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.
Кпд солнечных батарей: эффективность панелей, мощность на квадратный метр
Если вы хотите самостоятельно себя обслуживать электричеством, тогда идеальным вариантом является установка солнечной системы. При помощи размещения солнечных батарей вы сможете перерабатывать солнечный свет на электричество и тем самым покрывать все свои нужды, не прибегая к услугам общей сети.
Но здесь одной или двух батарей будет недостаточно. Придется обзавестись целым комплектом. Чтобы в полном объеме покрывать электрорасходы своего дома, необходимо перед покупкой солнечных батарей ознакомиться с основными техническими характеристиками, а в особенности с показателем чистой выработки (КПД).
Показатель КПД солнечных панелей
КПД – это коэффициент полезного действия, который измеряется в процентах. Для солнечных батарей – это показатель, который определяет, сколько электричества на выходе мы получим при попадании на поверхность панелей солнечного света.
Другими слова – это экономическая целесообразность работы солнечной батареи.
В данный показатель уже включены все затраты, которые направляются на переработку солнечного света в электричество с учетом работы и других дополнительных технических устройств.
Сегодня средний показатель КПД для качественных солнечных панелей находится в пределах от 17 до 21%.
Важно понимать, что эта цифра на выходе не всегда будет в рамках заявленной производителем. Процент эффективности работы панели указывается с учетом соблюдения всех правил, то есть угла наклона солнечных лучей и уровня радиации.
В случае облачной погоды или изменения траектории солнечных лучей в зависимости от времени года показатель КПД будет снижаться.
Поэтому, чтобы не терять электричество, приходится покупать больше солнечных батарей, чтобы исключить риски нехватки энергии на покрытие всех потребностей.
От чего зависит КПД
На высокий процент эффективной выработки электроэнергии батареями влияет множество факторов. Основными из них являются:
- Угол падения солнечного света на поверхность панелей.
- Температурный коэффициент.
- Погодные условия.
- Наличие тени, грязи, снега.
- Затемнение элементов.
Максимальная эффективность солнечных панелей достигается при попадании солнечного света на поверхность модулей под углом 90 градусов, то есть перпендикулярно. При этом, даже если батарея располагается с учетом всех требований угла наклона, поверхность фотоэлементов должна быть чистой и не заслоняться деревьями или другими постройками.
Сегодня можно приобрести солнечную батарею, которая уже оснащена функцией слежения и контроля расположения солнца. То есть панель сама подстраивается под угол падения солнечных лучей. Но подобные устройства достаточно дорого стоят и применяются на промышленных объектах.
При установке солнечных модулей следуйте рекомендациям специалистов. Во-первых, выбирайте южную сторону для размещения конструкций, чтобы избежать попадания тени на них, а во-вторых, соблюдайте угол наклона согласно времени года и региона проживания.
Ведь чем больше солнечного света попадает на поверхность, тем выше КПД, а соответственно, и выработка электроэнергии. Учитывайте, что в зимнее время показатель эффективности может подать в половину, а то и больше.
И не забывайте очищать модули от снега и грязи, так как это становится препятствием для попадания света.
Еще одним важным препятствием, снижающим общую эффективность выработки батареями электрического тока, выступает температурный коэффициент. В результате попадания солнечных лучей на поверхность модулей они нагреваются, температура может доходить до 80 градусов.
Критические температурные значения напрямую отражаются на уровне КПД. Показатель снижается. Необходимо проводить мероприятия, направленные на уменьшение потери эффективности.
Например, это можно сделать за счет свободного пространства между батареями, из-за чего воздушные массы смогут охлаждать модули, а также путем периодического протирания их.
Как увеличить КПД панелей
Можно ли повысить эффективность солнечных батарей? Чтобы получить максимальный эффект от установки солнечной системы необходимо соблюдать все правила эксплуатации панелей: контролировать угол наклона, правильно разместить с возможностью проветривания, очищать поверхность фотоэлементов и исключать затемненные участки. Кроме того, отдавайте предпочтение тем батареям, которые изготовлены из высококлассного кремния. Именно они смогут обеспечить наивысший КПД.
