Что влияет на КПД и эффективность работы солнечных батарей? От чего зависит кпд солнечных батарей и как увеличить этот показатель

Постоянно осваивая все новые рубежи, солнечная энергетика движется вперед, поднимая значение КПД на новые уровни. Не секрет, что производительность, которую выдают , не может соперничать с устоявшимися источниками энергии . Виной всему низкая производительность существующих панелей.

Влияние на производительность различных факторов

Повышение коэффициента полезного действия - головная боль всех исследователей, работающих в данном направлении. На сегодняшний день КПД подобных устройств находится в пределах от 15 до 25 %. Процент очень низкий. Солнечные батареи являются крайне прихотливым устройством, стабильная работа которых зависит от множества причин.

К основным факторам, которые могут двояко влиять на производительность, можно отнести:

• Материал основы солнечных батарей. Самым слабым в этом плане является поликристаллические солнечные батареи, имеющие КПД до 15 %. Перспективными же можно считать модули на основе индий-галлия или кадмий-теллура, имеющие до 20% производительности.
• Ориентация приемника солнечного потока. В идеале, солнечные батареи своей рабочей поверхностью должны быть обращены к солнцу под прямым углом. В таком положении они должны находиться как можно больший период времени. Для увеличения продолжительности правильного позиционирования модулей в области солнца, более дорогие аналоги имеют в своем арсенале устройство слежения за солнцем, которое поворачивает батареи вслед за движением светила.
• Перегрев установок. Повышенная температура негативно сказывается на выработке электроэнергии, поэтому при установке необходимо обеспечить достаточную вентиляцию и охлаждение панелей. Этого добиваются устройством вентилируемого зазора между панелью и поверхностью установки.
• Тень отбрасываемая любым предметом, может значительно испортить показатели КПД всей системы.

Выполнив все требования, и по возможности установив панели в нужном положении, можно получить солнечные батареи с высоким КПД. Именно высоким, а не максимальным. Дело в том, что расчетный, или теоретический КПД, это величина, выведенная в лабораторных условиях, при средних параметрах продолжительности светового дня и количества пасмурных дней.

На практике, конечно же, процент полезного действия будет ниже.

Подбирая солнечные батареи для своего дома, лучше ориентироваться на нижний предел производительности, а не на верхний. Выбрав, таким образом, солнечные модули и все надлежащие для работы компоненты, можно быть уверенным в достаточной мощности устанавливаемой установки. Выбрав нижний предел производительности при расчетах, можно сэкономить на покупке дополнительных панелей, которые покупаются для перестраховки, на случай нехватки мощности.

Обнадеживающие перспективы развития

На сегодняшний день абсолютный рекорд КПД в солнечной энергетике принадлежит Американским разработчикам и составляет 42,8 %. Это значение на 2 % выше предыдущего рекорда 2010 года. Рекордное количество энергии удалось добиться при усовершенствовании солнечной батареи из кристаллического кремния. Уникальностью такого исследования служит тот факт, что все замеры были проведены исключительно в рабочих условиях, то есть не в лабораторных и тепличных помещениях, а в реальных местах предполагаемой установки.

В кулуарах все тех же технических лабораторий не прекращаются работы по увеличению последнего рекорда. Следующая цель разработчиков - граница КПД солнечных модулей в 50 %. С каждым днем человечество все ближе приближается к тому моменту, когда солнечная энергия полностью заменит вредные и дорогие, используемые в настоящее время, источники энергии, и станет в один ряд с такими гигантами как гидроэлектростанции.

Я кричу и плачу, наверное так нужно было начать видео, но многие начинают сразу думать не в ту сторону. Да про КПД солнечных панелей очень много материала. Да так много, что каждый ищет солнечную панель с КПД 30 -50% и не важно сколько они стоят. Стоп, что? Вы реально из тех людей что думают, что на сегодняшний день КПД у панелей то, что есть в открытом доступе это мало. Реально 22 -28% это разве мало?

