Невысокий КПД солнечных батарей – один из основных недостатков современных гелиосистем. На сегодняшний день один квадратный метр фотоэлемента способен вырабатывать около 15-20 % от мощности падающего на него излучения.

Такая выработка требует установку батарей больших размеров для полноценного электроснабжения. Более того, чтобы достичь необходимого выходного напряжения, соединяются между собой последовательно или параллельно. Их площадь при этом может достигать от нескольких квадратных метров.

КПД солнечных панелей зависит от целого ряда причин:

• материал фотоэлемента;
• плотность солнечного потока;
• время года;
• температура;
• и др.

Давайте подробнее поговорим о каждом факторе.

Материал фотоэлемента

Делятся на три вида, в зависимости от метода образования атома кремния:

• поликристаллические;
• монокристаллические;
• панели из аморфного кремния.

Поликристаллические панели изготовлены из чистого кремния и отличаются сравнительно высоким КПД – 14-17%.

Монокристаллические панели менее эффективны в преобразовании солнечной энергии. Их коэффициент полезного действия около 10-12 %. Но невысокие энергозатраты на изготовление таких преобразователей делает их более доступными.

Панели из аморфного кремния (или тонкопленочные) просты и недороги в производстве, как следствие, доступны по цене. Однако, эффективность их значительно ниже, чем у предыдущих двух видов – 5-6%. К тому же элементы тонкопленочных преобразователей из кремния со временем утрачивают свои свойства.

Тонкопленочные батареи также изготавливают с нанесением частиц меди, индия, галлия и селена. Это немного увеличивает их производительность.

Работа в любую погоду

График зависимости мощности от погодных условий Данный показатель зависит от географического расположения панели: чем ближе к экватору, тем выше плотность солнечного излучения.

Зимой производительность фотоэлементов может снизиться от 2 до 8 раз. Это объясняется, прежде всего, скоплением на них снега, сокращением продолжительности и количества солнечных дней.

Важно помнить: в зимнее время следить за наклоном панелей т. к. солнце находится ниже обычного.

Условия эффективной работы

Чтобы батарея работала эффективно, нужно учесть несколько нюансов:

• угол наклона батареи к солнцу;
• температуру;
• отсутствие тени.

Угол между рабочей поверхностью преобразователя и солнечными лучами должен быть близок к прямому. В таком случае эффективность фотоэлементов при прочих равных условиях будет максимальна. Чтобы увеличить КПД дополнительно к ним устанавливают систему слежения за солнцем, которая меняет наклон относительно положения светила. Но подобное встречается нечасто из-за дороговизны оборудования.

Всем прекрасно известно, что чем больше коэффициент полезного действия, тем лучше. Это правило распространяется и на КПД солнечных батарей. Благодаря новым технологиям и способам производства КПД фотоэлементов постоянно растет, правда очень медленно, но главное - прогресс не стоит на месте.

Ниже приведен график достижений эффективности разных производителей, с течением времени. Начиная с середины и до самого верха - полупроводники разрабатывались для новых рекордов и космических задач, стоимость соответствующая. Все что ниже уже доступно и реально приобрести в наше время.

Всем известно про КПД, но мало кто понимает откуда берутся эти значения в процентах и как они рассчитываются. Давайте попробуем разобраться.

Как правило, завод изготовитель указывает эффективность своих собранных модулей и эффективность отдельных солнечных элементов, из которых состоит солнечная батарея. Эти параметры, как и другие характеристики, указываются при так называемых стандартных условиях - STS, основными из них является инсоляция 1000Вт/м² и температура элементов 25°С при которых и снимаются технические характеристики, в том числе и эффективность.

В настоящее время добросовестные изготовители стали тестировать каждую произведенную ими солнечную батареи после сборки и делать распечатку индивидуальных параметров, которую вкладывают к каждой батарее. Делается это для подтверждения качества своих изделий.

Ниже приведена распечатка одной из солнечных батарей SY-100 от Suoyang energy:

Каждый модуль имеет свои индивидуальные характеристики. Если взять две одинаковые панели одной модели они все равно будут иметь немного разные параметры.

Солнечные батареи данного производителя имеют положительную толерантность, в итоге мы имеем 104,617 Вт и эффективность 15,74% (отдельный элемент 18,7%). Как он получил это значение?

Формула расчета эффективности солнечных батарей выглядит следующим образом:

КПД = Pсб/Sсб/10, где:

Pсб – мощность СБ;

Sсб – площадь СБ.

Подставим значения в формулу:

КПД = 104,617/(1,2*0,554)/10 = 15,74%

Все сходится, но возникает еще один вопрос: почему тогда КПД отдельных фотоэлементов выше? Ответ прост – все дело в том, что солнечная батарея состоит из множества фотоэлементов и между ними есть небольшое расстояние, которое не используется для выработки энергии, плюс алюминиевая рама тоже «занимает место», соответственно площадь увеличивается, а КПД при этом снижается.

