Солнечные батареи - уникальный преобразователь энергии световых лучей в электричество с неограниченным внешним источником. Постоянно растущий спрос на данную продукцию обусловлен доступностью и экологичностью энергоснабжения без расхода теплоносителя, а также экономической окупаемостью за 2 года при минимальном сроке службы панелей в 25 лет.
Основой служат полупроводники или пленочные полимеры, пластина из слоев разной полярности преобразует свет в направленное движение электронов - это физическое явление неизменно для всех солнечных батарей. Вместе с тем такое исполнение ограничивает эффективность фотопреобразователей, часть энергии фотонов неизбежно теряется при прохождении границы p-n перехода. На практике на коэффициент полезного действия батарей влияют многие факторы: материал, площадь, расположение, интенсивность светового потока, что учитывается при покупке и эксплуатации.
Зависимость КПД от вида фотопреобразователей
Данный показатель определяется как процентное отношение вырабатываемой электрической энергии к мощности падающего солнечного света. На величину влияет чистота пластины и ее структура: пленочная, поли- или монокристаллическая. Последние виды относятся к самым дорогим и долго окупаемым, доступные солнечные батареи с высоким КПД для дома пока что производят только из слоев кремния разной полярности. Менее эффективными являются панели из террурида кадмия и CIGS, выпускаемые на основе пленочной технологии. КПД кадмиевых батарей составляет всего 11 %, но они дешевы и достаточно надежны в эксплуатации. Чуть выше показатель у пленки с нанесенными частицами галлия, меди, индия и селена, фотоэлементы CIGS эффективны на 15 %.
Для сравнения: КПД кремниевых преобразователей монокристаллического типа - 25 %, а у тонкопленочных или аморфных субмодулей из того же материала - максимум 10, устройства на основе органических полимеров имеют минимальное значение - 5 %. Многое зависит от площади панели, одиночные фотоэлементы ограничены в генерировании электричества.
Величина КПД маленьких солнечных батарей не позволяет использовать их для полноценного энергоснабжения, но их достаточно для запуска некоторых видов электроники. В любом случае, повышение эффективности устройств и минимизация их себестоимости является приоритетной задачей современной энергетики.
Факторы, влияющие на эффективность солнечных батарей
Коэффициент полезного действия зависит не только от применяемого материала и технологии, но и от целого комплекса внешних условий:
1. Интенсивности светового потока. В свою очередь этот показатель связан с географическими координатами расположенной батареи, в частности - с широтой.
2. Угла наклона конструкции. В идеале следует установить солнечные батареи, меняющие его, исходя из градиента падения лучей. Такая система стоит дороже, но она позволяет аккумулировать внушительное количество электричества (до 40–60 %) и меньше зависеть от сезона и времени суток.
3. Температуры окружающей среды. Нагрев плохо влияет на фотоэффект, вентилируемые батареи имеют очень высокий КПД. Как ни парадоксально, но в морозную ясную погоду они вырабатывают больше энергии, чем в жару (хотя общий кумулятивный эффект снижается из-за короткого светового дня).
4. Времени года. На практике КПД солнечных панелей зимой уменьшается в 2–8 раз, но это не связано с выпадением снега: на темной поверхности он быстро тает, кроме того - фотопреобразователи отлично воспринимают рассеянный свет.
5. Запыленности. Чем чище внешняя часть солнечных батарей, тем большее количество фотонов будет преобразовано, поэтому для повышения КПД рабочие поверхности рекомендуется протирать как минимум раз в два года.
6. Тени. Не секрет, что коэффициент полезного действия для солнечных батарей в пасмурную погоду значительно снижается, в туманных и дождливых районах их нет смысла ставить, то же относится и к затененным участкам. Панели нежелательно монтировать в тени высоких деревьев или соседних домов, при выборе месторасположения приоритет отдается южной стороне.
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.
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:
- поликристаллы;
- элементы из .
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 . 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.
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.
Один из самых распространенных вопросов, который возникает при решении установить солнечные батареи для личных нужд, является вопрос о том, какие солнечные панели являются самыми эффективными? Однако, такая формулировка не совсем верна. Прежде всего, буквальный ответ на этот вопрос для рядового потребителя не имеет значения. Попробуем разобраться почему?
