Объясните эффективность солнечных батарей

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

От чего зависит эффективность солнечных панелей

Популярность солнечных систем сегодня стремительно растёт. Однако, устанавливая такие батареи, многие не задумываются, от чего зависит эффективность солнечных панелей. Лишь при правильной эксплуатации затраты на монтаж системы быстро окупятся и количество получаемого тока будет максимальным.

Факторы, определяющие эффективность работы солнечных систем

Некоторые люди, начитавшись о положительных качествах и преимуществах данного способа получения электроэнергии, забывают поинтересоваться: «А как же добиться максимального КПД». Оказывается, недостаточно купить и установить фотоэлементы, нужно также обеспечить системе оптимальные условия работы. Эффективность солнечных панелей зависит от следующих факторов:

• климатические условия;
• текущее освещение (наличие или отсутствие тени);
• изменения температурного режима;
• возможные загрязнения;
• угол наклона элементов.

Чтобы КПД солнечной системы стремилось к 100%, необходимо учитывать все перечисленные моменты.

Климатические условия

От того, насколько интенсивно будет светить солнце на батареи, напрямую зависит эффективность их работы. При низком солнечном освещении либо при его полном отсутствии, система будет работать с минимальной отдачей.

В пасмурную погоду, когда идёт дождь или сильный снег, элементы вообще могут не вырабатывать ток.

Чтобы минимизировать негативные последствия отсутствия солнечного света, панели оснащают аккумуляторами. Они в течение дня накапливают энергию, а затем отдают её. Ночью люди потребляют меньше электроэнергии, поэтому запаса аккумулятора вполне достаточно.

Текущее освещение

Эффективность работы солнечных панелей будет максимальной, если обеспечить им равномерную освещённость по всей площади. В ряде случаев на отдельные элементы системы попадает меньше солнечного света, в результате общее количество вырабатываемой электроэнергии снижается. Если какой-либо из элементов находится в тени, рекомендуется его временно отключить. Необходимо в течение светового дня следить за освещённостью панелей.

Специалисты рекомендуют устанавливать фотоэлементы на солнечной стороне. Существуют также поворотные системы, они автоматически отслеживают положение Солнца и поворачиваются по мере его перемещения по небосводу.

Изменения температурного режима

Многие ошибочно считают, что чем выше поднимаются столбики термометра, тем более эффективно работают солнечные системы. Производительность панелей зависит от угла падения лучей и их освещённости. Из-за высоких температур, элементы, наоборот, могут выйти из строя.

Нередко системы работают эффективнее в зимнее время года, когда солнце светит не так сильно, зато температура на улице не критическая. Чтобы избежать перегрева панелей в летний зной, рекомендуется устанавливать их с небольшими зазорами. Циркулирующий воздух будет их немного охлаждать.

Зазоры помогают избежать перегрева батарей.

Возможные загрязнения

Пыль, грязь, опавшие листья, влага, снег – всё это загрязняет поверхности фотоэлементов. В результате эффективность солнечных панелей существенно снижается. Нужно регулярно чистить панели, протирать их, убирать снег. Кроме того, существуют специальные составы, которыми покрывают поверхность элементов, чтобы сократить загрязнения.

Угол наклона элементов

Получить максимальное КПД при работе солнечных панелей можно в том случае, если лучи солнца будут падать на них под прямым углом. Специалисты советуют в зависимости от сезона выставлять элементы так, чтобы солнце находилось перпендикулярно над ними.

Выгода от установки солнечных систем

Долговечность данных систем объясняется тем, что в них отсутствуют подвижные части. При правильной эксплуатации панели должны служить не менее 25 лет. Через какое-то время затраты на покупку и установку фотоэлементов окупятся, и владелец начнёт получать электроэнергию совершенно бесплатно.

На то, как быстро солнечные системы начнут приносить выгоду, влияют такие моменты:

1. Регион установки панелей. Там, где больше солнечных дней, система будет работать эффективнее.
2. Тип панелей, их количество.
3. Наличие дополнительного оборудования, его стоимость. При установке аккумулятора, инвертора, контроллера панели будут работать эффективнее и прослужат дольше. Естественно, стоимость всей системы возрастёт, при этом увеличится и срок её эксплуатации.

Как можно заметить, получить выгоду от установки солнечной системы удастся лишь при её правильной эксплуатации. Если соблюдать все рекомендации, следить за состоянием фотоэлементов, обеспечить им хорошие условия работы – вложения быстро окупятся, а панели будут служить верой и правдой вплоть до 50 лет. В противном случае КПД системы может существенно упасть, и смысл от её установки потеряется.

Источник