Как увеличить эффективность солнечных батареях

КПД солнечных батарей — обзор самых эффективных модулей

Обновлено: 7 января 2021

КПД у разных типов солнечных панелей

Существует несколько разновидностей солнечных модулей, которые изготавливаются по собственным технологиям и обладают определенными параметрами. КПД солнечных панелей определяет их способность преобразовать солнечную энергию в электрический ток. Расчет производится путем деления мощности энергии, вырабатываемой панелью, на мощность потока света, падающего на рабочую поверхность.

Показатели панелей изначально определялись при стандартных лабораторных условиях (STS):

• уровень инсоляции — 1000 вт/ м2
• температура — 25°

Большинство современных производителей производят тестирование каждой собранной батареи и прилагают результаты к документации при продаже. Это дает более полную и корректную информацию о каждой панели, поскольку в процессе изготовления возможны некоторые отклонения от технологических нормативов. Поэтому сравнение любых двух (или более) панелей всегда выявляет небольшое расхождение демонстрируемых параметров.

Практически любые отклонения в первую очередь отражаются на эффективности, т. е. на КПД солнечной батареи. Из-за этого все разновидности не имеют четко определенного значения. Обычно указывают довольно широкий диапазон, который может давать заметную разницу параметров солнечных модулей, изготовленных по одинаковой технологии.

Все виды фотоэлементов обладают определенными свойствами, определяющими эффективность солнечных батарей. Каждая разновидность имеет свои пределы возможностей, обусловленные строением и составом полупроводников.

Новый мировой рекорд: эффективность солнечных батарей повысили до 29,15%

Научно-исследовательская группа Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) описала в журнале Science разработку тандемного солнечного элемента из перовскита и кремния. Его КПД составил 29,15%. На текущий момент — это новый мировой рекорд. Предыдущие показатели КПД были в районе 28%. Исследователи планируют довести эффективность тандемного солнечного элемента до 30% и даже превысить этот показатель.

Для солнечных элементов базовым материалом является кремний, а разработки с использованием перовскита (титаната кальция) ведутся параллельно. Ученые думают, что возможности перовскита еще не раскрыты и используя оба материала, они получают прирост эффективности.

Солнечные элементы, состоящие из двух полупроводников с различной шириной запрещенной зоны, способны демонстрировать высокую эффективность по сравнению с отдельными элементами, так как тандемные элементы полнее используют солнечный спектр. В частности, обычные кремниевые солнечные элементы главным образом эффективно преобразуют в электрическую энергию инфракрасную часть солнечного спектра, в то время как соединения перовскита могут эффективно преобразовывать видимую часть спектра, повышая КРД тандема.
Использование перовскита и кремния не увеличивает стоимость солнечных панелей.

Виды солнечных фотоэлементов и их КПД

Существуют разные виды солнечных батарей:

• кремниевые
• теллур-кадмиевые
• из арсенида галлия
• из селенида индия
• полимерные
• органические
• комбинированные, многослойные

Самые эффективные солнечные панели из тех, что находятся в серийном производстве — кремниевые.

Их выпускают в двух видах:

• монокристаллические. Изготавливаются из тонких пластинок, срезанных с цельного (монолитного) кристалла кремния. Считается, что это — лучшие солнечные панели, демонстрирующие КПД от 17 до 22 %
• поликристаллические. Заготовкой для этих элементов является брикет кремния, который был расплавлен и разлит по формам. Такие панели обладают немного сниженными показателями по всем позициям, чем монокристаллические. Их КПД находится в диапазоне 12-17 %

Есть еще одни современные солнечные батареи с высоким КПД — это панели на основе селенид-индия. Они способны выдать КПД 15-20 %. Несколько меньшими качествами обладают элементы из теллурида кадмия — не более 10-12 %.

Остальные виды значительно уступают лидерам — аморфные и полимерные элементы демонстрируют КПД не более 5-6 %. Необходимо учитывать, что приведенные показатели — усредненные. У разных производителей есть образцы, превышающие обычные нормы эффективности. Это не меняет общей картины, но демонстрирует необходимость совершенствования технологий, разработки новых методов производства фотоэлементов.

От чего зависит эффективность?

КПД солнечных фотоэлектрических установок составляет лишь малую часть от теоретически возможных показателей. Расчетный КПД доходит до 80-87 %, но изъяны технологии, недостаточная чистота материалов и неточность сборки элементов существенно снижают эти значения. Основная проблема кремниевых элементов заключается в способности поглощать лучи только инфракрасного спектра, а энергия ультрафиолетовых участков остается неиспользованной.

Проблема состоит в дороговизне процессов очистки, выращивания кристаллов и прочих тонких процедур, без которых ожидаемого эффекта не удастся добиться. Все солнечные панели с высоким КПД отличаются высокой стоимостью, что делает их недоступными для массового пользователя.

Необходимо учитывать также погодные и климатические условия. Самая производительная система не сможет демонстрировать высокие результаты, если источник энергии скрыт за тучами, или находится низко над горизонтом. Этот фактор не подлежит регулированию, единственным способом борьбы с ним может стать повышенная эффективность солнечных панелей.

Некоторые разновидности фотоэлементов способны вполне стабильно вырабатывать энергию в пасмурную погоду, например, тонкопленочные виды. Однако, их производительность невысока и не дает нужного количества энергии. Чем выше КПД батарей, тем сильнее падает количество вырабатываемой энергии при появлении облачности.

Ежегодно появляются заявления от различных компаний или групп ученых о разработке высокоэффективных образцов солнечных панелей, стабильно работающих в сложных условиях. Однако, в продаже до сих пор есть только привычные кремниевые или пленочные разновидности, а новинок не видно. Причиной этого является слишком высокая себестоимость производства и нестабильность результатов технологий, вынуждающие изготовителей пока отказываться от недоработанных новшеств.

Срок службы и окупаемость

Большинство солнечных панелей способны работать по 25 лет и более. Однако, первоначальные характеристики со временем ухудшаются, происходит падение производительности и, как следствие, уменьшение КПД. Факторы, влияющие не длительность эксплуатации фотоэлементов:

• тип конструкции. Чем выше изначальная производительность, тем более высокие результаты панель будет показывать после многолетней службы
• условия эксплуатации. В регионах с сильными среднесуточными и среднегодовыми перепадами температур ресурс панелей быстро уменьшается. Происходит физический износ полупроводников, нарушается прочность соединения слоев, образующих p-n переход. Все эти факторы отрицательно влияют на КПД солнечных модулей

Окупаемость панелей в первую очередь зависит от инсоляции — количества солнечной энергии, доступной фотоэлементам. Здесь необходимо учитывать следующие факторы:

• продолжительность светового дня
• положение солнца над горизонтом
• погодные условия в регионе

Практика показывает, что средний процент деградации солнечных батарей составляет 0,6 % в год. Однако, к естественным процессам прибавляются внешние воздействия — температурные, механические и т.п. Поэтому производители обычно гарантируют, что в течение 10 лет эксплуатации производительность не упадет больше, чем на 10 %.

Вопрос окупаемости солнечных панелей всерьез никем не рассматривается. Существуют приблизительные расчеты, показывающие количество выработанной энергии и ее среднюю стоимость в течение 10, 25 лет. Эти данные не способны показать реальной картины, поскольку все комплексы работают в собственных условиях, подвергаются тем или иным воздействиям и не могут гарантировать заданной производительности.

Специалисты утверждают, что для некоторых регионов окупаемость солнечных батарей никогда не наступает, в других местностях она составляет около 10 или 15 лет.

Подробные исследования не производятся, или ведутся только для данного района. Если необходимо узнать технико-экономические показатели СЭС, приходится каждый раз производить индивидуальный расчет для данных условий, моделей солнечных модулей и прочих факторов воздействия.

Самые эффективные солнечные батареи

Обычный пользователь не старается глубоко вникнуть в теорию, поэтому он чаще всего задает вопрос — хочу купить солнечные панели, какие лучше? Вопрос простой, но ответить на него однозначно крайне сложно. Все зависит от возможностей и потребностей покупателя.

Споры о том, какие солнечные батареи самые эффективные ведутся с самого начала их использования. Несмотря на приоритет кристаллических кремниевых конструкций, нередко впереди оказываются другие виды панелей. Есть рекордсмены в этой области, например, фирма Sharp объявила о создании панелей с КПД 44 %. Эта же фирма создала модули с эффективностью 37,9 %. Есть образцы от других разработчиков с КПД около 32 %. Все эти модели весьма дороги и в массовое производство пока не поступают. Нерентабельность — основная проблема развития солнечных модулей.

