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

Характеристики солнечных батарей

Эксплуатационные характеристики солнечных панелей

Для изготовления фотоэлектрических элементов солнечных батарей используют кремний с минимальным количеством примесей менее 0,01%. Качество фотоэлементов зависит от количества примесей и цена тоже.

Существует три типа фотоэлемента – это монокристаллические, поликристаллические и тонкопленочные. Последние находятся еще на стадии разработки, поэтому их рассматривать не будем. Остановимся на сравнение характеристик монокристаллических и поликристаллических фотоэлементов.

Сравнение типов фотоэлементов

Фотопанели размещаются на открытом пространстве, поэтому на их работу будут влиять эти параметры фотопанелей;

– Температурный коэффициент мощности. Под палящим солнцем, фотоэлементы нагреваются, и теряется часть мощности солнечных батарей. В очень жаркие дни доля потери мощности составляет 25%. В случае монокристаллических и поликристаллических фотопанелей, температурный коэффициент мощности достигает -0,45%, то есть произойдет снижение мощности на -0,45%, на каждый градус прироста температуры. На температурный коэффициент мощности сильно влияет качество фотопреобразователей;

– Степень деградации LID. Деградация монокристаллов панелей происходит быстрее, чем поликристаллов. Год работы снижает мощность монокристаллических батарей до 3%, а поликристаллических до 2%. Такое уменьшение мощности наблюдается в первый год работы гелиопанелей, в дальнейшем эта деградация для монокристаллов будет 0,71%, для панелей из поликристаллов 0,67%.

Деградация зависит от качества фотоэлементов. Для панелей сомнительного качества деградация может достичь в первый год эксплуатации 20%. Поэтому панели важно выбирать не по низкой стоимости, а по производителю и качеству исполнения;

– Фотоэлектрическая чувствительность. Поликристаллические фотоэлементы не так чувствительны к снижению освещения, по сравнению с монокристаллами, но разница в чувствительности небольшая и не является критерием выбора по этому параметру;

– Эффективность панелей. Для выработки одинаковой мощности для поликристаллических панелей необходимо больше площади, т. е. эффективность поликристаллических гелиопанелей меньше монокристалических. Срок службы монокристаллов выше.

Качество солнечных панелей

По качеству исполнения фотоэлектрические элементы можно разделить на четыре категории качества.

Первая категория – Grad A. Это солнечные батареи самого высокого качества – без микротрещин, отсутствуют сколы. По внешнему состоянию эти фотоэлементы полностью одинаковы по цвету, структуре. Эта категория имеет самую малую деградацию и высокое КПД.

Вторая категория – Grad B. Эти фотопреобразователи практически не отличаются от фотоэлементов первой категории, но имеют небольшие изменения в цвете. Но у них большая деградация и меньший срок эксплуатации.

Третья категории – Grad С. Отличие от предыдущей категории – это наличие сколов и трещин, неоднородный окрас, но низкая стоимость. Для энергоснабжения частного дома такие фотопанели не следует применять из-за низкого КПД, высокой деградации и небольшого срока эксплуатации.

Четвертая категория – Grad D имеет самое низкое качество исполнения. Структура этих панелей неоднородная с видимыми дефектами. Небольшой размер фотоэлементов нуждается в дополнительной пайке, что еще ухудшает параметры. Такие элементы имеют небольшую надежность. Их устанавливать не рекомендуется даже при небольшой стоимости.

Пленка EVA. Предназначена для ламинации панелей с солнечной стороны. Она хорошо герметизирует фотоэлементы, снижает деградацию, защищает от механических повреждений, прозрачна. Срок службы этой пленки также зависит от качества исполнения и меняется от 5 до 15 лет.

Недорогая пленка со временем желтеет, теряет прозрачность, отслаивается и имеет срок эксплуатации 3-5 лет. Визуально качественную пленку отличить невозможно, это можно определить только через несколько лет ее работы.

ПЭТ пленка. Эта пленка изолирует тыльную сторону фотопанелей от влаги, пыли и механических повреждений. Качество пленки также можно определить через несколько лет по внешнему состоянию. Цвет становится желтее, появляются трещины.

Технические характеристики солнечной панели

Посмотреть их можно в инструкции на изделие. К техническим характеристикам гелиопанелей относится;

Пример характеристики солнечной панели

– Мощность солнечных панелей и размеры. Чем больше мощность, тем меньше стоимость на ватт. Для большой мощности выгоднее приобретать большие панели;

– Допустимые пределы отклонения по мощности или толеранс. Отклонение может быть положительным и отрицательным. Покажем на примере, толеранс 0 + 4 ватта;

– КПД солнечной панели. Конечно же, лучше приобретать панели с высоким КПД;

– Температурный коэффициент – это влияние температуры на такие параметры как мощность, напряжение и ток. Температурный коэффициент должен быть минимальным;

– Срок службы солнечных панелей. Отдельные производители дают 20 лет эксплуатации панелям с гарантией 5 лет. Правильная установка солнечных батарей может резко поднять эффективность. После 15 лет работы гелиопанели могут снизить производительность на 10%, а после службы в 30 лет на 20%. Хорошего качества панели могут работать в диапазоне температур -40 +90 °С.

Источник