Как увеличить кпд солнечной батареи

КПД солнечных батарей.

Постоянно осваивая все новые рубежи, солнечная энергетика движется вперед, поднимая значение КПД солнечных батарей на новые уровни. Не секрет, что производительность, которую выдают солнечные батареи, не может соперничать с устоявшимися источниками энергии. Виной всему низкая производительность существующих панелей.

Влияние на производительность различных факторов.

Повышение коэффициента полезного действия солнечных модулей – головная боль всех исследователей, работающих в данном направлении. На сегодняшний день КПД подобных устройств находится в пределах от 15 до 25 %. Процент очень низкий. Солнечные батареи являются крайне прихотливым устройством, стабильная работа которых зависит от множества причин.

К основным факторам, которые могут двояко влиять на производительность, можно отнести:

• Материал основы солнечных батарей. Самым слабым в этом плане является поликристаллические солнечные батареи, имеющие КПД до 15 %. Перспективными же можно считать модули на основе индий-галлия или кадмий-теллура, имеющие до 20% производительности.
• Ориентация приемника солнечного потока. В идеале, солнечные батареи своей рабочей поверхностью должны быть обращены к солнцу под прямым углом. В таком положении они должны находиться как можно больший период времени. Для увеличения продолжительности правильного позиционирования модулей в области солнца, более дорогие аналоги имеют в своем арсенале устройство слежения за солнцем, которое поворачивает батареи вслед за движением светила.
• Перегрев установок. Повышенная температура негативно сказывается на выработке электроэнергии, поэтому при установке необходимо обеспечить достаточную вентиляцию и охлаждение панелей. Этого добиваются устройством вентилируемого зазора между панелью и поверхностью установки.
• Тень отбрасываемая любым предметом, может значительно испортить показатели КПД всей системы.

Выполнив все требования, и по возможности установив панели в нужном положении, можно получить солнечные батареи с высоким КПД. Именно высоким, а не максимальным. Дело в том, что расчетный, или теоретический КПД, это величина, выведенная в лабораторных условиях, при средних параметрах продолжительности светового дня и количества пасмурных дней.

На практике, конечно же, процент полезного действия будет ниже.

Подбирая солнечные батареи для своего дома, лучше ориентироваться на нижний предел производительности, а не на верхний. Выбрав, таким образом, солнечные модули и все надлежащие для работы компоненты, можно быть уверенным в достаточной мощности устанавливаемой установки. Выбрав нижний предел производительности при расчетах, можно сэкономить на покупке дополнительных панелей, которые покупаются для перестраховки, на случай нехватки мощности.

Обнадеживающие перспективы развития.

На сегодняшний день абсолютный рекорд КПД в солнечной энергетике принадлежит Американским разработчикам и составляет 42,8 %. Это значение на 2 % выше предыдущего рекорда 2010 года. Рекордное количество энергии удалось добиться при усовершенствовании солнечной батареи из кристаллического кремния. Уникальностью такого исследования служит тот факт, что все замеры были проведены исключительно в рабочих условиях, то есть не в лабораторных и тепличных помещениях, а в реальных местах предполагаемой установки.

В кулуарах все тех же технических лабораторий не прекращаются работы по увеличению последнего рекорда. Следующая цель разработчиков – граница КПД солнечных модулей в 50 %. С каждым днем человечество все ближе приближается к тому моменту, когда солнечная энергия полностью заменит вредные и дорогие, используемые в настоящее время, источники энергии, и станет в один ряд с такими гигантами как гидроэлектростанции.

Источник

От чего зависит КПД солнечных батарей и как увеличить этот показатель

Современные исследователи, которые занимаются гелиосистемами, постоянно ведут между собой дискуссии о КПД солнечных батарей. Это один из главных критериев, на основании которого оцениваются их эффективность и уровень производительности. Поскольку затраты на преобразование энергии Солнца в электрическую у панелей по-прежнему велики, производители беспокоятся о том, как сделать их КПД выше.

Известно, что на 1м² площади элементов вырабатывается около 20% от общей мощности излучения Солнца, которое попадает на батарею. При этом речь идет о самых благоприятных условиях климата и погоды, которые бывают далеко не всегда. Следовательно, для увеличения показателя нужно установить много солнечных батарей. Это не всегда бывает удобно, да и по стоимости влетает в «копеечку». Поэтому нужно понимать, насколько целесообразно использование этих альтернативных источников энергии и какие перспективы имеются в дальнейшем.

Что такое КПД

Итак, КПД батареи — это количество реально вырабатываемого ею потенциала, обозначаемое в процентах. Для его вычисления необходимо мощность электрической энергии разделить на мощность энергии Солнца, попадающей на поверхность солнечных панелей.

Сейчас этот показатель находится в пределах от 12 до 25%. Хотя на практике, учитывая погодные и климатические условия, он не поднимается выше 15. Причиной тому являются материалы, из которых производят солнечные аккумуляторы. Кремний, который представляет собой основное «сырье» для их изготовления, не обладает способностью поглощения УФ-спектра и может работать только с инфракрасным излучением. К сожалению, из-за такого недостатка мы теряем энергию УФ-спектра и не применяем ее с пользой.

Взаимосвязь КПД с материалами и технологиями

Как работают солнечные батареи? По принципу свойств полупроводников. Свет, который падает на них, производит выбивание своими частицами электронов, находящихся на внешней орбите атомов. Большое количество электронов создает потенциал электрического тока — при замкнутых условиях цепи.

Чтобы обеспечить нормальный показатель мощности, одного модуля будет мало. Чем больше панелей, тем эффективней работа радиаторов, отдающих электроэнергию аккумуляторам, где она будет накапливаться. Именно по этой причине эффективность солнечных батарей зависит и от количества устанавливаемых модулей. Чем их больше, тем больше энергии Солнца они поглощают, а показатель мощности у них становится на порядок выше.

Можно ли повысить КПД батареи? Такие попытки были предприняты их создателями, и не один раз. Выходом из положения в будущем может стать производство элементов, состоящих из нескольких материалов и их слоев. Материалы следуют таким образом, чтобы модули могли вбирать в себя разные типы энергии.

Например, если одно вещество работает с УФ-спектром, а другое — с инфракрасным, КПД солнечных батарей в разы повышается. Если мыслить на уровне теории, то наивысшим коэффициентом полезного действия может стать показатель около 90%.

Также на КПД любой гелиосистемы большое влияние оказывает и разновидность кремния. Его атомы можно получить несколькими путями, и все панели, исходя из этого, делятся на три разновидности:

• монокристаллы;
• поликристаллы;
• элементы из аморфного кремния.

Из монокристаллов производят солнечные батареи, КПД которых составляет около 20%. Они стоят дорого, так как эффективность у них самая высокая. Поликристаллы по стоимости гораздо ниже, так как в данном случае качество их работы напрямую зависит от чистоты кремния, используемого при их изготовлении.

Элементы, в основе которых находится аморфный кремний, стали основой для производства тонкопленочных гибких солнечных панелей. Технология их изготовления гораздо проще, стоимость ниже, но и КПД меньше — не более 6%. Они быстро изнашиваются. Поэтому для улучшения срока их службы в них добавляются селен, галлий, индий.

Как сделать работу солнечной панели максимально эффективной

Производительность любой гелиосистемы зависит от:

• температурных показателей;
• угла падения лучей Солнца;
• состояния поверхности (она всегда должна быть чистой);
• погодных условий;
• наличия или отсутствия тени.

Оптимальный угол падения лучей Солнца на панель — 90°, то есть прямой. Уже существуют гелиосистемы, оснащенные уникальными устройствами. Они позволяют следить за положением светила в пространстве. Когда положение Солнца по отношению к Земле изменяется, меняется и угол наклона гелиосистемы.

Для чего нужен солнечный трекер и как его собрать самому

Постоянный нагрев элементов тоже не лучшим образом сказывается на их производительности. Когда энергия преобразуется, возникают ее серьезные потери. Поэтому между гелиосистемой и поверхностью, на которую она монтируется, всегда нужно оставлять небольшое пространство. Воздушные потоки, проходящие в нем, будут служить природным способом охлаждения.

Чистота солнечных батарей — тоже немаловажный фактор влияющий на их КПД. Если они сильно загрязнены, они собирают меньше света, а значит, их эффективность снижается.

Также и правильная установка играет большую роль. Нельзя при монтировании системы допускать, чтобы на нее падала тень. Лучшая сторона, на которой их рекомендуется устанавливать — южная.

Переходя к погодным условиям, можно заодно ответить на популярный вопрос о том, работают ли солнечные батареи в пасмурную погоду. Безусловно, работа их продолжается, потому что электромагнитное излучение, исходящее от Солнца, попадает на Землю во все времена года. Конечно, производительность панелей (КПД) будет значительно меньше, особенно в регионах с обилием дождливых и пасмурных дней в году. Другими словами, электроэнергию они вырабатывать будут, но в гораздо меньшем количестве, чем в регионах с солнечным и жарким климатом.

Немного о батареях-чемпионах по КПД

Рекордсменом по коэффициенту полезного действия в гелиосистемах на данный момент считаются немецкие батареи. Они созданы в Институте гелиоэнергетики им. Фраунгофера. В их основу положены фотоэлементы, состоящие из нескольких слоев. Компания «Сойтек» активно внедряет их в сферу широкого потребления, начиная уже с 2005 года.

Сами элементы — не более 4 мм толщиной, а солнечный свет фокусируется на их поверхности с помощью специальных линз. Благодаря им осуществляется преобразование световых частиц в электроэнергию, а КПД при этом составляет целых 47%.

Второе место заслуженно занимают панели, созданные путем применения фотоэлементов из трех слоев фирмы «Шарп». Это тоже солнечные батареи с высоким КПД, хотя и немного меньше — 44%.

Три слоя представлены тремя веществами: фосфидом индия (галлия), арсенидом галлия и арсенидом индия (галлия). Между ними располагается диэлектрическая прослойка, применяемая для того, чтобы получить туннельный эффект. Что касается фокусировки света, ее получают путем применения известной линзы Френеля. Концентрация света достигается до уровня в 302 раза, а далее попадает в трехслойный полупроводниковый преобразователь.

Безусловно, подобный рекорд КПД едва ли может быть доступен широкому кругу потребителей. Кстати, Илон Маск, известный американский миллиардер, является владельцем компании «Солар Сити». Не так давно, в 2015 году, компания Маска разработала именно «потребительский» вариант солнечных батарей с коэффициентом полезного действия, превышающим 22%.

Разработки и многочисленные лабораторные опыты проводятся и по сей день. Можно быть уверенными в том, что такие технологии имеют большое будущее — в качестве экологичного альтернативного источника энергии.

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