Как повысить эффективность солнечных панелей

Как увеличить мощность солнечной панели: разумные пределы технического совершенства

Дата публикации: 5 января 2020

Солнечная электростанция представляет собой набор из нескольких панелей, последовательно соединенных между собой. Чем больше площадь их поверхности, тем выше мощность и КПД устройства, рассчитанного на выработку достаточного количества электрической энергии. Ее может хватить для электроснабжения дома или небольшой мастерской, а более мощных устройств – для продажи избытков электричества по специальному сниженному тарифу. Однако у владельца порой возникает идея увеличения мощности солнечных батарей. Это может быть связано с естественным износом панелей, подключением новых потребителей, увеличением объемов расхода электричества и прочими причинами. Независимо от факторов, побудивших принять такое решение, необходима тщательная теоретическая подготовка и только потом – попытка вмешательства в рабочую конструкцию.

Решение №1: подключение в систему новых панелей

Самым простым вариантом повышения мощности солнечного коллектора кажется подсоединение к системе новых блоков фотоэлементов. Владелец рассчитывает таким образом увеличить число «пойманных» лучей, что даст прирост КПД и мощности. Однако подобрать идентичные батареи будет непросто. А смешение в одном блоке разных устройств категорически не рекомендуется по целому ряду причин:

• Естественный износ приводит к постепенному уменьшению мощности. Назвать точный процент изменения невозможно, а теоретические расчеты часто оказываются приблизительными. Подключить в изношенную систему новые панели будет ошибочным решением: разность мощностей не даст ожидаемого эффекта роста. А избыточная нагрузка на устройство может привести к поломке системы, и вам придется снова покупать полный комплект оборудования и фотопанелей.
• Аналогичная ситуация состоит с попыткой увеличить напряжение вырабатываемого электрического тока. Оно определяется за счет последовательного подключения солнечных панелей. Стремление добавить в цепь новые батареи даст негативный результат. Старые и новые устройства будут производить ток разной величины, но общая характеристика будет равна наименьшему из полученных значений. Таким образом, расходы на покупку новых панелей не оправдают себя, и система будет иметь прежний невысокий уровень мощности и напряжения тока.
• Подключение в «старую» сеть новых панелей вызовет еще один негативный эффект. Разница напряжений даст смещение точки мощности солнечной батареи в сторону большего или меньшего показателя. При этом либо новые панели будут работать на пониженных показателях, либо старые устройства будут быстро изнашиваться из-за перегрузки. И расходы на покупку дополнительных батарей будут напрасными.
• Наличие в сети контроллера осложняет задачу подключения новых панелей. В этом случае устройство не сможет определить точку максимальной мощности, и его работа будет существенно затруднена. А неисправность контроллера немедленно скажется на параметрах всей системы.

Ситуация кажется безвыходной. Однако решение для нее предлагает использование аккумуляторной батареи в качестве точки соединения. Надо соединить старые и новые панели на стороне аккумулятора через новый контроллер. Так зарядка аккумулятора будет осуществляться одновременно через старый и новый контроллеры.

Такое раздельное подключение имеет свои достоинства. Старые панели не смогут оказать негативного влияния на параметры новых устройств. А новые батареи будут работать с максимальной мощностью и КПД, повышая рабочие характеристики всей системы. Такое решение позволяет комбинировать сразу несколько батарей с разными параметрами при условии, что контроллер рассчитан на одинаковое напряжение на аккумуляторе. Показатели полученного электрического тока будут равны сумме параметров всех подключенных элементов, что даст ожидаемый прирост количества электроэнергии и мощности солнечных панелей.

Обратите внимание: в стремлении всеми способами увеличить уровень напряжения в автономной сети нужно не забывать, что суммарный ток не должен превышать уровень заряда для аккумуляторной батареи. Поэтому специалисты рекомендуют не ограничивать оптимизацию системы одной лишь покупкой нового комплекта солнечных батарей, а дополнительно приобрести новый аккумулятор с повышенной емкостью.

Как увеличить мощность солнечной панели в сети без аккумулятора

Если внесение конструктивных изменений в систему не представляется возможным, а проблема увеличения мощности панели остается насущной, попробуйте реализовать на практике один из следующих способов:

• Применение поворотного механизма. Специальные трекеры обладают способностью поворачивать систему навстречу солнечному свету. Приближение угла падения к отметке 90 градусов резко увеличивает КПД батарей. Это эффективный, но затратный способ, требующих крупных расходов на покупку трекера.
• В вечерние и утренние часы, когда количество солнечных лучей незначительно, рекомендуется использовать систему зеркал. Гладкая поверхность будет отражать свет и перенаправлять его на фотоэлементы. Решение отличается ценовой доступностью и гарантирует достижение ощутимого эффекта.
• Использование линзы Френеля для концентрации света. Важное условие – линза должна быть больше площади фотоэлементов. Дополнительная ориентация стекла на солнце в два раза повысит КПД системы.
• Применение полимерной пленки, повышающей КПД солнечных панелей сразу на 10%. Ее поверхность работает по принципу линзы, аккумулируя солнечные лучи. Благодаря пленке можно не только повысить мощность панелей, но и обновить изношенные элементы, вернув им первоначальную работоспособность.

