Характеристики солнечных батарей

Солнечные батареи, которые также называют солнечными панелями или солнечными модулями, строятся из отдельных фотоэлектрических преобразователей (так называемых солнечных элементов), которые соединяются друг с другом в последовательные и параллельные цепи, в совокупности работающие как единый источник тока.

Собственно одна панель может рассматриваться как источник тока. Несколько солнечных панелей образуют автономную солнечную электростанцию, которая может быть малой (если речь идет например о частном доме) или большой (если речь идет о промышленной солнечной электростанции) мощности. Размер солнечной станции зависит от ее назначения и от нужд ее потребителя.

Одна солнечная панель обычно содержит количество элементов кратно 12, а именно: 12, 24, 36, 48, 60 или 72 солнечных элемента. Номинальная мощность одной такой панели обычно лежит в диапазоне от 30 до 350 ватт. Соответственно размер и вес панели тем больше, чем больше ее номинальная мощность.

На сегодняшний день реальный КПД солнечных батарей, доступных широкому потребителю, лежит в пределах от 17 до 23%. Есть отдельные экземпляры, декларирующие КПД до 24%, но это скорее исключения и преувеличения. Лаборатории по всему миру стремятся разработать солнечные элементы, КПД которых хотя бы приблизился к 30% — это было бы очень хорошим результатом для источника энергии данного типа, если смотреть на вещи реально.

Солнечные батареи на базе кремния, как альтернативный источник электрической энергии, проверены временем, они отличаются надежностью и безопасностью, компактностью и относительной доступностью. Срок их нормальной эксплуатации доходит до 30 лет и даже превышает. Хотя, справедливости ради стоит отметить, что кремниевые фотоэлектрические элементы со временем деградируют, это выражается в снижении получаемой при полном освещении мощности примерно на 10% от первоначального номинала за каждые 10 лет активной эксплуатации.

То есть если в 2019 году приобреталась новая солнечная панель на 300 Вт, то к 2039 году она будет способна выработать максимум 240 Вт. По этой причине следует вычислять установленную мощность системы с определенным запасом по току. Что касается тонкопленочных элементов, то они временем не проверены, но специалисты утверждают, что скорость деградации в первые же годы у них многократно выше чем у монокристаллических и поликристаллических кремниевых элементов.

При нормальной эксплуатации ни замена элементов, ни какое бы то ни было иное специальное обслуживание монокристаллическим и поликристаллическим солнечным панелям не требуется. Они просты в установке, не содержат движущихся частей, их поверхность обращенная к солнцу всегда имеет защитное механически прочное покрытие.

Вольт-амперная характеристика солнечных батарей снимается в лабораторных условиях при производстве и приводится в спецификации. Стандартный тест проводится при радиации 1000 Вт/кв.м при температуре окружающего воздуха 25°С, как на широте 45°.

Здесь можно видеть крайние точки ВАХ, в которых снимаемая с батареи мощность обращается в ноль. Напряжение холостого хода — Voc — это максимально доступное напряжение на выходе батареи при разомкнутой цепи нагрузки. Ток при коротко замкнутой цепи нагрузки — Isc – это, соответственно, ток при нулевом выходном напряжении.

Практически батарея всегда работает в неком оптимальном режиме где-то посередине между этими двумя точками. В оптимальной точке MPP — максимальная мощность нагрузки. Номинальное напряжение для точки максимальной мощности обозначается Vp, а номинальный ток для данной точки — Ip. В этой точке определяется и КПД солнечной панели.

В принципе солнечная батарея способна работать в любой точке ВАХ, однако для получения максимальной эффективности полезно использовать точку наивысшей мощности, поэтому солнечные панели никогда не питают нагрузку напрямую. Для достижения лучшей эффективности, между солнечной батареей и аккумуляторами (инвертором) следует подключить контроллер заряда с технологией MPPT, который всегда будет работать в точке максимума доступной мощности при любой текущей интенсивности солнечного освещения.

Источник

Размеры солнечных батарей и другие их параметры: на что необходимо обратить внимание?

В предварительном расчете любой СЭС одной из важнейших характеристик являются размеры солнечных батарей. Исходя из длины, ширины и общего количества этих элементов будет определяться конфигурация их размещения на крыше или участке. Не менее принципиален и ряд других параметров – тип полупроводникового материала ячеек, категория качества, мощность панелей и станции в целом, и т.д. Поэтому перед покупкой следует внимательно изучить все основные показатели.