А хотите пример того, что реально имеет низкий КПД, и речь тут пойдет про солнечные панели 1990 года выпуска с КПД около 10%, и знаете, теперь я точно могу сказать с уверенностью, что та сказка, которой все кто в этом не понимают разносят по интернету, это откровенная неправда. И чтобы такое с уверенностью сказать мне потребовалось купить 2 панели за свои деньги, установить их в работу, и около года пронаблюдать за ними при разных вариантах подключения.

Что же вердикт готов.

КПД старших солнечных панелей более раннего производства до 2010 года, ощутимо ниже КПД современных панелей, и тут даже речь идет не об удешевлении последних, а именно о технологии производства. Мы не будем затрагивать тот факт, что современные более тонкие, имеют новое поглощающее покрытие, которое более эффективное, чем у старых панелей, и меньше выгорает. Нет мы просто поговорим про КПД.

Для начала, что такое КПД — коэффициент полезного действия.

Итак, простым языком, это как эффективно солнечные панели работают в настоящее время, но не в будущем, так как чем дальше и дольше работает солнечная панель, тем КПД становится все ниже. А если вытягивать и нагружать солнечные панели коротким замыканием, спиралькой, либо лампами ИК, как некоторые это делают. КПД солнечных панелей будет таять просто в несколько раз быстрее.

Так вот, подобной информации реально нет хоть и такой черновой, тем более с таким износом солнечные панели проблемно найти в нашей стране. И что мы в итоге получаем?

Все просто, когда солнце есть, солнечные панели выдают почти всю свою мощность, да просело рабочее и холостое напряжение. Да немного просел ток, порядка на 0.5 — 1А. И можно было бы на этом закончить учитывая слова большинства блогеров, а нет, просело у нас и КПД, теперь солнечные панели меньше выдают как по напряжению, так и по току, в облачную погоду или на отражённом свете. Вот это и есть падение КПД или износ панели. Вроде и работает, а вроде и при плохой погоде нет.

Думаете все, но не тут то было, я уже привык рассказывать все или почти все, даже если в меня летят в настоящем времени тапки, а в будущем их собирают говоря, а че ты типа не знал:) Я вам поведаю еще одну проблему изношенных солнечных панелей.

А именно! Дело все в том, что из-за износа солнечной панели и сильно пострадавшего и выгоревшего абсорбирующего и светопоглощающего покрытия, кстати, это покрытие некоторые люди кто не в теме, называют рассеивающим покрытием или еще как. Но правильно абсорбирующего и светопоглощающего, его задача защитить кремниевую пластину, и структуру самого элемента, и более эффективно поглощать солнечный свет! От большей части КПД зависит от этого тонкого слоя.

Так вот, когда оно разрушается и выгорает, солнечные элементы начинают сильней греться, и мощность их падает. Эффект очень похож на полу пробитый или перегретый полупроводник, который вроде работает, но греется и его характеристики падают. Так вот, так как солнечный элемент — это тот же проводник с п-н переходом, только большего размера все правила по электроники также подходят и для солнечного элемента.

Да и самое важное, объединять старые солнечные и новые нельзя, ибо когда выдаваемая мощность на слабых упадет, а на новых еще будет идти, старые панели будут на себя тянуть часть мощности как нагрузка, тем самым вместо работы будут греть улицу!

Вот такие дела. И теперь я буду чаще про это говорить, чтобы у большинства как сказочников, так и людей, которые не в теме, отложилась более грамотная информация. А если есть реальные наблюдения, то значит и есть информация, как продлить срок жизни солнечных элементов.

Рекордсменом по КПД среди солнечных батарей, из числа так или иначе доступных на рынке сегодня, являются, разработанные Институтом гелиоэнергетических систем Общества имени Фраунгофера в Германии, солнечные батареи на базе многослойных фотоэлементов. Начиная с 2005 года, их коммерческим внедрением занимается компания Soitec.

Размер самих фотоэлементов не превышает 4 миллиметра, а фокусировка солнечного света на них достигается путем применения вспомогательных концентрирующих линз, благодаря которым насыщенный солнечный свет преобразуется в электричество с КПД достигающим 47%.

