность поверхности;
• невысокий срок эксплуатации.

Несмотря на существенно сниженную стоимость, для полноценных новых СЭС использовать такую продукцию не рекомендуется.

Четвертая – Grad D

Включает все виды солнечных батарей с низким КПД и непредсказуемым сроком службы. Отличительные черты:

• большое количество явных дефектов;
• некачественная пайка;
• сильные перепады цвета.

Ввиду невозможности оценить эффективность и длительность использования, покупка нежелательна даже для второстепенных целей. Приобретаются обычно на запчасти.

Солнечные батареи – прочие важные характеристики

Среди прочих наиболее принципиальных параметров фотоэлектрических панелей выделяют следующие показатели.

Представляет собой допустимое положительное и отрицательное отклонение от номинальной мощности. Например, обозначение 300  3 Вт означает толеранс, соответствующий 1%.

2. Температурный коэффициент.

Одной из особенностей полупроводниковых ячеек является снижение эффективности при сильном перегреве панелей. Для элементов на базе кремния падение составляет около 0,4-0,5% на каждый градус выше 25°C. Под прямыми лучами летнего солнца рабочая поверхность способна нагреваться до 65-75°C, что соответствует снижению КПД на 20-25%. Редкоземельные солнечные батареи малочувствительны к высоким температурам, их температурный коэффициент в несколько раз ниже.

Диапазон рабочих температур всех типов высококачественных модулей примерно одинаков и колеблется в пределах от – 45°C до +90°C.

С течением времени фотоэлектрические ячейки постепенно теряют свою эффективность. На графике процесс деградации выглядит как гиперболическая кривая. У качественных панелей категории Grad A падение производительности составляет 2-3% в первый год, до 10% за 10 лет и до 20% спустя 25-30 лет. Солнечные батареи не столь высокого качества деградируют быстрее.

4. Фотоэлектрическая чувствительность к интенсивности освещения.

Худшими показателями в этой категории обладают монокристаллические ячейки, у которых снижение эффективности при падении яркости освещения максимально. Поликристаллические элементы на 3-4% менее чувствительны.

5. Удельная эффективность.

Измеряется как отношение номинальной мощности к единице площади. У монокристаллов она максимальна, поскольку эти солнечные панели характеризуются наивысшим КПД и сроком эксплуатации. Для достижения тех же показателей СЭС на базе Poli-Si потребуется большая площадь и размеры отдельных модулей.

6. Защитное покрытие.

В дешевых моделях лицевая рабочая сторона закрывается обычным стеклом. Дорогостоящие модули премиального класса комплектуются сверхпрочной каленой разновидностью. Сами ячейки покрываются специальной пленкой EVA, а тыльная часть батареи – полиэтиленом высокой плотности ПЭТ.

Источник

О характеристиках солнечных батарей

Солнечные панели — эффективный источник энергии, который уже длительное время используется во многих странах мира в качестве альтернативной возможности получать тепло и свет экологически чистым способом. Особенно привлекательны они для людей, которые ценят чистоту окружающей среды и являются активными сторонниками ее сохранения. Человеку, который серьезно задумался о такой необычной покупке, будет полезно узнать, какими бывают солнечные батареи — характеристики тех или иных разновидностей могут отличаться: мощность аккумулятора, уровень комплектации, качество материала, из которого изготовлены панели, их размеры и, наконец, цена.

Немного о сфере применения

Солнечные батареи уже длительное время широко применяются в разных сферах человеческой деятельности, начиная с их установки на крупных промышленных объектах и заканчивая бытовым использованием на крышах жилых домов и автомобилей. Подробнее о промышленных солнечных батареях →

Их активно используют:

• в селах и деревнях, где часто отключается электричество;
• в условиях слабой электрификации местности;
• как резервные источники энергии;
• при реализации экспериментальных проектов (например, использование энергии Солнца с целью получения горячей воды).

Разновидности солнечных панелей

Существуют следующие разновидности модулей:

1. Монокристаллические. Их структура представлена силиконовыми ячейками, которые преобразуют энергию Солнца в электрическую. Несомненные плюсы — компактность и эффективность в плане производительности, среднее число которой составляет 22-25%. Монокристаллические модули и по сей день являются уверенными лидерами по показателям мощности, КПД и долговечности. Это отражается и на стоимости: цена их очень высока.
2. Поликристаллические. Производятся из кремния, имеющего поликристаллическую структуру. Стоят намного дешевле первого варианта. Но их технические характеристики, в том числе и производительность, уже ниже — 18-23%. Бла годаря этому солнечные панели перестали быть чем-то недоступным для обычных людей. Человек со средним уровнем достатка вполне может воспользоваться именно этим предложением.
3. Аморфные. Их конструкция предусматривает наличие фотоэлементов, изготовленных из тонкой пленки. В отличие от поли- и монокристаллических модулей, они не могут выработать большого количества энергии. Но и стоимость у них гораздо меньше. При этом аморфные панели обладают очень ценным преимуществом: они могут полноценно работать в условиях не только рассеянного, но и совсем слабого освещения. Тонкопленочные панели являются экспериментальной разработкой. Поэтому в широкой продаже их встретить пока нереально.

Влияние факторов внешней среды на уровень производительности

Как уже упоминалось, вещество, из которого производятся все типы батарей — это кремний. Чем меньше в нем находится сторонних примесей, тем качественнее получается модуль. И тем выше становится его цена при поступлении в розничную продажу.

Поскольку все фотоэлементы должны быть размещены не внутри, а снаружи помещений, существует множество факторов, которые будут оказывать влияние на их производительность. Прежде всего, речь идет о температурном коэффициенте мощности.

Батарея находится под воздействием прямых солнечных лучей и очень сильно нагревается. Следовательно, некоторое количество мощности будет потеряно в результате нагрева. Поскольку именно мощность представляет из себя физическую величину, от которой напрямую зависит объем энергии, производимой солнечным аккумулятором, процент ее потери мгновенно оказывает влияние на его работу. Так, если на улице долго стоит сухая и очень жаркая погода, процент потери мощности может составлять до 25 — как у моно-, так и у поликристаллов.

Установлено, что монокристаллы подвергаются деградации гораздо быстрее, нежели поликристаллы. В течение первого года непрерывной работы уровень мощности снижается до двух процентов у поликристаллических и до трех — у монокристаллических солнечных батарей. В дальнейшем, если качество фотоэлементов высокое, процент деградации значительно уменьшится (от 0,67 до 0,71% в год).

При выборе батареи не стоит «вестись» на чрезмерно низкую цену. Чаще всего она означает и соответствующий уровень качества. Ну и, конечно, если учитывать структуру поликристаллов, они физически будут занимать больше места, чем монокристаллические панели. При этом уровень мощности у последних будет таким же, а площадь — гораздо меньше.

Качественные характеристики

Размер солнечной панели обычно составляет 1-2 м², показатель мощности при этом — 220-250 Вт.

На основании качественных характеристик все фотоэлементы делятся на несколько категорий:

1. Grade A. В них применяется самый чистый кремний, качество — самое высокое. Микротрещины и сколы полностью отсутствуют. Модули аккуратные, имеют одинаковую цветовую гамму. Отличаются минимальным процентом деградации и максимальным КПД. После проведения PID теста (теста на старение) происходит снижение мощности не более чем на 5%.
2. Grade B. Эти фотоэлементы имеют дефекты во внешней или внутренней структуре. После PID теста мощность снижается не более чем на 30%.
3. Grade C. Присутствуют трещины и сколы, неравномерность цвета, низкая цена. Не рекомендуется применение в жилых домах по причине низкой производительности и малого срока годности. Фиксируется снижение мощности более чем на 30%.
4. Grade D. самое плохое качество, сильные дефекты, маленькие размеры, слабая степень надежности. Их использование очень нежелательно, невзирая на минимальный ценник.

Для максимальной эффективности к приобретению можно рекомендовать панели уровня А и B. В крайнем случае — С, если есть нужда в альтернативном источнике энергии для небольшого производственного помещения, который будет использоваться не регулярно, а время от времени.