На самом деле, важный вопрос не в том, как выбрать самые эффективные солнечные батареи, а в том, какие из них имеют лучшее соотношение цены и качества. Если у вас на крыше есть место для установки десяти солнечных панелей и есть выбор между солнечными панелями с условным классом энергоэффективности "A", которые немного более эффективны, но в два раза дороже солнечных панелей класса "B", то, скорее всего, с точки зрения экономии целесообразней выбрать панели класса "B". Одним словом, главная задача состоит в том, чтобы выяснить, какие варианты доступны в конкретной ситуации и проанализировать экономический эффект от каждого из них.
В любом случае, если вы действительно хотите знать самые эффективные солнечные панели (или солнечные модули), то некоторые из них приведены ниже с указанием производителя и значения коэффициента полезного действия (КПД):
- солнечные панели с эффективностью 44,4% от Sharp. Концентрирующие трехслойные солнечные модули от мирового лидера среди производителей солнечных батарей очень сложны и не используются в жилых или общественных зданиях потому, что они баснословно дороги. В основном, такие солнечные модули нашли применение в космической отрасли, где огромное значение имеет эффективность при сравнительно небольших размерах и массе;
- солнечные модули с КПД 37,9% производства Sharp. Эти трехслойные солнечные панели являются более простым аналогом предыдущих с тем отличием, что в них не применяются специальные устройства для концентрации солнечного света на модуль. Соответственно, цена таких панелей ниже на стоимость этих устройств;
- солнечные батареи с эффективностью 32,6% от испанского исследовательского института солнечной энергетики (IES) и университета (UPM). Представляют собой еще более простые двухслойные модули с концентратором солнечного света, однако их использование в жилых или общественных зданиях по-прежнему слишком дорого.
Существует около десятка или около того других видов солнечных панелей, которыми можно было продолжить этот список. Некоторые из них имеют очень высокий КПД, но их цена очень велика, в то время как другие достаточно дешевы, но имеют очень низкую эффективность. Конечно, некоторые из них неэффективны и дороги одновременно. Но, тем не менее, представляют определенный исследовательский интерес. Ключ, как отмечалось ранее, в том, чтобы найти оптимальный баланс между стоимостью и эффективностью.
Существует мнение, что сегодня гораздо меньше научных исследований посвящены солнечным батареям, нежели фотоэлементам, лежащим в основе технологии производства солнечных батарей – это то, за чем проводят время ученые многих мировых институтов и университетов. Никто даже не будет пробовать изготовить солнечную батарею, которая не будет продаваться по причине слабой товарной привлекательности ее компонентов – солнечных модулей. Сегодня на рынке существует множество различных типов солнечных батарей (точнее, солнечных модулей) самых разных производителей. Итак, давайте взглянем на лидеров в различных категориях:
- солнечные модули с КПД 36% производства компании Amonix удерживают общий рекорд производительности. Тем не менее, они сделаны с применением концентрирующих устройств, и не используются для бытовых целей;
- солнечные модули с эффективностью 21,5% от американской компании Sun Power установили коммерческий рекорд эффективности. Солнечные модули Sun Power SPR-327NE-WHT-D являются лидером по показателям эффективности по результатам полевых испытаний. Солнечные модули, занявшие второе и третье места в этом тесте, также являются разработкой компании Sun Power;
- тонкопленочные солнечные модули с эффективностью 17,4% от компании Q-Cells удерживают рекорд в этой категории. Тонкопленочные солнечные батареи широко используются, но не в жилых зданиях. Q-Cells - немецкая компания, которая в 2012 году подала на банкротство, а затем была приобретена корейской компанией Hanwha;
- тонкопленочные солнечные модули на основе кадмий-теллурового (CdTe) фотоэлектрического преобразования эффективностью 16,1% от First Solar являются лидерами в своей категории. Опять же, солнечные батареи на основе таких модулей, как правило, не используется для бытовых целей, но помогают компании удерживать высокие позиции среди производителей солнечных батарей . Американская компания FirstSolar являлась лидером по производству солнечных батарей на американском рынке и занимала второе место в мировом рейтинге в прошлом году. Несмотря на довольно небольшой КПД 16,1% в этой категории, относительно дешевые солнечные модули First Solar являются оптимальным выбором для многих отраслей;
- последний пример для демонстрации того, что список самых эффективных солнечных панелей очень длинный и не ограничивается приведенными выше экземплярами, отметим гибкие солнечные модули эффективностью 15,5% от компании MiaSole, лидирующие в этой категории. Естественно, для некоторых целей необходимы не просто солнечные батареи, а гибкие солнечные панели. Но, вероятно, это не Ваш случай...