Все предложенные варианты прошли проверку временем и доказали свою эффективность. Поэтому их можно внедрять в жизнь без опасений за качество работы панелей.

Источник

Пути повышения энергоэффективности солнечных батарей

Изучение проблемы высокой цены и низкой эффективности солнечных батарей как источников энергии. Рассмотрение возможности оборудования готовых солнечных панелей устройствами их ориентации на солнце (трекерами) и использования акрилового концентратора.

Рубрика	Физика и энергетика
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	28.10.2016
Размер файла	972,2 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Повышения эффективности добычи электроэнергии из альтернативных источников (КПД — коэффициент полезного действия) на сегодняшний момент не редкость, но желаемого результата пока так и не удалось достичь никому, ни в какой области. Все стараются использовать новые материалы, сложные системы слежения или необычные физические явления.

В краткосрочной перспективе, использование экзотических материалов и физических феноменов, для добычи электроэнергии из энергии солнца, выглядит перспективно, но вот при рассматривании варианта на долгосрочную перспективу, такой подход оказывается не эффективным.

Среди возобновляемых источников энергии солнечная энергетика по масштабам ресурсов, экологической чистоте и повсеместной распространенности одна из наиболее перспективных. Но на нынешний момент солнечные батареи имеют два весомых недостатка — высокую цену и низкую эффективность. Данный проект направлен на то, чтобы решить, в зависимости от нужд, каждую из этих проблем. Высокая цена солнечных батарей определяется, в первую очередь, высокой ценой фотоэлементов. Увеличение собственного КПД фотоэлементов в разы увеличивает стоимость. Поэтому единственный способ снизить цену на солнечные батареи — это увеличить мощность солнечного потока, падающего на единицу площади фотоэлемента.

Повышение эффективности солнечных батарей с помощью солнечного трекера и акрилового концентратора

Можно оборудовать готовые солнечные панели и модернизировать новые с помощью устройств ориентации солнечной батареи на солнце (использовать солнечный трекер) и концентрации солнечной энергии (использовать концентратор).

солнечный батарея трекер концентратор

Концентратор — устройство, которое позволяет собирать солнечную энергию с большей площадью и направлять её на меньшую площадь. Сейчас концентраторы представлены в основном параболическими зеркалами и линзами Френеля. Есть также другие различные сложные и не очень системы зеркал с различной степенью концентрации, но они не получили широко распространения из-за различных недостатков. Есть также значительные минусы и у указанных концентраторов. Параболические зеркала очень большие и тяжёлые из-за своей конструкции, не позволяющей сделать их меньше, а значит, подвергают систему повышенному риску поломки. Также они требуют очень точного ориентирования на солнце и систем охлаждения, иначе их эффективность крайне снижается. Линзы Френеля имеют меньшую, но всё же значительную толщину, а также требуют ещё более точного наведения и более мощного охлаждения, стоят дороже.

В связи с этим было предложено уникальный акриловый концентратор, который решает эти проблемы. Он представляет собой лист, большая часть состава которого оргстекло, толщиной около 1 сантиметра, состоящий из специальной светоотражающей поверхности, а также 2 клиньев, направленных наклонными плоскостями друг к другу и имеющими между собой зазор, заполненный специальным клеем. Благодаря рассчитанным характеристикам, выполненный концентратор позволяет собирать солнечную энергию со всей приёмной поверхности и направлять её в торцы, на которых расположены фотоэлементы, размер которых в разы меньше приёмной поверхности устройства. Концентратор позволяет достигать 7ми кратной концентрации с КПД 75%. КПД посчитан теоретически и подтверждён экспериментально. Концентратор имеет маленький вес и объём, имеет большую диаграмму направленности на солнце и не требует мощных систем охлаждения, позволяя обойтись пассивными радиаторами. Созданы рабочие опытные образцы концентратора (рис.1). Получен патент. Заканчивается работа над введением готовых полномасштабных панелей для солнечных установок.

Рисунок 1. Внешний вид акрилового концентратора

Проведены расчёты зависимости работы концентратора от наклона. Получено, что он эффективно работает в пределах -3 до 0 градусов по одной оси и от -30 до +30 градусов по другой оси, поэтому возможна ориентация даже только в одной плоскости.