Площадь солнечной батареи и габариты отдельных ячеек

Гелио модуль представляет собой гибкую или жесткую конструкцию прямоугольной формы, основу которой составляют ряды полупроводниковых ячеек. Каждая из них генерирует напряжение около 0,5-0,6V и может иметь различные типоразмеры. Наиболее распространены следующие варианты габаритов (в миллиметрах):

Например, модуль Sunways ФСМ-270П из 60 ячеек (по 10 в длину и 6 – ширину) размером 156 × 156 мм каждая имеет размеры, с учетом рамы, 1640 × 992 мм. Площадь такой солнечной панели составит чуть больше 1,6 м2.

При монтаже необходимо устанавливать модули таким образом, чтобы не допустить частичного затенения одним рядом батарей соседнего. В связи с этим на одну панель 250 – 400 ватт обычно выделяется 1,5 — 2 квадратного метра пространства.

Устройство солнечной панели

Конструктивно каждый модуль состоит из следующих составляющих:

• жесткая или гибкая подложка;
• несколько рядов уложенных вплотную полупроводниковых ячеек, разделенных токопроводящими дорожками;
• рама по периметру, удерживающая ячейки вместе (в некоторых современных моделях отсутствует);
• полностью герметичное, защитное поверхностное стеклянное или полимерное покрытие с антибликовыми свойствами;
• выходные кабели для подключения к соседним модулям и электрической сети.

От размера и КПД солнечных батарей зависит их совокупная мощность. В настоящий момент выпускаются панели от десятых долей до 500 ватт. Наиболее легкие и компактные варианты используются в небольших автономных устройствах – часах, фонариках, туристических «кейсах» и т.д. Полноразмерные крупные модули служат основой частных и промышленных солнечных электростанций производительностью от нескольких сотен до миллионов киловатт-часов.

Виды солнечных батарей и их особенности

На эффективность фотоэлектрических ячеек огромное влияние оказывает тип полупроводника, отвечающего за преобразование излучения в электрический ток. Сегодня на рынке преобладают панели, созданные на базе:

• монокристаллического кремния Mono-Si;
• поликристаллического кремния Poli-Si.

Значительно реже в устройстве солнечных панелей применяются малопроизводительный аморфный кремний, редкоземельные элементы (например, теллурида кадмия Cd-Te) и дорогостоящие «аэрокосмические» германиево-галлиевые батареи типа CIGS. На стадии прототипов активно исследуется фотовольтаика следующего поколения, с использованием органики и минеральных перовскитов.

1. Монокристаллические.

Изготавливаются из выращенных методом Чохральского кремниевых кристаллов высокой степени очистки. Выдают максимальный КПД 22-24% при идеальных условиях освещения – ярком солнце, ориентации на юг и оптимальных углах наклона. Рекомендуются к установке в наиболее солнечных регионах на крышах домов и земляных участках, позволяющих провести размещение, близкое к оптимальному. Эффективный срок службы 25-30 лет.

2. Поликристаллические.

Отличаются от монокристаллов другим методом кристаллизации. Технология выращивания делает рабочую поверхность не гладкой, а «игольчатой». Это несколько снижает продуктивность поглощения при прямом солнце, но повышает (по данным многих исследований) производительность в не самых благоприятных условиях. При работе в средней полосе, при неидеальном положении относительно солнца среднегодовая генерация солнечных панелей данного вида с КПД 18-20% лишь немного уступает Mono-Si. Срок службы составляет 20-25 лет, но цена таких батарей на 8-10% ниже.

3. Тонкопленочные.

Такие виды солнечных панелей последних поколений тоньше и легче классических моделей, за счет гибкости могут устанавливаться на криволинейные поверхности. Они наименее чувствительны к ухудшению условий освещения и обладают самым низким температурным коэффициентом. Максимально удобны в миниатюрных мобильных солнечных станциях, активно используются автотуристами и любителями многодневных походов пешком или на лодках.

Категории качества фотоэлектрических панелей

Помимо размера, номинальной мощности и КПД солнечных батарей, критически важной характеристикой является качество их исполнения. На гелио рынке по данному показателю модули делятся на четыре категории.