Подводя итоги, посоветуем при выборе солнечных батарей для своих нужд не делать акцент на гипотетических и не относящихся к делу превосходствах. Забудьте о том, чтобы стараться выбрать «самые эффективные солнечные батареи
». Ищите панели, четко отвечающие конкретным целям, а не пытайтесь найти солнечные батареи, которые были разработаны для спутников НАСА.
Диаграмма, составленная национальной лабораторией возобновляемой энергии США, наглядно демонстрирует большое разнообразие технологий производства солнечных батарей и достижения каждой из них в плане эффективности.
Достигнуть впечатляющих для сегмента фотоэлектрических элементов успехов удалось стартапу Инновационного парка EPFL в Германии.
Согласно опубликованной пресс-службой учебного заведения информации, команде студентов Института Фраунгофера во главе с руководителем проекта Лораном Кулотом удалось модернизировать применяемые в космической сфере технологии, существенно удешевив производство и повысив эффективность солнечных батарей. Показатели КПД прототипа будущей массовой фотоэлектрической панели, которую создатели рассчитывают превратить в серийный продукт после разрешения технологических вопросов и поиска инвесторов, вдвое превышают стандартные для отрасли. Напомним, что КПД имеющихся в продаже солнечных батарей в большинстве случаев достигает 15-20%, что является пределом для применяемых сегодня технологий «улавливания» солнечных лучей с последующим преобразованием этой энергии в электрическую. Полученные в ходе тестирования панели-прототипа результаты показали эффективность выработки электроэнергии на уровне 36,4%, что в случае перехода на массовый выпуск источников преобразования энергии Солнца в электричество позволит достичь выдающегося показателя — 30-32%.
Создатели принципиально нового и сверхэффективного типа солнечной батареи рассказали о примененной ими методике повышения КПД батареи, для чего специалисты EPFL воспользовались оптическими линзами. Применяемые в космосе панели для преобразования солнечной энергии в электрическую изготавливаются с применением сверхдорогих материалов, помогающих улучшить свойства «улавливания» лучей Солнца в специальных мини-ячейках. Немецкие специалисты из независимой лаборатории Института Фраунгофера применили этот же принцип, максимально уменьшив площадь очень дорогого слоя высокопроизводительных ячеек. Вместо «растянутого» на всю площадь панели слоя фотоэлементов из дорогостоящих материалов разработчики взяли маленький кусочек высокопроизводительных ячеек, сконцентрировав на нем весь поступающий на поверхность элемента солнечный свет. Верхний слой поверхности батареи состоит из микроскопических линз, установленных на механической основе, при помощи маленьких сервомоторов смещающей фокусируемый свет точно на фотоподложку в зависимости от расположения земного светила.
Такая методика обеспечивает максимальную эффективность преобразования энергии на протяжении всего светового дня при сохранении низкой стоимости производства. Цена выпуска вдвое более эффективных солнечных элементов после налаживания серийного производства основанных на разработанных специалистами EPFL принципах батарей превысит себестоимость имеющихся на рынке только панелей на 10-15% при стопроцентном наращивании показателя КПД. Говорить о сроках выпуска перспективной разработки в массовых масштабах создатели очень дешевого в сравнении с выпускающимися для применения в космосе образцами решения говорят пока неохотно, ссылаясь на необходимости отработки технологического базиса для налаживания крупносерийного выпуска недорогих в изготовлении, но крайне эффективных солнечных панелей с КПД 36%. Ожидается, что первые мелкосерийные образцы таких элементов появятся не раньше, чем через 2-3 года, когда себестоимость выпуска фотоэлектрических панелей сможет установить новый ценовой рекорд. Сегодня приобретение и установка подобных батарей на загородных участках для вырабатывания электрической энергии «из воздуха» обходится многократно дороже подключения к электросетям — окупать дорогостоящую покупку приходится в буквальном смысле десятилетия.
По этой причине активно продвигаемые на Западе «солнечные плантации» из сотен и тысяч отдельных фотоэлементов продолжают субсидироваться за счет государственных программ стимулирования сферы альтернативной энергетики. Только за счет вложения миллиардов долларов и евро в развитие этой области Европе и США удалось добиться внушительных и внушающих оптимизм экономических показателей, на бумаге выглядящих настоящим прорывом в сфере получения экологически чистой электроэнергии. На деле каждый выработанный из Солнца Киловатт обходится значительно дороже, чем разведка, добыча и последующее извлечение из недр земли углеводородов, продолжающих составлять основу общемировой энергетики. Единственной альтернативой «бесплатной» электроэнергии остается атомная энергетика, категорически вычеркнутая Евросоюзом и большинством других мировых держав из списка доступных источников электричества. Причиной становится опасность повторения трагических событий 1986-го и 2011 годов в советском Чернобыле и японской Фукусиме, когда на эксплуатируемых СССР и Японией соответственно атомных электростанциях фиксировались радиационные аварии предельного по Международной шкале ядерных событий седьмого уровня.