Описание комплектации и функция каждого устройства

В стандартную комплектацию солнечной электростанции входят:

• собственно модули или панели (как правило, их несколько);
• обычная аккумуляторная батарея;
• инвертор;
• контроллер;
• клеммы;
• кабель;
• стеллаж для установки.

Солнечные модули накапливают энергию, а затем преобразовывают ее в электрическую. Одна из функций контроллера — корректное распределение постоянного тока по находящимся в доме приборам, потребляющим электричество. Также он контролирует уровень температуры, режим зарядки и напряжения.

Инвертор — это преобразователь, который необходим для того, чтобы постоянный ток становился переменным, обеспечивая стабильное функционирование электропитания. Обычная аккумуляторная батарея (АКБ) нужна для накопления энергии, которая будет использована. Например, ночью или в пасмурные дни, когда солнце редко выходит из-за облаков или туч.

Сроки службы

Желающих приобрести этот экологически чистый альтернативный источник энергии прежде всего интересует вопрос о том, сколько лет он будет исправно работать и не возникнет ли с ним серьезных проблем в ближайшее время.

Производителями указывается, что сроки службы у таких АКБ — от 20 до 30 лет. Однако многие из них могут исправно работать и далее. Известно, что до сих пор сохранилась солнечная батарея, которая была изготовлена одной из первых в мире. Она прекрасно работает и сейчас, хотя уже давно появились панели, технические характеристики которых значительно обогнали первые разработки.

При постоянном использовании любого агрегата снижается как его мощность, так и количество энергии, которое он вырабатывает в течение определенного времени. Однако показатель этот не является фатальным: он составляет около 1% в год. Следовательно, за 10 лет постоянной эксплуатации произойдет снижение мощности на 10%.

Продлить срок службы любой панели можно, приобретя дополнительно специальную защитную пленку и заламинировав с ее помощью модули со стороны солнца. Пленка обеспечивает надежную герметизацию и защиту от механического воздействия и может прослужить от 5 до 15 лет. Для защиты батареи с внутренней стороны (от пыли, воды и т.д.) также имеются разные виды пленочных покрытий.

Принцип работы

Любая солнечная батарея — это не огромная монолитная конструкция. Она состоит из нескольких блоков или модулей. Их может быть сколько угодно — в зависимости от особенностей помещения и от того, какой объем электроэнергии в нем потребляется изначально. Исходя из средних расчетов потребления и делается вывод о том, сколько модулей может понадобиться и будет ли выработанное ими количество преобразованной солнечной энергии соответствовать потребностям обитателей жилого дома или работников производства.

Принцип работы любого солнечного модуля основан на преобразовании солнечного света в определенный потенциал электрической энергии с генерацией тока постоянной величины. Если возникает необходимость в увеличении такого показателя системы как мощность, устанавливается большее число элементов. Размеры солнечных панелей, связанных между собой, могут составлять от одного метра до нескольких.

Продуктивность работы таких аккумуляторов зависит от нескольких факторов, связанных с природными условиями и внешней средой в целом:

• сила солнечного света;
• правильное расположение;
• климатическая зона;
• время года и суток.

В целях грамотного учета эксплуатационных свойств солнечных батарей и особенностей внешней среды не следует пытаться осуществлять их монтаж самостоятельно. Лучше довериться в этом профессиональным установщикам.

Примерные цены

Цена на разные виды солнечных панелей может разниться от 30 000 до 2 000 000 рублей. Все зависит от количества модулей, качества их исполнения, фирмы-производителя и количества комплектующих частей. Есть самые «бюджетные» варианты, которые могут стоить от 10 500 рублей. Целесообразность их приобретения стоит рассматривать в индивидуальном порядке.

Солнечные батареи — альтернативный источник энергии, который можно использовать в качестве эффективного резерва. Главное — учитывать климатические условия региона проживания. Ведь производительность работы такой системы, большей частью, зависит от количество солнечных дней в году.

Источник