Первая – Grad A.

Характеризуется наивысшим качеством. Производится компаниями из всемирно известного ТОП рейтинга TIER-1 от Bloomberg. Отличительные черты:

• минимальная степень деградации ячеек со временем;
• идеальная внутренняя кристаллическая структура;
• однородная поверхность без цветовых перепадов и дифракционной картины;
• полное отсутствие сколов, микротрещин и скрытых дефектов.

Вторая – Grad B

Первой категории солнечных батарей по характеристикам уступает незначительно. Отличается:

• наличием небольших перепадов насыщенности цветового оттенка;
• несколько большей скоростью деградации.

Производители – менее престижные, но хорошо зарекомендовавшие себя на рынке компании, преимущественно из юго-восточной Европы, Турции и Китая.

Третья – Grad С

Категория представлена панелями «no name» фирм из Поднебесной или европейской б/у продукцией. Характерные признаки:

• визуально различимые небольшие поверхностные дефекты;
• цветовая неоднородность поверхности;
• невысокий срок эксплуатации.

Несмотря на существенно сниженную стоимость, для полноценных новых СЭС использовать такую продукцию не рекомендуется.

Четвертая – Grad D

Включает все виды солнечных батарей с низким КПД и непредсказуемым сроком службы. Отличительные черты:

• большое количество явных дефектов;
• некачественная пайка;
• сильные перепады цвета.

Ввиду невозможности оценить эффективность и длительность использования, покупка нежелательна даже для второстепенных целей. Приобретаются обычно на запчасти.

Солнечные батареи – прочие важные характеристики

Среди прочих наиболее принципиальных параметров фотоэлектрических панелей выделяют следующие показатели.

Представляет собой допустимое положительное и отрицательное отклонение от номинальной мощности. Например, обозначение 300  3 Вт означает толеранс, соответствующий 1%.

2. Температурный коэффициент.

Одной из особенностей полупроводниковых ячеек является снижение эффективности при сильном перегреве панелей. Для элементов на базе кремния падение составляет около 0,4-0,5% на каждый градус выше 25°C. Под прямыми лучами летнего солнца рабочая поверхность способна нагреваться до 65-75°C, что соответствует снижению КПД на 20-25%. Редкоземельные солнечные батареи малочувствительны к высоким температурам, их температурный коэффициент в несколько раз ниже.

Диапазон рабочих температур всех типов высококачественных модулей примерно одинаков и колеблется в пределах от – 45°C до +90°C.

С течением времени фотоэлектрические ячейки постепенно теряют свою эффективность. На графике процесс деградации выглядит как гиперболическая кривая. У качественных панелей категории Grad A падение производительности составляет 2-3% в первый год, до 10% за 10 лет и до 20% спустя 25-30 лет. Солнечные батареи не столь высокого качества деградируют быстрее.

4. Фотоэлектрическая чувствительность к интенсивности освещения.

Худшими показателями в этой категории обладают монокристаллические ячейки, у которых снижение эффективности при падении яркости освещения максимально. Поликристаллические элементы на 3-4% менее чувствительны.

5. Удельная эффективность.

Измеряется как отношение номинальной мощности к единице площади. У монокристаллов она максимальна, поскольку эти солнечные панели характеризуются наивысшим КПД и сроком эксплуатации. Для достижения тех же показателей СЭС на базе Poli-Si потребуется большая площадь и размеры отдельных модулей.

6. Защитное покрытие.

В дешевых моделях лицевая рабочая сторона закрывается обычным стеклом. Дорогостоящие модули премиального класса комплектуются сверхпрочной каленой разновидностью. Сами ячейки покрываются специальной пленкой EVA, а тыльная часть батареи – полиэтиленом высокой плотности ПЭТ.

Источник

Солнечные панели (батареи): виды свойства и принцип действия

Солнечные батареи (солнечные панели) относятся к альтернативным источникам энергии. Они состоят из солнечных элементов, которые преобразуют солнечный ( и не только) свет в электричество. А полный комплект состоящий из солнечных панелей, инверторов, аккумуляторов, контроллеров называется солнечной электростанцией. Может показаться, что у таких устройств нет недостатков, но перед покупкой и установкой следует изучить основные характеристики. Это позволит ответить на вопрос, как подобрать солнечные батареи для дома с учетом Ваших нужд, ведь стоимость одного комплекта достаточно высокая.

