Показатели эффективности солнечной батареи

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.

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

От чего зависит КПД солнечных батарей?

На сегодняшний день создание эффективных фотоэлектрических систем является одним из главных направлений альтернативной энергетики. Главной инженерной проблемой отрасли выступает постоянный поиск методов и материалов, способных повышать КПД солнечных элементов. Добиться этого вполне реально, ведь теоретически возможный предел для полупроводниковой технологии превышает ныне достигнутый более чем в 3 раза.

КПД современных солнечных батарей

Нынешний показатель эффективности 15-30% в массовом производстве панелей пока очень далек от теоретически возможного уровня 85-88%. Проблема в его достижении связана с высокой долей вынужденных потерь, возникающих на разных стадиях преобразования потока фотонов в электрический ток.

Существенно на объем потерь влияют:

• физические особенности p/n-перехода для различных типов полупроводников;
• оптические законы преломления и поглощения света;
• показатели внешней температуры и влажности;
• положение рабочих поверхностей относительно солнца и т.д.

Влияние на производительность материала ячеек

В зависимости от использованных в конструкции полупроводниковых материалов, номинальный КПД солнечных панелей составляет:

1. Аморфный кремний, A-Si. Долгое время эффективность преобразования не превышала 5-7%, но с переходом на тонкопленочные технологии поднялась до 14-16%. КПД довольно стабилен, поскольку «рыхлая» по форме поверхность ячеек хорошо поглощает даже слабый или рассеянный свет.
2. Поликристаллический кремний, Poli-Si. Номинальные показатели находятся в диапазоне 19-21%. Падение производительности при неблагоприятных световых условиях среднее, что обеспечивается разнонаправленным расположением кристаллов поглощающего слоя.
3. Монокристаллический кремний, Mono-Si. Обеспечивает самый высокий выход энергии при идеальных условиях освещения, до 24%. При изменении положения относительно солнца и высоких температурах КПД таких солнечных батарей значительно снижается.
4. Теллурид кадмия, Cd-Te. Фотоэлектрические элементы этого типа быстро набирают популярность благодаря сочетанию высокой средней эффективности и низкой цены. Более стабильная производительность, чем у чистых кристаллических кремниевых модулей, достигается идеальной шириной запрещенной зоны p/n-перехода. Коэффициент полезного действия немного меньше поликристаллов, но среднегодовая отдача выше.
5. Редкоземельный сульфид меди/индия/галлия, CIGS. Благодаря возможности многослойной компоновки ячеек, способны добиваться максимального поглощения на уровне до 40% и выше. Широко используются в аэрокосмической промышленности, но «на земле» почти не применяются из-за высокой цены.
6. Фотовольтаика третьего поколения. В качестве полупроводников использует органику, сложные полимеры или материалы на квантовых точках. Дешевые, простые в производстве и обладают фантастическими способностями поглощения. Несмотря на сравнительно низкий КПД в диапазоне 6-15%, эти солнечные элементы уже сегодня могли бы получить широкое применение, если бы не короткий срок службы. Нынешний рекорд устойчивости не превышает 2000 часов, или менее 3 месяцев, что недостаточно для массового производства и применения.

Влияние на КПД солнечных электростанций сторонних факторов

Эффективность панелей после сборки, связанная с их конструктивными особенностями, остается неизменной. Совсем иначе дело обстоит с постоянно меняющимися внешними факторами воздействия.