Повысить КПД солнечной панели
Сегодня этим вопросом занимаются научно-исследовательские центры, и данное направление является приоритетным. Инженерами предпринимаются попытки производить такую солнечную систему, которая будет состоять из модулей разных материалов.
Смысл такой задумки заключается в том, чтобы разные материалы и несколько слоев могли впитывать в себя все типы энергии: как инфракрасное излучение, так и ультрафиолетовое. Подобное решение сможет повысить КПД в два, а то и в три раза. Ученые предполагают, что такие современные модули смогут производить до 90% эффективности.
Более высокий процент производительности позволяет не только вырабатывать больше энергии, но и сократить срок окупаемости.
Максимальные показатели КПД
Стандартной для хороших дорогих монокристаллических панелей является выработка энергии на уровне 20-25%. Если взять во внимание отдельные высококачественные панели, то максимальное значение зафиксировано на уровне 30% для домашних условий и 25% для промышленных объектов. Также на рынке есть модели с показателями КПД до 47%.
На сегодняшний день это самые высокие значения. Они производятся торговой маркой «Шарп» и состоят из трех слоев на основе специальных линз Френеля, благодаря чему больше фокусируют света на своей поверхности. Между слоями находится диэлектрическая прослойка, которая служит туннелем.
Здесь также в преобразовании энергии участвуют световые частицы, за счет чего мощность батареи используется на полную.
Тип батарей с показания КПД выше 40% является особым видом последних разработок и не находится в свободном доступе для широкого круга потребителей.
Среди доступных вариантов с максимальной эффективностью лидером является солнечная батарея от мировой компании «Солар Сити». Уже несколько лет она выпускает панели с КПД более 22%.
Однако сразу стоит отметить высокую стоимость таких конструкций, и позволить себе целую солнечную станцию минимум из 10 панелей сможет не каждый.
Но лабораторные опыты не заканчиваются, поэтому в скором времени и в данной сфере будут свои особые технологии, которые позволят быстрее окупить затраты и получить максимум от солнца. Так же добиться максимального КПД позволяет установка правильных креплений для солнечных панелей, которые обеспечат нужный угол наклона.
Кпд солнечных батарей
Солнечный свет считается одним из наиболее эффективных альтернативных источников электроэнергии. Экономическую целесообразность использования таких систем определяет Кпд солнечных батарей. Этот показатель включает в себя все затраты, направленные на преобразование одного вида энергии в другой.
Эффективность данного процесса составляет в среднем 15-20%, то есть такое количество электричества получается от общей массы солнечного излучения, попадающего на фотоэлементы. Эти показатели получены в наиболее благоприятных условиях эксплуатации.
Поэтому для получения нужного количества электроэнергии приходится значительно увеличивать площадь солнечных батарей.
Кпд у разных типов солнечных панелей
Все современные солнечные батареи функционируют на основе физических свойств полупроводников. Фотоны солнечного света, попадая на фотоэлектрические панели, выбивают электроны с внешних орбит атомов. В результате, начинается их перемещение, что приводит к появлению электрического тока.
Единичные панели не могут обеспечить нормальной мощности, поэтому они в определенных количествах соединяются в общую солнечную батарею. Чем больше фотоэлементов задействовано в системе, тем выше будет мощность выдаваемой электроэнергии. 
Зная принцип работы панелей, можно определить их коэффициент полезного действия. Теоретически, определение КПД представляет собой мощность произведенной электроэнергии, разделенная на мощность энергии солнечных лучей, попадающих на данную панель. Теоретически современные системы способны выдавать до 25%, но в реальности этот показатель составляет не более 15%. Очень многое зависит от материала, из которого изготовлены панели. Например, широко используемый кремний, способен поглощать лишь лучи инфракрасного спектра, а энергия ультрафиолетовых лучей им не воспринимается и пропадает впустую.