Батарея содержит четыре p-n перехода, чтобы четыре различные звена фотоэлемента могли эффективно принимать и преобразовывать излучение с конкретной длиной волны, из солнечного света, сконцентрированного в 297,3 раза, в диапазоне длин волн от инфракрасного до ультрафиолетового.

Исследователи под руководством Франка Димирота изначально поставили перед собой задачу вырастить многослойный кристалл, и решение было найдено, - они срастили подложки для выращивания, и в результате был получен кристалл с различными полупроводниковыми слоями, с четырьмя фотоэлектрическими подъячейками.

Многослойные фотоэлементы давно используются на космических аппаратах, но теперь на их основе запущены и солнечные станции уже в 18 странах. Это становится возможным благодаря совершенствованию и удешевлению технологии. В итоге, количество стран, снабженных новыми солнечными станциями, будет расти, и налицо тенденция к конкуренции на рынке промышленных солнечных батарей.

На втором месте - солнечные батареи на базе трехслойных фотоэлементов Sharp, КПД которых достиг 44,4%. Фосфид индия-галлия - первый слой фотоэлемента, арсенид галлия - второй, арсенид индия-галлия - третий слой. Три слоя разделены диэлектриком, который служит для достижения туннельного эффекта.

Концентрация света на фотоэлемент достигается благодаря линзе Френеля, как и у немецких разработчиков, - свет солнца концентрируется в 302 раза, и преобразуется трехслойным полупроводниковым фотоэлементом.

Научные исследования по развитию этой технологии непрерывно велись Sharp, начиная с 2003 года при поддержке NEDO - японской организации общественного управления, содействующей научным исследованиям и развитию, а также распространению промышленных, энергетических и экологических технологий. К 2013 году Sharp был достигнут рекорд в 44,4%.

За два года до Sharp, в 2011 году, американская компания Solar Junction уже выпустила аналогичные батареи, но с КПД 43,5%, элементы которых обладали размером 5 на 5 мм, и фокусировка также производилась линзами, концентрируя свет солнца в 400 раз. Фотоэлементы были трехпереходными на основе германия, и группа планировала даже создать пяти и шестипереходные фотоэлементы, чтобы лучше захватить спектр. Исследования ведутся компанией и по сей день.

Таким образом, максимально рекордным КПД обладают солнечные батареи, выполненные в сочетании с концентраторами, которые, как мы видим, производят и в Европе, и в Азии, и в Америке. Но эти батареи в основном изготавливаются для постройки наземных солнечных электростанций крупных масштабов и для эффективного электроснабжения космических аппаратов.

Недавно был поставлен рекорд в сфере обычных потребительских солнечных панелей, которые доступны большинству желающих снабдить ими, например, крышу дома.

В середине осени 2015 года компания Илона Маска «SolarCity» представила наиболее эффективные потребительские солнечные панели, КПД которых превышает 22%.

Этот показатель подтвердили замеры, проведенные лабораторией Renewable Energy Test Center. Завод в Баффало уже ставит план производства на каждый день - от 9 до 10 тысяч солнечных панелей, точные характеристики которых пока не сообщаются. Компания уже планирует снабжать своими батареями не менее 200000 домов ежегодно.

Дело в том, что оптимизированный технологический процесс позволил предприятию значительно снизить стоимость производства, при этом повысив КПД в 2 раза по сравнению с широко распространенными потребительскими кремниевыми солнечными панелями. Маск уверен, что именно его солнечные панели будут пользоваться наибольшей популярностью у домовладельцев в ближайшем будущем.

Солнечной панелью принято считать источник электрической энергии, который работает непосредственно от светового потока. Если говорить о конструктивном исполнении, любая гелиопанель представляет определенный набор фотоячеек, соединенных между собой, помещенных в защитный корпус и закрытых передней панелью из стекла.

Что собой представляет фотоячейка

Фотоячейка является полупроводниковым элементом, который объединяет в себе два типа проводимости, отличающиеся недостатком или избытком электронов:

• n — проводимость;
• p — проводимость.

Она состоит из двух полупроводников, в которых электроны исходного материала поглощают энергию, получаемую из солнечного потока, что придает им дополнительный импульс. Покидая свою орбиту, направленный поток электронов генерирует постоянный фототок, который и используется в практических целях.