Область применения

Сегодня отсутствуют ограничения на использование солнечных батарей. Это обусловлено их преимуществами, в частности, выработкой достаточного количества электроэнергии для энергообеспечения всего объекта или решения локальных проблем (применения в качестве элемента питания и пр.). Освещение – это пока основное направление применения таких модулей. Реже их используют для обогрева, причем в большинстве случаев солнечные батареи обсуживают малогабаритные объекты. Их применяют:

• в частных и многоквартирных домах;

Применение солнечных батарей в многоквартирных домах

• коммерческих зданиях;

Использование солнечных панелей на промышленных зданиях

• теплицах;

Солнечная энергетика в аграрном секторе

• на придомовой территории.

Крытый навес из солнечных панелей

Условия, при которых предпочтительно устанавливать такие модули:

• для обогрева/освещения местности, где отсутствуют ЛЭП, в данном случае применение преобразователей солнечной энергии позволит сократить затраты на энергообеспечение объекта, это более выгодный метод, если сравнивать с применением дизельных генераторов;
• в некоторых многоквартирных домах, построенных за последние годы, использовался альтернативный источник энергии (в системах водоснабжения) или в качестве резервного;
• в местности (селах, деревнях) время от времени случается отключение электричества, такие модули позволяют обеспечить бесперебойную работу техники.

Сколько служат солнечные батареи?

Производители часто указывают срок эксплуатации – 20-30 лет (в среднем -25 лет). На протяжении указанного периода устройство может работать без потери мощности, сбоев. Однако это не значит, что по окончании данного срока модули перестанут функционировать. Это заблуждение, т. к. солнечные батареи могут служить намного дольше (до 60 и более лет, как первая из запущенных в эксплуатацию конструкций). Только в данном случае будет постепенно снижаться производительность. Но скорость развития этого процесса низкая. Так, за 10 лет батареи могут потерять не более 10% мощности.

При регулярной эксплуатации, максимальной нагрузке модули быстрее теряют свойства. Чтобы остановить этот процесс, а также увеличить срок службы устройства, рекомендуется придерживаться рекомендаций:

• обеспечение защиты фотоэлементов: необходимо снизить вероятность механического повреждения, солнечные батареи нужно устанавливать на участках, где риск падения деревьев нулевой, а также уровень воздействия ветровой нагрузки умеренный (что позволит исключить срыв ветром);
• установка на открытой местности ветрозаградительных конструкций;
• выполнение обслуживания, своевременная очистка модуля от сора.

В продаже есть также готовые комплекты – устанавливаются преимущественно для энергообеспечения частного жилья. Они состоят из батарей, силовой электроники. Длительность эксплуатации каждого из элементов, узлов разная. Так, батареи могут прослужить 2-15 лет, силовая электроника – до 20 лет.

Виды солнечных панелей

Солнечные батареи функционируют долго, могут вырабатывать постоянный ток, даже если погода пасмурная. Вместе с тем появляется возможность предупредить возникновение скачков напряжения. Как результат, техника на объекте, подключенная к такому источнику электроэнергии, служит дольше, т. к. созданы более щадящие условия эксплуатации (исключается риск повышения, падения напряжения, отключение питания).

Модуль представляет собой панель, состоящую из нескольких преобразователей, объединенных между собой. Чтобы изменить характеристики солнечной батареи, добавляют такие конструкции. Но эффективность работы подобных устройств зависит не только от количества модулей, а еще и от того, насколько правильно была выполнена установка (учитывают углы наклона панелей, интенсивность солнечного освещения на участке). Модули представлены видами:

• Монокристаллические. Производятся из чистого материала – монокристаллического кремния. Его отличает высокие показатели эффективности. Причем КПД солнечных элементов – около 22%, а панелей на их основе – не более 18%. Такие модули рекомендуется применять в местности, где уровень освещенности часто низкий.

Монокристаллическая солнечная панель

• Поликристаллические. По стоимости они предпочтительнее, т. к. производятся из мультикристаллических пластин. Еще одна причина низкой цены – недостаточно высокая производительность. Рекомендуется применять такие модули, если в местности сравнительно одинаковый уровень освещенности в разное время, отсутствуют резкие перепады.