В настоящее время ведется работа над созданием многослойных панелей, что дает возможность изготовить солнечные батареи с высоким КПД. В их конструкцию входят различные материалы, расположенные в несколько слоев. Они подобраны таким образом, что способны улавливать все основные энергетические кванты. То есть, каждый слой определенного материала способен поглощать один из видов энергии.
Принцип работы солнечной батареи
Теоретически у таких устройств КПД может увеличиться до 87%, однако на практике технология изготовления таких панелей довольно сложная. Кроме того, их стоимость получается намного выше по сравнению со стандартными солнечными системами.
КПД солнечной батареи во многом зависит от типа кремния, применяемого в фотоэлементах. Все панели на основе этого материала разделяются на три вида:
- Монокристаллические, с КПД 10-15%. Считаются наиболее эффективными, а их цена заметно выше других устройств.
- Поликристаллические обладают более низкими показателями, однако стоимость одного ватта у них значительно ниже. При использовании качественных материалов, такие панели по эффективности иногда превосходят монокристаллы.
- Гибкие тонкопленочные панели, основой которых является аморфный кремний. Они отличаются простотой в изготовлении и низкой стоимостью. Тем не менее, КПД этих устройств очень низкий, примерно 5-6%. Постепенно, в процессе эксплуатации, их показатели уменьшаются, производительность становится более низкой.
Основные факторы эффективной работы
Эффективная и производительная работа солнечных систем зависит от различных факторов, так или иначе влияющих на конкретное устройство. Многое зависит от температуры наружного воздуха, погоды, а также чистоты поверхности, принимающей лучи.
Большое значение имеет угол, под которым солнечные лучи падают на поверхность фотоэлемента. В идеальных условиях он должен быть прямым, что позволяет добиться максимальной эффективности.
С целью увеличения КПД солнечной батареи, некоторые модели оборудуются системами слежения, автоматически изменяющими угол наклона панелей в соответствии с положением солнца в данное время.
Эта опция достаточно дорогая и применяется в редких случаях.
Следует избегать нагрева фотоэлементов в процессе работы, поскольку это снижает их эффективность. Потери можно уменьшить, если между панелями и поверхностями, на которых они установлены, оставлять свободное пространство. Воздушные потоки будут постоянно циркулировать и охлаждать работающие устройства.
Установка солнечных батарей
Рекомендуется периодически мыть и протирать поверхности солнечных батарей.
Чистота фотоэлементов способствует повышению коэффициента полезного действия, поскольку количество падающего ни них света поддерживается на должном уровне.
В противном случае, из-за недостатка лучистой энергии, панели будут работать менее эффективно. Для установки фотоэлементов следует по возможности выбирать южную сторону, чтобы солнечные панели как можно меньше находились в тени.
Погодные условия нередко играют решающую роль. Чем больше солнечных дней в конкретном регионе, тем более высокой будет плотность излучения, попадающего на солнечные панели. В зимнее время года эффективность батарей снижается до 2-8 раз, поскольку добавляется фактор снега, попадающего на панели и закрывающего поверхности от солнца.
Экономическая целесообразность использования солнечных систем
В солнечных системах отсутствуют какие-либо подвижные узлы и детали, что в значительной степени повышает их долговечность. Минимальный срок службы, заявленный производителями, составляет 25 лет. При условии своевременного обслуживания и соблюдения правил эксплуатации, этот срок может быть увеличен до 50 лет.
Данные устройства не подвержены серьезным поломкам и неисправностям. Все обслуживание заключается в периодической очистке фотоэлементов от загрязнений, налипшего снега и т.д.
Своевременный уход существенно увеличивает коэффициент полезного действия и эффективность всей системы. Во многих случаях решение о покупке и установке батарей принимается именно по причине их долговечности.
После того как устройство окупит себя, получаемое электричество будет фактически бесплатным.
Полная окупаемость панелей наступает задолго до окончания срока их службы. Единственным серьезным препятствием в использовании этих устройств становится высокая стоимость.
Учитывая низкий КПД, многие люди начинают сомневаться в экономической целесообразности такого способа получения электроэнергии.
