Проект измерение кпд солнечной батареи

КПД солнечных батарей

Наверно, мало найдется сейчас людей, кто бы ни слышал о солнечных панелях и о домашних солнечных электростанциях. Мы сегодня поговорим об экономической целесообразности такового вида энергии, а в частности о том, какое кпд солнечных батарей.

Как устроена солнечная батарея

Все современные солнечные батареи работают благодаря открытию, сделанным физиком Александром Беккерелем в 1839 году — самого принципа работы полупроводников.

Если нагревать кремниевые фотоэлементы на верхней пластине, то атомы кремниевого полупроводника высвобождаются. Их стремятся захватить атомы нижней пластины. В полном соответствии с законами физики, электроны нижней пластины должны вернуться в первоначальное состояние. Этим электронам открывается один путь — по проводам. Сохранённая энергия передается аккумуляторам и возвращается вновь в верхнюю кремниевую пластину.

Где теряется производительность

В сами элементы заложены очень большие возможности. Теоретически, из расчета, КПД солнечной панели может составлять 80–87 %!

Но из практики мы знаем, что их эффективность крайне мала. Коэффициент полезного действия фактически находится в пределах 15–20 %. Именно такую часть электричества способны вырабатывать современные солнечные панели из всего солнечного потока, попадающего на принимающие фотоэлементы.

1. Несовершенство технологии производства.
2. Недостаточно чистые компоненты для изготовления.
3. Погрешности при сборке.

Это всего лишь малая часть тех составляющих причин, куда уходит энергоэффективность.

Также необходимо учитывать и погодные условия. Какая бы современная солнечная панель не была — она не будет эффективно работать, если солнце закрыто облаками или расположено над горизонтом. Эту причину сложно регулировать. Значит единственное средство — повышать эффективность самих панелей.

К этим перечисленным трудностям следует добавить и то, что процесс очистки и получения кристаллов сам по себе – достаточно дорогая процедура. Без этого необходимого комплекса высокотехнологичных работ, трудно добиться ожидаемого эффекта.

Конечно, есть солнечные панели с высоким КПД. Но их конечная стоимость настолько высока, что недоступна для массового покупателя.

Материал для панелей

Все современные системы преобразования солнечной энергии теоретически могут выдавать до 25 %. Эти показатели достигнуты при наиболее благоприятных условиях работы. В реальной жизни этот показатель еще меньше. Практика показывает, что для многих изделий считается хорошим коэффициент полезного действия до 15 %.

Поэтому для промышленного получения электричества, используются значительные площади элементов солнечных батарей.

Немаловажным фактором является сам материал, из которого изготавливаются панели.

В массовом производстве для создания панелей используется кремний. Но проблема как раз в том и состоит, что он работает от солнечного излучения, но воспринимает только инфракрасный спектр излучения. Ультрафиолетовая энергия ими не фиксируется и пропадет напрасно.

Мало того. На КПД солнечной батареи оказывает большое влияние и сам кремний. Вернее тот тип, который применяется в фотоэлементах.

Известно, все панели различаются на три вида, по типу строения кремния:

1. Монокристаллические. КПД таких элементов 10–15 %. По цене наиболее дороже других панелей, но наиболее эффективные. Именно метод, которым наносится кремний, определяет и стоимость конечного продукта.
2. Поликристаллические. Эффективность значительно ниже, но по критерию «цена/качество», конечная стоимость 1 Ватта энергии гораздо ниже. При этом некоторые модели по эффективности не уступают монокристаллам.
3. Тонкопленочные панели. В основе таких устройств — аморфный кремний. При их простоте в изготовлении и доступной цене — наверное, самый массовый вид устройств. Но большинство покупателей отмечают, что КПД таких конструкций очень мал. На уровне 5–6 %. Мало того. В процессе длительной работы этот показатель уменьшается, и отдача фотоэлементов становится еще меньше.

Солнечная погода — существенный фактор, влияющий на производительность. Те же тонкопленочные виды могут стабильно работать и в пасмурную погоду. Но при этом производительность настолько мала, что нужного эффекта трудно достигнуть. Необходим высокий уровень КПД, как у монокристаллов, но с облачностью этот показатель стремительно снижается.

Есть экспериментальная формула, которая наглядно показывает зависимость кпд солнечных батарей от угла, под которым солнечные лучи попадают на поверхность фотоэлементов.

Расчет производительности

Применение солнечной энергии и экономическую рациональность таких концепций обусловливает эффективность всех видов систем солнечных батарей. Прежде всего учитываются затраты, обращённые на преобразование энергии солнца в электрическую.

Насколько окупаемы и эффективны такие системы, определяют и такие факторы как:

• Тип гелиопанелей и сопутствующего оборудования;
• КПД фотоэлементов и их стоимость;
• Климатические условия. В разных регионах — разная солнечная активность. Она же влияет и на срок окупаемости.