Исследования и разработки для повышения КПД

Наиболее перспективным направлением исследований считается создание многослойных панелей. Основной упор делается на возможность получения энергии от инфракрасных и ультрафиолетовых лучей, которые во многом более активны, чем видимые части спектра. Работы ведутся и в области очистки кремниевых структур, создания наиболее однородных и чистых кристаллов.

Еще одним направлением является создание максимально плотных и ровных соединений полупроводников. Электрический ток возникает на границе двух материалов, и, если поверхность обоих изобилует впадинами и прочими изъянами, эти участки исключаются из общей рабочей зоны. Проблема технически сложная, поскольку речь идет о микронной точности шлифовки. Для промышленного производства эти методики пока слишком сложны, а цены на панели будут недоступны рядовым покупателям. Процесс исследований происходит непрерывно, поэтому ожидать положительных сдвигов можно в любой момент.

Видео-инструкция по сборке своими руками

Источник

Найден способ повысить эффективность работы солнечных батарей на 80%

Сегодня солнечные панели находят все большее применение в повседневной жизни. Однако у этого элемента питания есть один существенный минус. Можно сказать, ахиллесова пята. Это тепло. Дело в том, что чем более горячими становятся сонечные панели, тем больше падает их эффективность из-за нагрева элементов и рассеивания большей части энергии. Поэтому многие исследователи работают над тем, чтобы избавиться от этого недостатка. Кто-то пытается создать эффективные системы охлаждения, но учение из США пошли другим путем. И их изыскания могут повысить эффективность работы солнечных батарей на 80%.

Как увеличить эффективность солнечных батарей

Ученые из Университета Райса хотят решить проблему весьма нетривиальным сособом — превращением тепла в свет, который затем может быть использован для производства электричества. Они говорят, что их исследования могут в конечном итоге привести к созданию солнечных панелей, которые будут в четыре раза более эффективны, чем любые коммерчески доступные на сегодня солнечные элементы.

Любая горячая поверхность излучает свет в виде теплового излучения, — говорит Гурурадж Наик, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники в Университета Райса. Проблема в том, что тепловое излучение происходит в широком спектре, а преобразование света в электричество эффективно только в том случае, если излучение находится в узком диапазоне.

Исследовательская группа пришла к идее использования пленки из углеродных нанотрубок для создания “гиперболического теплового излучателя”, который может работать при температурах до 700 градусов Цельсия. Устройство позволяет электронам двигаться только в одном направлении. Сжимая фотоны, испускаемые в виде тепла. В итоге создается свет, который затем может быть поглощен солнечным элементом.

Иными словами, происходит сужение диапазона теплового излучения, что в конечном итоге позволяет преобразовать тепло в свет, который и пойдет в дальнейшем на выработку электричества.

«Сжимая» всю имеющуюся тепловую энергию в небольшую «спектральную область», мы можем превратить ее в электричество. Теоретически мы можем получить до 80% прироста эффективности, так как тепло от солнечного света не рассеивается, а идет на производство электроэнергии.

Когда появятся новые солнечные панели

На данный момент разработка ученых находится лишь на начальном этапе, но все теоритические рассчеты говорят о том, что при помощи нового подхода можно значительно учеличить энергоэффективность солнечных панелей. Даннные исследования обнародованы в журнале ACS Photonics. Ну а сами ученые уже в ближайшее время планируют приступить к практическим испытаниям своей технологии.

Еще больше интересных материалов вы можете найти в нашем новостном канале в Телеграм.

Новости, статьи и анонсы публикаций

Свободное общение и обсуждение материалов

Около 5 тысяч лет назад в Древнем Египте произошло нечто, что в корне изменило мир. Судя по археологическим находкам, примерно в это время египтяне изобрели …

Пока коронавирус ещё блуждает по планете, народ сидит по домам, а некоторые компании задумываются о том, чтобы перенести работу на «удалёнку» навсегда. Но ес…

Ранее уже сообщалось о созданном учеными удивительном устройстве, добывающем воду из сухого воздуха. И каждому, кто интересуется новыми научными достижениями…

Источник

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