В связи с этим, принимая решение, нужно учитывать все факторы, характерные для данного региона.
Волновая электростанция (ВЭС)
Окупаемость и эффективность солнечных батарей зависит от следующих факторов и условий:
- Тип солнечных панелей и оборудования, величина их КПД, начальная цена фотоэлементов.
- Региональные климатические условия. С увеличением интенсивности солнечного излучения, срок окупаемости заметно снижается за счет большего количества произведенной электроэнергии.
- Стоимость оборудования и монтажных работ. Региональная цена электроэнергии.
Специалисты в данной области постоянно работают над повышением эффективности и КПД солнечных панелей. Постепенно снижается и себестоимость фотоэлементов. В перспективе это значительно снизит срок окупаемости и сделает гелиосистемы доступными для широких слоев населения.
Исследования и новейшие разработки в области повышения КПД
Стоит отдельно остановиться на новейших достижениях в области повышения КПД и рассмотреть самые эффективные солнечные батареи. Многие из них еще находятся в стадии теоретических разработок и не прошли полных испытаний в реальных условиях эксплуатации.
Экспериментальные модели представлены следующими производителями:
- Фирма Sharp подготовила образцы продукции с КПД порядка 44,4%. Ее изделия до сих пор занимают лидирующее место во всем мире. Новейшие разработки отличаются сложным устройством, состоят из трех слоев, а на разработку и испытания было затрачено несколько лет. Более простые модели все равно работают с эффективностью 37,9%, что в сравнении с обычными системами является серьезным технологическим прорывом.
- Солнечные панели, разработанные в испанском исследовательском институте – IES. В ходе испытаний они показали эффективность в пределах 32,6%. Такой высокий КПД удалось получить за счет использования двухслойных модулей. Стоимость изделий ниже, чем у других производителей, но на данном этапе использовать их в обычных жилых домах экономически невыгодно и нецелесообразно.
Как подсчитать КПД солнечных батарей по формуле? Рекорды показателей в мире
Гелиосистемы – самое перспективное на сегодня направление альтернативной энергетики. И главная проблема современных инженеров заключается в поиске способов увеличить КПД солнечных батарей – на 2018 год для массовых потребительских вариантов не превышающий 25%.
Необходимость нахождения экономически выгодных решений связана с прямой зависимостью цены электроэнергии от коэффициента полезного действия устройства-преобразователя. Но с момента получения первого патента в 1954 году данный показатель вырос лишь в 4 раза – хотя теоретический предел КПД солнечных батарей близок к 90%.
Эта статья – о правилах расчета КПД, технологических сложностях его повышения, а также достигнутых и потенциальных рекордах.
Что такое КПД солнечной панели? Современные показатели
Численно кпд солнечной батареи – это процентное отношение выдаваемой системой энергии к полной энергии лучистого потока, падающего на рабочую площадь панелей.
Величина потерь связана:
- с физическими принципами функционирования полупроводников;
- особенностями материалов для улавливания максимально широкого спектра излучения;
- внешними атмосферными условиями.
По перечисленным причинам кпд солнечных панелей даже в 2018 году составлял всего:
- для дешевых пленок на аморфном кремнии – около 5%;
- для современных гибридных пленочных вариантов на комбинации двух и более редкоземельных элементов – от 10 до 18%;
- у модулей на поли- и монокристаллическом кремнии – от 16 до 25%;
- у экзотических и дорогостоящих многослойных прототипов солнечных батарей с дополнительными устройствами концентрации солнечного потока кпд равен почти 50%.
Взаимосвязь КПД с материалами и технологиями – от чего зависит эффективность?
Полупроводниковые материалы, являющиеся основой любой гелиосистемы, используют физические принципы ph-перехода. Электрический ток в замкнутой цепи СЭС возникает за счет электронов, выбитых с внешних орбит атомов частицами света.
Но кпд почти 80% современных солнечных батарей – кремниевых – не превышает и четверти потенциально возможного. Причина в том, что этот материал работает только с инфракрасной частью спектра, а энергия УФ-излучения ему недоступна.