Как подобрать нужную производительность

Перед покупкой панелей необходимо знать, какую необходимую эффективность сможет выдавать солнечная батарея.

Если ваш домашний уровень потребления составляет, к примеру, 100 кВт/месяц (по электросчетчику), то целесообразно чтобы гелиоэлементы вырабатывали столько же.

С этим определились. Пойдем дальше.

Понятно, что гелиостанция работает только в дневное время суток. Мало того — паспортная мощность будет достигнута при наличии ясного неба. Кроме этого, пика мощности можно добиться при условии падения лучей солнца на поверхность под прямым углом.

При изменении положения солнца изменяется и угол панели. Соответственно, при больших углах будет наблюдаться заметное снижение мощности. Это только при условии ясного дня. В пасмурную погоду можно гарантировать падение мощности в 15–20 раз. Даже небольшое облачко или дымка вызывает падение мощности в 2–3 раза. Это тоже надо принимать во внимание.

Теперь — как рассчитать время работы панелей?

Рабочий период, при котором батареи смогут эффективно работать практически на всю мощность, составляет примерно 7 часов. С 9–00 до 4–00 вечера. В летнее время световой день больше, но и выработка электричества в утреннее и вечернее время совсем мала — в пределах 20–30 %. Остальная часть, это 70 %, будет вырабатываться, опять-же, в дневное время, с 9 до 16 часов.

Итак, получается, что если панели имеют паспортную мощность 1 кВт, то в самый летний, самый солнечный день выработают 7 кВт/час электроэнергии. При том условии, что проработают с 9 до 16 часов дня. То есть в месяц это составит 210 кВт/час электроэнергии!

Это комплект панелей. А одна панелька мощностью всего-навсего в 100 ватт? За день она даст 700 ватт/час. В месяц 21 кВт.

Плюсы

1. За счет того, что в панелях нет подвижных узлов и элементов, повышается долговечность. Производители гарантируют срок службы в 25 лет.
2. Если соблюдать все регламентные работы и правила эксплуатации работа таких систем увеличивается до 50 лет. Обслуживание довольно несложное — своевременно очищать фотоэлементы от пыли, снега и других естественных загрязнений.
3. Именно долговечность системы — определяющий фактор для покупки и монтажа панелей. После того как все затраты себя окупят, вырабатываемое электричество получится бесплатным.

Самое главное препятствие для широкого применения таких систем — их высокая стоимость. При низком КПД бытовых солнечных панелей, есть серьезные сомнения в экономической необходимости именно в таком способе добычи электроэнергии.

Но опять же, надо разумно оценивать возможности данных систем и, исходя из этого, рассчитывать ожидаемую отдачу. Полностью заменить традиционную электроэнергию не выйдет, но получить экономию, используя и солнечные системы, вполне реально.

Кроме того, сложно не заметить такие выгоды как:

• Получение электричества в самых удаленных от цивилизации районах;
• Автономность;
• Бесшумность.

Минусы

1. Энергетическая установка нуждается в периодическом обслуживании. То есть к ним должен быть постоянный и свободный доступ.
2. Чем выше энергоотдача, тем больше панелей требуется. Из этого вытекает вывод — чем больше элементов, тем больше места им нужно.
3. Выработанное электричество должен хранить аккумулятор. Уровень заряда необходимо постоянно контролировать. А сами аккумуляторы, по всем нормам безопасности, держать в отдельном и вентилируемом помещении.
4. Как уже говорилось, сами элементы в летнее время сильно нагреваются. А это практически вдвое снижает их производительность. Избежать потерь при нагреве можно, если оборудовать дополнительную приточную вентиляцию, или как минимум оставить пространство между панелями и теми поверхностями, на которых они смонтированы. Дополнительные потоки воздуха будут охлаждать работающие элементы.
5. Эффективная работа возможна только при идеальных погодных условиях.
6. Максимум электричества вырабатывается, если выдержан прямой угол падения лучей солнца на поверхность панели. Это условие можно выдержать если снабдить систему автоматическими поворотными механизмами, что накладывает дополнительные затраты на эксплуатацию и ремонт. Механические элементы неизбежно будут выходить из строя.
7. Со временем использования самих панелей, их КПД, естественным образом, уменьшается.
8. Место установки необходимо выбирать таким образом, чтобы все солнечные панели большую часть времени находились на солнце, а не в тени.

Если проектируется полновесное снабжение дома «энергией солнца», на всю систему денег надо много и сразу.

Заключение

Мы провели сравнительный анализ типов солнечных батарей. Насколько они эффективны и окупаемы. Их слабые и сильные стороны. Вывод о целесообразности их применения в быту остается, в конечном итоге, за потребителем.

Видео по теме

Источник

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