1. Уровень освещения. Оказывает максимальное воздействие на все фотоэлектрические системы. При полном отсутствии света абсолютное большинство современной фотовольтаики не функционирует вообще. Исключение составляют экзотические варианты с дополнительным слоем люминофора длительного свечения.
2. Направление на солнце и рассеянный свет. При больших углах наклона наибольшее падение реального КПД происходит у монокристаллических солнечных панелей. Минимальное воздействие ухудшение условий освещения оказывает на редкоземельные тонкопленочные батареи.
3. Падение тени. Особенно неблагоприятно сказывается на кристаллических модулях, вплоть до вероятности выхода их из строя. Пленочные конструкции страдают от этого меньше.
4. Осадки. Сами по себе дождь, снег или град практически не изменяют эффективность преобразования. Единственная опасность состоит в возможном механическом повреждении защитного слоя, что грозит потерей герметичности и возникновением эффекта PID.
5. Температурные колебания. Наиболее опасны для модулей быстрые смены циклов замерзания/оттаивания. Низкие температуры изменения в КПД солнечных батарей не вызывают. Однако к высоким очень чувствительны Poli-Si, и особенно Mono-Si. С превышением показателя +25°C монокристаллы начинают терять эффективность примерно на 0,5% с каждым градусом. Нагрев поверхностного слоя до 60-70°C, что часто бывает летом в жарких регионах, приводит к потере 20% номинальной производительности.

Остается надеяться, что в следующих поколениях солнечных электростанций их КПД будет зависеть от внешних факторов минимально.

Источник

Что влияет на КПД и эффективность работы солнечных батарей?

Сегодня идёт много разговоров вокруг такого понятия, как КПД гелиосистем. Это один из ключевых критериев при оценке эффективности работы солнечных батарей. Увеличение этого показателя является главной задачей на пути снижения затрат на преобразование солнечной энергии и расширения использования гелиосистем. Низкий КПД солнечных батарей является их основным недостатком. Квадратный метр современных фотоэлементов обеспечивает выработку 15─20 процентов от мощности солнечного излучения, попадающего на него. И это при самых благоприятных условиях эксплуатации. В результате для обеспечения необходимого энергоснабжения требуется установка множества солнечных панелей большой площади. Насколько эффективно такое оборудование и от чего зависит его КПД, постараемся разобраться в этой статье. А также поговорим о сроке службы и окупаемости солнечных панелей.

Виды солнечных фотоэлементов и их КПД

В основе функционирования солнечных панелей лежат свойства полупроводниковых элементов. Падающий на фотоэлектрические панели солнечный свет фотонами выбивает с внешней орбиты атомов электроны. Образовавшееся большое количество электронов обеспечивает электрический ток в замкнутой цепи. Одной или двух панелей для нормальной мощности недостаточно. Поэтому несколько штук объединяют в солнечные батареи. Для получения необходимого напряжения и мощности их подключают параллельно и последовательно. Большее число фотоэлементов дают большую площадь поглощения солнечной энергии и выдают большую мощность.

Теперь непосредственно о самом КПД. Эта величина вычисляется делением мощности электроэнергии на мощность солнечной энергии, попадающей на панель. У современных солнечных батарей эта величина лежит в интервале 12─25 процентов (на практике не выше 15%). Теоретически можно поднять КПД до 80─85 процентов. Такая разница существует из-за материалов для изготовления панелей. В основе лежит кремний, который не поглощает ультрафиолет, а лишь инфракрасный спектр. Получается, что энергия ультрафиолетового излучения уходит впустую.

Одним из направлений повышения КПД является создание многослойных панелей. Такие конструкции состоят из набора материалов, расположенных слоями. Подбор материалов осуществляется так, чтобы улавливались кванты различной энергии. Слой с одним материалом поглощает один вид энергии, со вторым – другой и так далее. В результате можно создавать солнечные батареи с высоким КПД. Теоретически такие многослойные панели могут обеспечить КПД до 87 процентов. Но это в теории, а на практике изготовление подобных модулей проблематично. К тому же они получаются очень дорогие.

На КПД гелиосистем также влияет тип кремния, используемого в фотоэлементах. В зависимости от получения атома кремния их можно разделить на 3 типа:

• Монокристаллические;
• Поликристаллические;
• Панели из аморфного кремния.

Панель из аморфного кремния

От чего зависит эффективность работы солнечных батарей?

На эффективность работы солнечных батарей оказывают влияние несколько факторов:

• Температура;
• Угол падения солнечных лучей;
• Чистота поверхности;
• Отсутствие тени;
• Погода.

При работе фотоэлементы нагреваются, и это отрицательно сказывается на эффективности их работы. Чтобы избежать потерь при преобразовании энергии следует оставлять пространство панелями и поверхностью, где они закреплены. Тогда под ними будет проходить поток воздуха и охлаждать их.

Монтаж солнечных батарей

Важно сделать правильную установку батарей. Это означает, что на них не должна падать тень. Иначе эффективность системы в целом будет сильно снижаться. Крайне желательно устанавливать фотоэлементы на южной стороне.

Что касается погоды, то от неё также зависит очень многое. Чем ближе ваш регион к экватору, тем большая плотность излучения будет попадать солнечного излучения на панели. В нашем регионе зимой эффективность может упасть в 2─8 раз. Причины как в уменьшении солнечных дней так и в снеге, попадающим на панели.

Срок службы и окупаемость солнечных панелей

В гелиосистемах нет никаких подвижных механических частей, что делает их долговечными и надёжными. Срок эксплуатации подобных батарей 25 лет и дольше. Если их правильно эксплуатировать и обслуживать, то они могут прослужить и 50 лет. Кроме этого, в них не бывает каких-то серьёзных поломок и от владельца требуется лишь периодически чистить фотоэлементы от грязи, снега и т. п. Это требуется для увеличения КПД и эффективности гелиосистемы. Длительный срок службы зачастую становится определяющим при решении покупать или нет солнечные батареи. Ведь после прохождения срока окупаемости, электроэнергия от них будет бесплатной.

Установка солнечных батарей на крыше

А срок окупаемости существенно меньше, чем срок службы. Но многих останавливает первоначальная стоимость батарей. Вкупе с низким КПД у многих людей это вызывает сомнения в выгодности приобретения гелиосистем. Поэтому решение здесь нужно принимать с учётом погоды и климата в вашем регионе, условий использования и т. п.

На срок окупаемости оказывают влияние следующие факторы:

• Тип фотоэлементов и оборудования. На окупаемость оказывает влияние как величина КПД, так и первоначальная стоимость фотоэлементов;
• Регион. Чем выше интенсивность солнечного света в вашей местности, тем меньше срок окупаемости;
• Цена оборудования и монтажа;
• Цена электроэнергии у вас в регионе.

• Южная Европа ─ до 2 лет;
• Средняя Европа – до 3,5 лет;
• Россия ─ в большинстве регионов до 5 лет.

Эффективность солнечных коллекторов для сбора тепла и батарей для получения электрической энергии постоянно увеличивается. Правда не так быстро, как хотелось бы. Специалисты отрасли занимаются повышением КПД и снижением себестоимости фотоэлементов. В итоге всё это должно привести к уменьшению срока окупаемости и широкому распространению солнечных батарей.

Разработки, направленные на увеличение КПД солнечных батарей

В последние годы учёные по всему миру заявляют о разработке технологий, увеличивающих КПД солнечных модулей. Не все из них являются применимыми к реальным условиям эксплуатации, но некоторые из них заслуживают внимания. Так, в прошлом году специалисты Sharp разработали фотоэлектрические элементы с эффективностью 43,5 процента. Такое увеличение было получено благодаря установке линзы, которая фокусирует получаемую энергию прямо в элементе.

Устройство фотоэлементов Sharp

Физики из Германии 3 года назад разработали фотоэлемент, площадь которого всего несколько квадратных миллиметров. Он состоит из четырёх слоёв полупроводников. Полученных ими КПД составил 44,7 процента. Здесь эффективность была увеличена за счёт размещения в фокус вогнутого зеркала.

В Стэнфорде был получен жаропрочный композит, который может быть использован для увеличения производительности фотоэлектрических панелей. В теории можно получить КПД близкий к 80 процентам. Этот композитный материал может перевести высокочастотное излучение в инфракрасный спектр, за счёт чего резко увеличивается эффективность.

Другие британские специалисты разработали технологию, которая увеличивает эффективность фотоэлементов на 22 процента. На гладкой поверхности гибких панелей они нанесли алюминиевые шипы наноразмера. Алюминий рассеивает солнечный свет, поэтому был выбран он. В результате увеличивается количество энергии солнца, которое поглощается фотоэлементом. За счёт этого удалось добиться увеличения эффективности.
Вернуться к содержанию

Источник