Но пока в массовом производстве именно кремний лидирует из-за своей дешевизны.
Прочие факторы (так, кпд солнечной панели зимой намного отличается от ее же эффективности в летнее время), влияющие на КПД, не связаны прямо с физическими законами, и потому их негативное влияние стараются по возможности уменьшить. Это:
- угол расположение панелей относительно вектора падения света (в идеале ≈ 90°±15°);
- погодные условия (день/ночь, зима/лето, ясно/пасмурно);
- состояние поверхности панелей (установка обычно проводится под углом, чтобы вода, снег и грязь не накапливались естественным образом, и падения кпд солнечных панелей по этим причинам не происходило);
- тень (если элементов много, то их всегда располагают так, чтобы тень не падала на соседний ряд).
Насколько сильное влияние перечисленных факторов?
- Лучи, падающие под большими углами, а также рассеянный свет лучше улавливается современными тонкопленочными панелями на базе, например, пары химических элементов теллур-кадмий.
Несмотря на то, что кремниевые солнечные батареи с большим кпд эффективнее в идеальных условиях, при их отсутствии потери у «классики» выше, чем у гибридных батарей.
- Осадки снижают эффективность работы незначительно. Так, кпд солнечных батарей в пасмурную погоду снижается всего на 10-25% (роль играет плотность облаков).
Намного хуже тень любых предметов – деревьев, вышек, столбов, соседних строений и пр. Устанавливать панели в таких местах не рекомендуется.
- КПД солнечных батарей зимой также зависит от освещенности больше, чем от температуры воздуха или количества снега.
- Единственный неустранимый фактор – ночное время.
Без солнечного потока выработки электроэнергии не происходит, и даже солнечные панели с самым высоким кпд вынужденно простаивают, а владельцы переходят на питание от сети или аккумуляторов.
Теоретически, высокую выработку можно получить, не совершенствуя материалы и не подбирая определенные места для установки электростанций, а кратно увеличивая мощность самого потока. Правда, на Земле это сделать невозможно, но за ее пределами данный факт успешно используется.
Так, несмотря на то, что кпд солнечных батарей в космосе равен такому же на поверхности планеты, мощность лучей светила на орбите достигает 1,37 кВт/м2. Это в 2-3 раза больше, чем в самых солнечных регионах, и потому даже раскрывающиеся на космических аппаратах легкие пленочные панели с КПД 10-12% достаточно эффективны.
Формула КПД солнечной батареи
На практике вычисление КПД фотоэлектрических модулей производится следующим образом.
- На опытный образец направляется поток света от источника (например, галогенной лампы).
- С помощью люксметра производится уровень интенсивности излучения на поверхности каждого отдельного модуля, входящей в состав панели.
- Вычисляется среднее арифметическое значение и с помощью коэффициента перевода (например, для «галогенок» он равен 30 Люкс*м2/Вт) фотометрические величины переводятся в энергетические.
- Полученное значение Eср. (например, 200 Вт/м2) фиксируется.
- Далее измеряют площадь поверхности модульного «кирпичика». Если принять длину за 25 см, а ширину – 40 см, то по формуле S = a*b получим S = 0,25 * 0,40 = 0,1м2.
- Умножив площадь на среднее значение падающей на квадрат энергии, получают общее для всего модуля значение падающей энергии: W = S* Eср., или 20 Вт.
- Далее для включенной в сеть батареи производят замеры уже выдаваемой мощности солнечной батареи. В зависимости от того, насколько высокотехнологичным является изделие, получают разные значения «на выходе» и, как следствие, эффективность (например, для солнечных батарей с кпд 40% выдача в приведенном примере будет равна 8 Вт).
В виде таблицы это выглядит следующим образом:
| Мощность светопотока, Вт | Выдаваемая мощность, Вт | КПД |
| 20 | 2 | 10% |
| 20 | 4 | 20% |
| 20 | 8 | 40% |
| … | … | … |
| 20 | 18 | 90% |
Очевидно, что последняя строка в таблице – солнечные панели с 90% кпд – приведена только в качестве теоретически допустимого предела.