Применение в повседневной жизни

Сфера применения подобных устройств очень широка и охватывает различные отрасли, среди которых можно отметить следующие направления:

• Микроэлектроника (часы, калькуляторы).
• Электроника, используемая в быту (внешние аккумуляторы для смартфонов, планшетов, ноутбуков).
• Обеспечение электроэнергией как отдельно стоящих зданий, так и удаленных районов.
• Использование в передвижных средствах связи и различных комплексах.
• Автомобильная промышленность (электромобили).
• Космическая отрасль (космические станции).

Преимущества использования

Среди прочих альтернативных источников энергии солнечные панели обладают рядом неоспоримых преимуществ, а именно:

• Являются энергонезависимым источником энергии, не нуждаются в сложном обслуживании и замене агрегатных узлов или соединений. Максимальный уход заключается в очистке стеклянного покрытия от возникающих загрязнений.
• Работают независимо, не требуют коммутирующих включений и выключений и всегда находятся в рабочем состоянии. Также отличаются бесшумностью действия и абсолютно экологически безопасны.
• Небольшой период окупаемости.
• Срок службы приравнивается к 25 годам, при этом в процессе работы не происходит снижения мощности элементов. По заявлениям производителей, снижение выходной мощности должно быть не более 5%.
• При их использовании существует возможность конфигурирования конечной установки в зависимости от требуемой мощности и напряжения, что проблематично осуществить с другими источниками энергии.

Виды используемых устройств

Как уже было сказано, все они имеют в своем составе фотоэлементы, которые могут быть представлены следующими полупроводниками:

Кремниевые гелиопанели

В настоящее время для производства фотоячеек используется монокристаллический, поликристаллический и аморфный кремний.

• Из монокристаллического кремния. Как видно из названия, основным материалом в данных приборах считается очищенный кремний. По внешнему виду они выполнены в виде пчелиных сот, соединенных в единую структуру. Конструктивно очищенный монокристаллический кремний представляет собой тончайшие пластины (до 300 микрон), связанные электродной сеткой. Главным преимуществом признана их высокая эффективность, которая может составлять до 20%.
• Поликристаллические элементы. Подобные виды значительно дешевле предыдущего варианта в связи с более простой технологией изготовления (охлаждения кремниевой субстанции). Заметим, что образование внутри поликристаллов приводит к тому, что стабильность работы становится значительно ниже, а показатели конечного коэффициента полезного действия не превышают 18%.
• Гелиопанели из аморфного кремния. Можно отнести как к пленочным, так и к кремниевым, так как основным полупроводниковым материалом в них является силан (или кремневодород). Тонкая пленка силана наносится на специально подготовленную подожку, которая и образует фотоячейку. Не смотря на то, что КПД составляет всего порядка 5%, данный тип нашел широкое применение. Фотоячейки обладают хорошим светопоглощением, благодаря чему несмотря на малый КПД, способны работать при отсутствии прямого солнца и в пасмурную погоду. В связи с этим применяют сочетание монокристаллических (или поликристаллических) ячеек с аморфными, так как сборные секции способны работать в любых погодных условиях.

Пленочные гелиопанели

Бывают двух видов:

• На основе теллурида кадмия. Имеют низкий КПД (до 10%) и ядовитое вещество в своем составе, но не смотря на это низкая стоимость обуславливает их популярность. На основе селенида меди-индия. Основные материалы, применяемые для создания ячеек – медь, селен и индий. Также являются достаточно дешевыми, однако имеют эффективность порядка 20%.
• Полимерные. В настоящий момент являются более популярными в связи с их дешевизной и доступностью. В качестве полупроводников используется полифенилен или фталоцианин меди. Эффективность составляет всего 5%, однако в связи с их доступностью, легкостью установки и монтажа, а также экологической безопасностью, они применяются не только в промышленных, но и в бытовых целях.