имеет маленький вес и объём, сравнимый с обычными солнечными панелями, в отличие от тяжёлых и массивных параболических зеркал

Благодаря плоской форме и углу наклона на концентраторе не собирается конденсат летом и снег зимой, что позволяет практически не обслуживать его

имеет большую диаграмму направленности на солнце (возможны отклонения до 30 градусов по одной оси, тогда как у других концентраторов не более 0,5 градуса)

не требует мощных систем охлаждения, что снижает стоимость системы и увеличивает её надёжность

Себестоимость концентратора выходит дешевле аналогов

Но даже при таких параметрах необходим солнечный трекер, осуществляющий движение, по крайней мере, по одной оси.

Солнечный трекер — это устройство, направляющее солнечную батарею или концентратор на солнечные лучи, позволяя выработать им в течение дня большее количество энергии. Трекеры бывают активные, пассивные и с ручной наводкой. Наиболее универсальные активные системы ориентирования. Также системы могут ориентироваться либо по одной, либо по 2м осям. Хотя двухосевая даёт небольшой выигрыш по сравнению с одноосевой системой, она сложнее и дороже, из-за чего не всегда оправдывает себя. Поэтому в условиях географического положения было предложено уникальный одноосевой активный солнечный трекер. Принцип его действия основан на аналогово-цифровом сигнале платы управления, которая позволяет отказаться от использования микроконтроллеров и шаговых двигателей, позволяя снизить цену системы и упростить её, сохраняя качество и надёжность. Также для неё созданы оптические концевики и датчик света, которые позволяют установке эффективно ориентироваться на солнце, отключаться ночью и возвращаться на следующий день в исходное положение.

Была выведена формула, которая была подтверждена практически, о зависимости мощности, доходящей до фотоэлементов, от угла падения на солнечную батарею лучей. Получено, что без трекера солнечная батарея теряет около 40% энергии. Собраны рабочие опытные образцы установки (рис.2). Дорабатывается большой образец для установки на крышу института (рис.3), ведётся работа над патентованием.

Рисунок 2. Опытный образец трекера

Рисунок 3. Образец рабочего трекера для института

Трекер состоит из самой солнечной панели, платы управления, регулирующей поворот системы, аккумулятора, который питается от солнечной панели и от которого работает мотор, вращающий систему, и нагрузка, а также оптических концевиков, не позволяющих вращаться батарее более чем на 200 градусов, предотвращая наматывание и излом проводов. Главной частью установки является плата управления. Её принцип действия основан на 2х светодиодах, разведённых под углом около 40 градусов. Когда солнечное излучение падает больше на один из светодиодов, то формируется сигнал, который обрабатывают микросхемы, замыкающие противоположные по знаку полюса, начинает течь ток и работать мотор. Плата позволяет регулировать шаг системы. Изменяя сопротивление на реостате, можно добиться изменения времени между включениями солнечного трекера. Это необходимо потому, что солнце движется на небосводе довольно медленно, а при ориентации потребляется электроэнергия. Поэтому выгоднее включать установку через определённые промежутки времени. Были произведены расчёты и выведена формула для зависимости мощности системы от шага ориентирования. Они показали, что наибольшей эффективности система достигает при шаге в 1 час для солнечных батарей и в 8 минут для концентраторов.

На данный момент имеются опытные образцы как концентратора, так и трекера, патент концентратора. Ведутся работы по созданию полномасштабных образцов и патентованию трекера. Использование одноосевого трекера позволяет увеличить эффективность работы на 30-35% для солнечных батарей и в несколько раз для концентратора. Применение же концентратора и трекера одновременно позволяет снизить стоимость солнечной энергии в несколько раз, вплоть до 0,9$ за ватт солнечных установок с 17% КПД и сроком службы не менее 20 лет. Причём основными потребителями могут являются как частные владельцы, такие как жители посёлков, дачей, коттеджей, так и более крупные структуры. Начиная от предприятий и заканчивая солнечными электростанциями и интеграторами солнечных энергоустановок.

Исследователи из Массачусетского технологического института придумали способ, как повысить КПД обычных солнечных панелей. Они предлагают внедрить промежуточный нагревательный элемент между потоком солнечного излучения и поверхностью панелей. Идея в том, что при нагревании этот элемент будет излучать в спектре, который лучше подходит для поглощения стандартными кремниевыми элементами.

Рисунок 4. Нанофотонный солнечный термофотоэлектрический элемент, составленный из нескольких слоёв углеродных нанотрубок в качестве поглотителя и фотонного кристалла Si/SiO₂ в качестве излучателя, а также солнечной фотоячейки на 0,55 eV

Вопреки логике, здесь добавление дополнительного этапа преобразования на самом деле повышает КПД, поскольку позволяет получить энергию от фотонов на частотах, которые обычно уходят впустую.