Разработки новых типов фотоэлементов и их КПД
Независимо от того, последовательно или параллельно соединяются вместе отдельные элементы (это делается для получения на выходе заранее заданного напряжения или силы тока) кпд современных солнечных батарей от метода компоновки деталей не меняется. Поэтому главные направления повышения их эффективности – поиск новых материалов и вспомогательного оборудования.
В настоящий момент проводятся успешные эксперименты с многослойными конструкциями, где каждый слой улавливает излучение волн различной длины.
На практике это уже привело к созданию солнечных батарей с кпд более 40%, и цифра приближается к 50%.
Однако только использование в конструкции соединений редкоземельных галлия, индия, а также меди и некоторых видов сульфидов недостаточно. Дополнительными условиями являются:
- фокусирование света на каждую панель с помощью специальных линз;
- внедрение в конструкцию отражающих мини-зеркал;
- создание отдельных диэлектрических прослоек между полупроводниками и т.д.
Но даже с помощью таких сложных схем до теоретического предела пока еще далеко.
Рекорды показателей солнечных батарей
Фотоэлементами-рекордсменами на сегодня считаются любые солнечные панели с кпд выше 40%.
В их числе можно отметить:
1. Продукция компании Sharp (43,5%). Рост эффективности достигнут за счет фокусирования прямо на элемент пучка света так называемой линзой Френеля. Панели – пятислойные:
- индия арсенид;
- слой диэлектрика;
- галлия арсенид;
- слой диэлектрика;
- индий фосфид.
2. Панели «Soy-Tech» (44,7%). Увеличение кпд солнечных панелей достигнуто за счет концентрация излучения на фотоэлемент по принципу лазера, с применением вогнутого зеркала. Конструкция – четырехслойная, медь/индий/галлий/сульфид (CIGS).
3. Элементы от института Фраунхофера, Германия (47,0%). Применили ту же технологию, что и их коллеги из «Шарпа» — фокусировка пучка с помощью линзы. На данный момент это солнечные батареи с самым высоким кпд.
Отдельно следует упомянуть британских специалистов, нашедших способ не разработки гелиоустановки-рекордсмена, а метод повышения отдачи энергии вообще любыми многослойными конструкциями.
Метод решения – напыление на гибкие солнечные батареи алюминиевых «шипов» размером всего в несколько нанометров. За счет рассеивания излучения они повышают кпд в среднем на 20%.
Из более доступных и массовых вариантов лидирует пока продукция от «Solar Sity» Илона Маска – 24%.
Варианты экономически выгодных панелей на украинском рынке
Очень высоким потенциалом в повышении эффективности сегодня считается комбинация кадмий — теллур (Cd-Te). В Украине установкой солнечных батарей занимается компания Green Tech Trade. Кроме того, в наличии тонкопленочные конструкции фирмы First Solar, которые хорошо улавливают энергию рассеянного света и лучей с широким диапазоном углов падения.
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.
- Несовершенство технологии производства.
- Недостаточно чистые компоненты для изготовления.
- 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:
- 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.
- 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.
- 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
- За счет того, что в панелях нет подвижных узлов и элементов, повышается долговечность. Производители гарантируют срок службы в 25 лет.
- 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.
- 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
- Энергетическая установка нуждается в периодическом обслуживании. То есть к ним должен быть постоянный и свободный доступ.
- Чем выше энергоотдача, тем больше панелей требуется. Из этого вытекает вывод — чем больше элементов, тем больше места им нужно.
- Выработанное электричество должен хранить аккумулятор. Уровень заряда необходимо постоянно контролировать. А сами аккумуляторы, по всем нормам безопасности, держать в отдельном и вентилируемом помещении.
- 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.
- Эффективная работа возможна только при идеальных погодных условиях.
- 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.
- Со временем использования самих панелей, их КПД, естественным образом, уменьшается.
- 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
Кпд солнечных панелей — самые эффективные фотоэлементы, расчет и схемы
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.
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.