Эффективность работы

В самом начале, еще на этапе появления солнечных батарей на рынке, коэффициент полезного действия был достаточно невелик, но на сегодняшний момент их производительность поднялась на довольно высокий уровень. Сейчас для монокристаллических кремниевых батарей она доходит до 24%, для поликристаллических – 20%, кремниевых тонкопленочных – 15%, а для тонкопленочных на основе арсенида галлия – 24%. Для многослойных гелиопанелей КПД доходит до 30%.

Если обратиться к производителям подобных устройств, то лучшие солнечные батареи с высоким КПД представлены следующими компаниями:

• Панели, созданные институтом Soitec & Fraunhofer Institute на сегодняшний день являются лидером по эффективности использования. КПД достигает невероятных 46%, однако ввиду колоссальной стоимости они используются только в научно-космической сфере.
• Компания Sharp — безусловный лидер с 55-ти летним стажем. Выпускают солнечные батареи практически для всех отраслей, начиная от калькуляторов и заканчивая космическими станциями. Сейчас КПД производимых ими солнечных панелей доходит до 19.8%. В своих разработках компании удалось достигнуть производительности в 44,4%, однако эти технологии сейчас крайне дорогостоящие и не предлагаются на рынке.
• На третьем месте испанский институт IES (Spanish solar research institute). Им удалось добиться эффективности в 32,6%.

Однако вернемся на землю, цифры выше – из области высоких технологий, которые пока недоступны для использования для коммерческих или жилых объектов. При выборе гелиосистемы для дома – самые эффективные солнечные панели из тех, что Вы сможете найти на рынке, вряд ли превысят КПД в 20%. Со своей стороны можем порекомендовать Вам обратить внимание на таких производителей как Amonix, Sun Power, SunTech Power, Q-Cells, Sanyo и First Solar.

Как правильно рассчитать количество гелиопанелей

Для того чтобы определиться с количеством устанавливаемых батарей в быту, необходимо принимать во внимание следующие факторы:

• Рассчитать необходимое количество электроэнергии в доме.
• В зависимости от местоположения (региона) уточнить уровень солнечной радиации в течение года. Как правило, данные имеются у местных метеорологических служб.
• Рассчитать мощность в сутки. При этом необходимо учитывать потери на зарядку аккумулятора (не более 20%) – W.
• С учетом летних и зимних коэффициентов получить мощность (выработку) одной секции в сутки N, при этом летний поправочный коэффициент – 0,5, зимний – 0,7.
• Разделив W на N, получим необходимое количество батарей, требуемых для обеспечения потребности в электроэнергии.

При расчете можно прикинуть, что для регионов средней полосы России количество необходимых панелей, обеспечивающих требуемую электроэнергию, в зимний период в несколько раз больше, чем летом.

При этом на выработку влияет не только мощность отдельной секции, но и угол ее наклона, наличие или отсутствие поворотных приводов и концентрирующих устройств. В любом случае, при недостаточной выработке электроэнергии количество секций можно увеличить, что поможет решить проблему.

Повышение эффективности работы солнечных панелей

С учетом того, что их коэффициент полезного действия достаточно низок, перед производителями, как и перед пользователями остро стоит проблема его повышения. Эффективность работы солнечных батарей зависит от множества факторов, потому для увеличения КПД и производительности следует придерживаться основных пунктов:

• Правильный выбор материала. В отличие от поликристаллических моделей, индий-галлиевые или же ячейки из кадмий-теллура способны значительно повысить производительность.
• Правильное расположение поверхности секции под прямым углом к световому потоку, что достигается установкой специальных приводов и датчиков, реагирующих на направление света.
• Как и для любого другого прибора, перегрев крайне опасен, потому вместе с установкой панелей необходимо предусмотреть систему их вентиляции и охлаждения.
• Исключить падение тени от стоящих неподалеку высоких объектов, так как это может понизить производительность установки в несколько раз.
• Условия эксплуатации, правильное и своевременное обслуживание всех узлов, входящих в состав управления панелями (приводы, контроллеры, инверторы, аккумуляторы и прочее).

Конечно, установка гелиопанелей не решит полностью проблему по автономному питанию необходимым количеством электроэнергии, но поможет поднять ее выработку для запитки хотя бы части электроприборов.