Поликристаллические солнечные панели

• Аморфные. Другое название – тонкопленочные солнечные батареи. Они отличаются универсальным действием (применяются на разных объектах, в различных целях). Могут устанавливаться там, где жаркое солнце внезапно сменяется облачной погодой. Теоретически аморфные панели в будущем будут использоваться не только на крышах, но и на сумках, других бытовых изделиях. Минусом таких панелей является более низкая производительность, если сравнивать с поли-, монокристаллическими.

Тонкопленочные (аморфные) солнечные панели

• Гетероструктурные. Считаются наиболее эффективными, их КПД достигает 25%. Панели вырабатывают электроэнергию при солнечной и пасмурной погоде. В России такую продукцию представляет марка «Хевел». Компания-производитель разрабатывает и внедряет собственную технологию производства гетероструктурных панелей.

Гетероструктурные солнечные панели

Основные элементы конструкции:

• аккумулятор, позволяющая устранить перепады напряжения, вызванные изменением освещенности панели, а еще одна накапливает энергию;
• инвертор – преобразователь тока (из постоянного в переменный);
• контроллер: обеспечивает стабильную работу модуля, т. к. контролирует все параметры (температуру, зарядное напряжение аккумулятора и др.).

В продаже встречаются готовые системы, а также отдельные элементы для сбора с учетом собственных потребностей.

Как работают солнечные батареи

Солнечный свет попадая на элементы солнечных панелей, преобразуется в постоянный электрический ток. Инвертор преобразовывает постоянный ток в переменный ( в привычные нам 220в), а он, попадая в контроллер, отправляется к потребителям (бытовой технике, осветительных устройств). Аккумулятор же выполняет роль буфера между солнечными батареями и инвертером. Мощность инверторов может быть разной: 250-8000 Вт. Главные параметры, на которые следует обращать внимание: напряжение, мощность. Причем нужно не просто изучить характеристики, а соотнести эти параметры друг с другом. Отмечают наиболее подходящие варианты, исходя из напряжения (В) и мощности (Вт):

• 12 В, 600 Вт;
• 24 В, 600-1500 Вт;
• 48 В, от 1500 Вт и выше.

Существующие разновидности преобразователей:

1. Автономные. Функционируют без подключения к основной энергосети. При выборе автономных преобразователей учитывают мощность всей подключаемой техники. Дополнительно делают запас, т. к. некоторые устройства при включении создают повышенную нагрузку из-за существенных значений пусковых токов.
2. Синхронные. Модуль подключен к основной энергосети. Он также оснащен аккумуляторной батареей, имеет свойство накапливать энергию. Излишки «сбрасываются» обратно в сеть. При возникновении перебоев (отмечается недостаток электроэнергии), модуль снова получает требуемое количество от основного источника.

Существуют также многофункциональные устройства. Они объединяют возможности первого и второго варианта. Кроме того, различают преобразователи по форме сигнала напряжения:

• синусоида: модули с таким элементами стоят дороже, т. к. обеспечивают более высокое качество тока, появляется возможность подключить крупногабаритную технику;
• прямоугольный: недорогие преобразователи, чаще всего используются для обеспечения питания осветительных приборов, многие виды техники несовместимы с источниками напряжения данной формы;
• псевдосинусоидальный: представители низкой ценовой категории, т. к. качество сигнала ниже, чем в первом случае, они подключаются к любым приборам.

Стоимость комплекта, обзор технических характеристик

Цена устройства формируется с учетом комплектующих:

• модуль;
• аккумуляторная батарея;
• контроллер;
• инвертор;
• кабель;
• клеммы;
• стеллаж.

Цена солнечных батарей разная. В зависимости от комплектующих стоимость меняется в пределах диапазона: от 300 тыс. руб. до 2 млн руб. Малогабаритные изделия для локального применения можно приобрести и за 10 тыс. руб., однако их допустимо применять для простейших нужд (в качестве элемента питания и др.). При выборе устройства обращают внимание на параметры:

• энергоэффективность;
• габариты панелей (могут составить несколько метров по одной стороне);
• мощность;
• температурный коэффициент (оказывает влияние на мощность и другие электрические параметры).