Именно поэтому Запад продолжает рассматривать солнечную энергетику в качестве самого перспективного направления при формировании базы для создания «энергетического задела» будущим поколениям, которым очень скоро придется столкнуться с полным отсутствием легкоизвлекаемых запасов углеводородов — нефти, газа и угля. Уже сегодня запасы расположенных на доступной для современных буровых установок глубине энергетических ресурсов эксперты называют «близкими к истощению», что вынуждает ученых и исследователей энергично перебирать новые варианты для сохранения текущего уровня потребления электричества мировой промышленностью. Потенциально выгодными с технологической точки зрения пока остаются только два направления — ядерная энергетика и фотоэлементы, преобразующие «добирающийся» по поверхности планеты свет галактического светила в нужную для жизнедеятельности человека электрическую энергию. Искусственный отказ от атома оставляет западным державам, в первую очередь Евросоюзу и Соединенным Штатам Америки, только один путь для дальнейшего развития и модернизации собственной энергетики.
По мнению главного операционного директора стартапа EPFL Флориана Герлиха, созданные немецкими специалистами батареи позволят снизить цену за вырабатываемый Киловатт-час электроэнергии для потребителей до приемлемого уровня, когда покупка дорогой солнечной панели даже без привлечения государственных субсидий окупится после непродолжительной эксплуатации. Увеличение КПД до 36% — многообещающий прорыв, способный «встряхнуть» мировую энергетическую систему в рамках общемирового проекта по поиску наиболее выгодных с финансовой точки зрения и показателей экологичности способов получения электричества. На последнее, например, активно «переезжают» выпускаемые крупнейшими автоконцернами автомобили, доля которых с установленными под капотом электродвигателями к 2030-2035 годам достигнет, по предварительным подсчетам экспертов, серьезных 10-12% в масштабе всего автопарка на планете. Активное содействие этому окажут и разработки ученых, на протяжении последних десятилетий продолжающих биться за каждый процент эффективности выработки электроэнергии, добиваясь достижения предельно допустимых значений в гонке за «бесплатными» киловаттами.
О базовой станции на солнечных батареях. Оговорка состояла в том, что срок окупаемости системы питания на солнечных панелях - 2-3 года. Я по роду деятельности занимаюсь монтажом и наладкой систем альтернативных источников энергии и, как мне видится, авторы статей на данную тематику занижают время, в течении которого система полностью окупается, причем в несколько раз.
Не претендую на абсолютную точность, но цифры берутся не с потолка, а с конкретного объекта, на котором делали бригадой монтаж – Симферопольский производственно-складской комплекс «Мяско». В расчеты включены основные самые затратные статьи.
Данный завод уже имел на момент начала наших работ ферму на 300+ панелей, собранных по модульной системе. Мы добавляли еще шесть контуров по двадцать панелей. (Контур – объединение определенного количества панелей в один источник энергии, таким образом набирается контур нужного для инвертора напряжения).
Сухие расчеты
Теперь немного к цифрам, все расчеты ведутся с стоимостью доставки в Крым с территории Германии.
Итого:
Ферма в 120 панелей обходится в 59.000 долларов. В эти расчеты еще не включена оплата труда проектировщику, инженеру и монтажникам. В сумме все выльется в бюджет, стремящийся к 65.000$.
Фактическая выработка электроэнергии
Теоретически, в идеальных условиях, одна панель должна выдавать примерно 220-230Вт в час (в пересчете на привычные нам 220 вольт). Ниже представлены графики, которые ведет блок управления в инверторе, мониторить их можно удаленно.Солнечный день :
Переменная облачность :
Месячный график :
В последнем графике следует учесть, что два дня система выключалась на время, а три первых дня месяца и два последних отсутствуют.
В стабильно солнечный летний месяц, с продолжительным световым днем, такая ферма выдаст максимум 4500-4700кВт*ч. Зная эти цифры, можно подсчитать рентабельность системы, учитывая тарифы на электроэнергию.
При этом нужно учесть, что ферма собрана без аккумуляторов, их наличие увеличило бы общую стоимость системы, время окупаемости, соответственно, тоже.
Таким образом, у меня никак не получается выйти на окупаемость в 2-3 года. 10 лет - более-менее реальный срок.