Наука и технологии не стоят на месте в сфере использования альтернативной энергетики, а использование солнечной энергии в быту и промышленности будет дальше развиваться и совершенствоваться, пытаясь вытеснить традиционные источники энергии. К сожалению, до глобального доминирования гелиоэнергетики пока далеко и виной тому низкий КПД солнечных батарей.

Факторы влияющие на эффективность солнечных батарей

На эффективность работы солнечных батарей влияют объективные и субъективные факторы, такие как:

• материалы, используемые в изготовлении,
• технологии,
• место использования (широта),
• угол падения солнечных лучей,
• запыленность и повреждения.

Причем все эти факторы связаны и зависимы между собой по влиянию на КПД солнечных батарей. Но начальным фактором, который определяет КПД является себестоимость изготовления элемента солнечной батареи.

Лидеры энергоэффективности солнечных батарей

Рассмотрим лидеров в изготовлении наиболее эффективных компонентов солнечных панелей и отсортируем по их эффективности:

• 44,7% КПД от первого из неуниверситетских научно-исследовательских институтов Германии. Результат получен для концентраторов тройного перехода слоев сложного состава полупроводника (Ga 0,35 В 0,65 P / Ga 0,83 В 0,17 As / Ge). Такие солнечные элементы сложны, не используются в жилых или коммерческих целях, потому что они очень дороги. Они используются в космической технике таких производителей, как NASA, где мало пространства.
• 37,9% эффективности получено из однослойного модуля полупроводникового перехода (InGaP / GaAs / InGaAs). При этом результат получен исключительно для 90° нормали к Солнцу. Эти солнечные элементы также сложны и трудоемки в изготовлении, но их промышленное производство видится более перспективным.
• 32,6% добились испанские исследователи с института (IES) и университета (UPM). Они использовали мульти-модули из концентраторов с двумя переходами полупроводников. Опять же, эти элементы еще далеки от широкого использования для коммерческих или жилых объектов.

Баланс эффективности солнечных батарей

Есть около десятка крупнейших производителей, выпускающих солнечные батареи со сравнительно неплохим КПД и умеренной стоимостью. Ведущие компании производящие солнечные батареи при самых современных технологиях могут промышленно изготавливать солнечные элементы с эффективностью близкой к 25%. При этом хорошо налажено массовое производство модулей с КПД солнечных батарей, как правило, не превышающих показатель 14-17%. Главной причиной этой разницы в эффективности является то, что методы исследования, используемые в лабораториях, не подходят для коммерческого производства фотоэлектрической продукции и, следовательно, более доступные технологии имеют сравнительно низкие затраты в производстве, что и приводит к понижению показателя КПД в использовании.

Для этого покажем на графике зависимость стоимости готового модуля к стоимости произведенной электроэнергии для технологических серий солнечных батарей с характерными для них показателями КПД.

На сравнительном графике хорошо видна экономическая эффективность солнечных батарей с начальными лабораторными показателями КПД, изготовленных по разным технологиям, в отношении оптимальной стоимости произведенной электроэнергии в 6 центов за кВт-час (3,4 руб/кВт-ч).

Таким образом, самые доступные и недорогие в изготовлении солнечные элементы из аморфного кремния в виде тонкой гнущейся пленки окупают себя при сравнительно небольших размерах, но экономически не эффективны при больших потребностях в электроэнергии. Они широко применяются для переносных зарядок телефонов, светильников и т. д.

Батареи из поликристаллического кремния уже становятся эффективны при применении для жилых домов и небольших теплиц.

Элементы опытных солнечных электростанции изготовлены на основе монокристаллов кремния высокой степени очистки (99,999). Обладают оптимальными показателями эффективности и имеют экономически обоснованный срок окупаемости.

Новейшие научные разработки фотоэлементов, имеющие, самый высокий КПД применяются исключительно в тех отраслях науки и промышленности, где стоимость не является основным критерием выбора.

Применение солнечных батарей все больше входит в различные сферы нашей жизни, но к сожалению, из-за несовершенства технологии производства (и как следствие достаточного низкого КПД) при значительной стоимости не имеет широко применения.