Несмотря на высокую стоимость, солнечные батареи приобретают достаточно часто. Это обусловлено сравнительно быстрой их окупаемостью. Срок возврата затраченных средств зависит от количества потребителей. Для сравнения, панели, обслуживающие дом, где проживает семья из 4 человек, окупятся уже через 4 года (средний показатель).

Для удовлетворения простых нужд может быть достаточно панелей «Хевел» сетевой солнечной электростанции мощностью не выше 5 кВт. Их допустимо устанавливать на крыше частного дома, объектах малого и среднего бизнеса (кафе, небольшие магазины, павильоны, гостевые дома). Такой способ позволяет снизить затраты на электроэнергию от основного источника.

Однако самостоятельно сложно понять, какой комплект следует приобрести. Не всегда просто рассчитать и достаточную мощность солнечных батарей. Если выбор пал на панели «Хевел», консультант поможет подобрать модель. От компании приходит специалист, ориентируется на месте: делает замеры, расчеты. Дома останется выполнить пусконаладочные работы. Производитель «Хевел» предоставляет гарантию (до 25 лет) на все комплектующие, а также модули.

Коллекторы: получение тепла из солнечной энергии

Солнечные батареи могут применяться для обогрева объектов, нагрева жидкости. Возможность получения тепла обусловлена способностью батареи накапливать энергию. Это позволяет повышать температуру теплоносителя в трубах, за счет чего обеспечивается не только нагрев жидкости, но и обогрев всего объекта. Солнечные коллекторы функционируют по определенной схеме. Их основные элементы конструкции:

• насосная станция;
• бак-аккумулятор;
• контроллер;
• трубы и фитинги.

• плоские: состоят из плоского абсорбера, покрытия, теплоизолирующего слоя;
• вакуумные (трубчатые): состоят из стеклянной колбы, теплоизоляционный материал заменен на вакуум, который заполняет емкость (в ней также находится абсорбер).

У второго варианта есть существенное преимущество – низкие теплопотери. По этой причине вакуумные коллекторы применяются повсеместно там, где не могут быть установлены плоские аналоги.

Обзор производителей

Лидером продаж является продукция китайских марок. Это обусловлено их доступностью. Для сравнения, цена китайских солнечных батарей в 2 раза ниже, чем немецких со сходными характеристиками. Популярные марки:

• Suntech Power Ко;
• Yingli Green Energy;
• HiminSolar.

Распространены также отечественные панели марок:

• «Sun Shines» (ООО «Автономные Системы Освещения»);
• ООО «Хевел»;
• ОАО «Рязанский завод металлокерамических приборов»;
• «Телеком-СТВ»;
• ЗАО «Термотрон-завод» и др.

Как выполнятся монтаж

Выбирают место, где будут фиксироваться панели. Оценивают факторы:

• тень: следует найти наиболее ярко освещаемый на протяжении всего дня участок;
• ориентация по сторонам света: если объект расположен на севере, модуль располагают лицевой панелью к югу и, наоборот;
• угол наклона: он должен соответствовать широте, в которой находится объект (в зависимости от положения относительно экватора осуществляется коррекция 12°).

Крепить панели можно на крыше дома или при помощи специальных ферм. В первом случае достаточно зафиксировать профили. К ним уже крепят модули при помощи болтового соединения. Когда же солнечные батареи монтируются на специальных конструкциях (фермах), этапы работ будут отличаться:

1. Выполняется сборка профилей, уголков.
2. Подготавливают болты нужного размера, инструмент.
3. Фиксируют панели так, чтобы не было люфта между ними и опорной конструкцией.

Подключение электроники предполагает необходимость присоединения батареи посредством проводов. Соединяют контроллер, инвертор согласно схеме. На последнем этапе вся конструкция подключается к потребителю (обслуживаемому объекту).

Итоги: есть ли перспективы развития альтернативного источника энергии

Сегодня многие страны ведут разработку различных проектов: подключение панелей в космическом пространстве, монтаж дорожных покрытий. К слову, уже сейчас создана и функционирует велодорожка, которая за год производит 9800 кВт/ч. Такой проект реализован в Голландии. Его эффективность уже подтверждена практическим путем. Чтобы батарея не повредилась, предусмотрено покрытие толщиной 1 см (прозрачным). Кроме того, в планах разработчиков – создание альтернативного источника питания малых габаритов, характеризующегося высокой производительностью.

Источник