Обычные солнечные панели преобразуют в электричество энергию только тех фотонов, которые соответствуют определённым рамкам по нижней и верхней границам диапазона. Кремниевая микросхема чувствительна к широкому спектру, но при этом многие фотоны проходят мимо неё. Добавление поглотителя из углеродных нанотрубок позволяет решить эту проблему. Данный слой чувствителен к большему диапазону частот и при бомбардировке фотонами нагревается до 962°C. При нагревании он излучает фотоны строго определённой энергии, которые отлично поглощаются фотоячейкой и преобразуются в электричество.

Подобную технологию предсказывали теоретики несколько лет назад, и вот теперь её удалось реализовать на практике. Говорили, что термоэлементы позволят преодолеть теоретический лимит эффективности преобразования солнечной энергии для кремниевых микросхем, установленный на уровне 33,7% (предел Шокли-Квиссера). В данном случае КПД теоретически может достигать 80%.

Впрочем, на практике учёным пока далеко до теоретически максимального предела. Прежние эксперименты не могли продемонстрировать КПД выше 1%, но в Массачусетском технологическом институте зафиксировали эффективность преобразования на уровне 3,2%, а авторы научной работы уверены, что в ближайшее время смогут повысить его до 20%. По их словам, этого достаточно для выпуска коммерческого продукта.

Из мировых новостных агентств поступило несколько новостей про увеличение КПД солнечных батарей. Так в Штуттгартском университете группой ученых, под руководством Юргена Кёлера, достигнут очередной рекорд эффективности солнечных панелей. В технологии производства солнечных панелей из прозрачного пластика используется обработка ячеек солнечных батарей лазером. Разработанная технология пригодна для использования в индустриальных масштабах (для массового производства). В обычном процессе производства солнечных панелей pn-переход достигается при высокотемпературной обработке в диффузионной печи. А группа немецких исследователей использовала для достижения этой цели пульсирующий лазерный луч. Эффективность солнечных батарей до недавнего времени составляла 16%, но ученые из Штуттгарта получили образец с КПД 19%! Эта новость поступила сегодня. 25-го мая 2009 года.

Компания SANYO, производящая собственные солнечные панели под маркой HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin layer — гетеропереход с внутренним тонким слоем), сообщила об улучшении ею собственной технологии и достижении нового рекорда эффективности солнечных батарей — 23%. Солнечные батареи HIT сделаны по гибридной технологии, они являются гибридом прозрачных кремниевых панелей и тонкопленочных технологий. Солнечная ячейка сделанная по этой технологии представляет собой тонкую и прозрачную кремниевую вафлю, зажатую ультратонкими аморфными кремниевыми слоями.

Фирма SANYO усовершенствовала технологию производства солнечных панелей, путем нанесения более качественного a-кремния над слоем с-кремния, что привело к увеличению максимального напряжения вырабатываемого солнечной ячейкой и придало дополнительную прочность ячейкам солнечных панелей. Кроме того компания уменьшила потери от оптического поглощения света в аморфном кремнии и прозрачных проводящих слоях. Модернизация технологии печати привела к сокращению потери сопротивления. Компания SANYO производит солнечные батареи для дома, для солнечных коллекторов, а улучшенные солнечные ячейки будут использоваться для новых систем энергообеспечения жилых домов на солнечной энергии.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Разработка гибридной системы электроснабжения и комплектов, обеспечивающих резервное электроснабжение в доме при пропадании энергии в сети. Преимущества ветрогенераторов и солнечных батарей. Определение необходимого количества аккумуляторных батарей.

презентация [1,4 M], добавлен 01.04.2015

История открытия солнечной энергии. Принцип действия и свойства солнечных панелей. Типы батарей: маломощные, универсальные и панели солнечных элементов. Меры безопасности при эксплуатации и экономическая выгода применения солнечной системы отопления.

презентация [3,1 M], добавлен 13.05.2014

Обоснование экодома как жилища. Низкопотенциальная тепловая энергия. Первая солнечная батарея. Эффективность солнечных коллекторов. Климатическая характеристика Оренбургской области. Характеристика и расчёты солнечных батарей, ветряных генераторов.

курсовая работа [3,5 M], добавлен 02.12.2014

Обзор технологий и развитие электроустановок солнечных электростанций. Машина Стирлинга и принцип ее действия. Производство электроэнергии с помощью солнечных батарей. Использования солнечной энергии в различных отраслях производства промышленности.

реферат [62,3 K], добавлен 10.02.2012

Природные ресурсы, используемые в энергетике. Выбор типа и расчет количества аккумуляторных батарей для системы автономного электроснабжения. Расчет фотоэлектрических модулей нагрузок. Электроснабжение автономного объекта с помощью солнечных панелей.

дипломная работа [6,9 M], добавлен 27.10.2011

Источник