Ниже приведены фотографии и видео некоторых попыток получения большей эффективности фотоэлементов, с помощью создания элементов сложной формы, принудительного охлаждения солнечных элементов и фокусирования света с помощью линз. Возможно новинки хорошо покажут себя, их пустят в массовое производство, и они станут доступными для нас с вами.

Это гибридная солнечная батарея Vitru, в борьбе за эффективность производитель борется с нагревом элементов. Вода в колбе охлаждает элементы, в следствие чего не снижается напряжение и не падает мощность.

Новинка пока не продается и находится в стадии тестирования, но как заявляет V3Solar, весь секрет в конусной форме и вращения конструкции, благодаря этому ячейки не успевают нагреваться и КПД не снижается в течении всего дня.

Солнечный свет в настоящее время 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, а в реальной жизни они могут быть еще меньше. 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 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.

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.

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.

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.

Что влияет на КПД и эффективность работы солнечных батарей?

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

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

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

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

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

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

Фотоэлементы из монокристаллического кремния имеют КПД 10─15 процентов. Они являются самыми эффективными и имеют стоимость выше остальных. Модели из поликристаллического кремния имеют самый дешевый ватт электроэнергии. Многое зависит от чистоты материалов и в некоторых случаях поликристаллические элементы могут оказаться эффективнее монокристаллов.

Существуют также фотоэлементы из аморфного кремния, на базе которых изготавливают тонкопленочные гибкие панели. Их производство проще, а цена ниже. Но КПД значительно ниже и составляет 5─6 процентов. Элементы из аморфного кремния с течением времени теряют свои характеристики. Для увеличения их производительности добавляют частицы селена, меди, галлия, индия.

От чего зависит эффективность работы солнечных батарей?

На эффективность работы солнечных батарей оказывают влияние несколько факторов:

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

В идеале угол падения солнечных лучей на поверхность фотоэлемента должен быть прямым. При прочих равных в этом случае будет максимальная эффективность. В некоторых моделях для увеличения КПД в солнечных батареях устанавливается система слежения за солнцем. Она автоматически меняет угол наклона панелей в зависимости от положения солнца. Но это удовольствие не из дешёвых и поэтому встречается редко.

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

Несколько раз в год обязательно нужно мыть и протирать панели. Ведь КПД фотоэлектрических панелей прямо зависит от падающего света, а значит, от чистоты поверхности. Если на поверхности есть загрязнения, то эффективность солнечных батарей будет снижаться.

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

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

Срок службы и окупаемость солнечных панелей

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

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

На срок окупаемости оказывают влияние следующие факторы:

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

В среднем срок окупаемости по регионам составляет:

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

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

Тайваньская компания Mega Sunergy выпустила новый фотоэлектрический модуль с многоярусным массивом мощностью 315 Вт, который превышает производительность традиционной солнечной панели на 17%. Достигнуть такого показателя удалось благодаря специальному расположению 60 отдельных фотоэлементов в солнечной батарее. Вместо того, чтобы идеально разместить эти 60 элементов – с одинаковыми небольшими промежутками между ними – инженеры позволили их краям перекрывать друг друга, увеличив количество ячеек на единицу площади до 68 штук.

По расчетам компании, новая схема производства фотоэлектрических модулей позволит увеличить их эффективность на 5-17% в зависимости от типа . В действительности, у Mega Sunergy получилось повысить эффективность всей солнечной панели за счет снижения средней производительности каждого отдельного элемента.

В своих новых солнечных панелях компания использует относительно дешевые фотоэлектрические элементы из поликремния. Они имеют мощность 4,5 Вт каждый и продаются примерно по цене 22,5 цента за ватт. Таким образом, 8 дополнительных ячеек прибавляют к стоимости всей панели 8,10 доллара, а стоимость одного ватта в ней увеличивается до 25 центов. Именно для этих солнечных элементов, используя новую схему, можно получить максимальное увеличение эффективности.

Как видно на изображении ниже, вместо традиционных солнечных элементов с формой близкой к квадрату, используются более вытянутые прямоугольные секции. Если панель будет выпускаться в стандартных размерах, она будет состоять из 20 отдельных многоярусных массивов, вместо 60 солнечных элементов.

Как заявляет Mega Sunergy, новую технологию компоновки фотоэлектрических элементов можно применять и с более высокоэффективными солнечными батареями PERC (с пассивированным эмиттером на тыльной стороне фотоэлемента), но с меньшим увеличением производительности (около 5%). Это связано с тем, что современные элементы PERC используют свет, который проходит через пустоты и собирается на обратной стороне ячейки.

В настоящее время стоимость новых солнечных батарей компанией пока не оглашена. Продукция Mega Energy выпускается на заводе Тайване с производственной мощностью 300 МВт в год, которая в следующем году будет расширена до 400 МВт.

Читайте также: