Солнечные панели с высоким кпд. Что влияет на КПД и эффективность работы солнечных батарей

Дата добавления: 30.04.2015

В наше время возобновляемая энергетика, особенно где используется солнечная энергия, развивается очень интенсивно. В связи с этим продолжается активный поиск способов и устройств, повышение продуктивности существующих систем, позволяющих максимально эффективно преобразовать энергию солнца в электричество. Тут можно выделить два направления - прямое преобразование солнечного излучения в электрический ток, и многократное преобразование солнечной энергии - в тепло, далее в механическую работу, а потом в электричество. Пока во втором направлении достигнуты более высокие результаты - промышленные гелиоустановки с концентраторами, турбинами или двигателями Стирлинга показывают отличную продуктивность преобразования солнечной энергии. Так, на эксплуатирующейся в в Нью-Мексико гелиостанции с солнечными концентраторами и двигателями Стирлинга получен КПД на выходе, с учетом расходов энергии на систему ориентации и прочее - 31,25 %.

Но подобные гелиоустановки чрезвычайно сложные и дорогие, эффективны в условиях очень высокой солнечной инсоляции и пока достаточного развития в мире не получили. Поэтому прямые преобразователи солнечного излучения - солнечные батареи , занимают лидирующее положение в мире солнечной энергетики по инсталляциям и спектру применения. Продуктивность серийных промышленных солнечных панелей на сегодняшнее время, в зависимости от технологии, находится в диапазоне от 7 до 20%. Технологии не стоят на месте, развиваются и совершенствуются, уже разрабатываются и тестируются новые ячейки, по крайней мере, вдвое продуктивнее существующих. Попробуем вкратце рассмотреть основные направления развития фотоэлектрических панелей, технологий и их продуктивности.

Подавляющее большинство ячеек солнечных преобразователей современных серийных фотомодулей изготавливается из монокристаллического (C-Si), или поликристаллического (МС-Si) кремния. На сегодняшний день такие кремниевые фотоэлектрические модули занимают около 90% рынка фотоэлектрических преобразователей, из которых примерно 2/3 приходится на поликристаллический кремний и 1/3 — на монокристаллический. Далее идут солнечные модули, фотоэлементы которых изготовлены по тонкопленочной технологии - методом осаждения, или напыления фоточувствительных веществ на различные подложки. Существенное преимущество модулей из этих элементов - более низкая стоимость продукции, ведь для их требуется примерно в 100 раз меньше материала по сравнению с кремниевыми пластинами. И пока что меньше всего представлены многопереходные солнечные элементы из так называемых тандемных, или многопереходных ячеек (multijunction cells).

Доли рынка фотоэлектрических панелей различных технологий:

Кремниевые кристаллические фотомодули .

КПД ячеек кремниевых модулей на сегодня порядка 15 - 20% (поликристаллы - монокристаллы). Этот показатель в целом скоро может быть увеличен на несколько процентов. Например, компания SunTech Power, один из крупнейших мировых производителей модулей из кристаллического кремния, заявила о своем намерении в течении ближайшей пары лет выпустить на рынок фотомодули с КПД 22%. Существующие же лабораторные образцы монокристаллических ячеек показывают производительность 25%, поликристаллических - 20,5%. Теоретический максимальный КПД у кремниевых однопереходных (p-n) элементов - 33,7%. Пока он не достигнут, и основная задача производителей, кроме увеличения эффективности ячеек - усовершенствование технологии производства, удешевление фотомодулей.

Отдельно позиционируются фотомодули компании Sanyo, произведенные по технологии HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin layer) с использованием нескольких слоев кремния, аналогично тандемным многослойным ячейкам. КПД таких элементов из монокристаллического C-Si и нескольких слоев нано кристаллического nc-Si - 23%. Это самый высокий на сегодня показатель КПД ячеек серийных кристаллических модулей, своего рода нано солнечные батареи.

Тонкопленочные солнечные батареи эффективность.

Под этим названием подразумевается несколько различных технологий, о производительности которых вкратце расскажем. В настоящее время существует три основных типа неорганических пленочных солнечных элементов - кремниевые пленки на основе аморфного кремния (a-Si), пленки на основе теллурида кадмия (CdTe) и пленки селенида меди-индия-галлия (CuInGaSe2, или CIGS). КПД современных тонкопленочных солнечных батарей на основе аморфного кремния около 10%, фотомодулей на основе теллурида кадмия - 10-11% (компания First Solar), на основе селенида меди-индия-галлия - 12-13% (японские солнечные модули SOLAR FRONTIER). Показатели эффективности пред серийных элементов: CdTe имеют КПД 15.7% (модули MiaSole), а CIGS элементов 18,7% (ЕМРА). КПД отдельных тонкопленочных солнечных батарей значительно выше, например, данные по производительности лабораторных образцов элементов из аморфного кремния - 12,2% (компания United Solar), CdTe элементов - 17,3% (First Solar), CIGS элементов - 20,5% (ZSW). Пока солнечные преобразователи на основе тонких пленок аморфного кремния лидируют по объемам производства среди других тонкопленочных технологий - объем мирового рынка тонкопленочных Si элементов около 80%, солнечных ячеек на основе теллурида кадмия - около 18% рынка, и селенид меди-индия-галлия - 2% рынка. Это связано, в первую очередь, со стоимостью и доступностью сырья, а так же более высокой стабильностью характеристик, чем в многослойных структурах. Ведь кремний - один из самых распространенных элементов в земной коре, индий же (элементы CIGS) и теллур (элементы CdTe) рассеяны и добываются в малом количестве. Кроме того, кадмий (элементы CdTe) токсичен, хотя все производители таких солнечных модулей гарантируют полную утилизацию своей продукции. Так же процесс деградации в элементах тонкопленочных модулей протекает быстрее кристаллических ячеек. Дальнейшее развитие фотоэлектрических преобразователей на основе неорганических тонких пленок связано с усовершенствованием технологии производства и стабилизации их параметров.

К тонкопленочным солнечным батареям относятся также органические/полимерные тонкопленочные светочувствительные элементы и сенсибилизированные красители. В этом направлении коммерческое применение солнечных элементов пока ограничено, все находится в лабораторной стадии, а так же в совершенствовании технологии будущего серийного производства. Ряд источников заявил о достижении КПД элементов на органических преобразователях больше 10%: немецкая компания Heliatek -10,7%, университета Калифорнии UCLA - 10,6%. Группа ученых из лаборатории в EPFL получила КПД 12,3% ячеек из сенсибилизированных красителей. Вообще направление органических тонкопленочных элементов, а так же светочувствительных красителей считается одним из перспективных. Регулярно делаются заявления о достижении очередного рекорда эффективности, выходе технологий за стены лабораторий, покрытии в скором времени всех доступных поверхностей высокоэффективными и дешевыми солнечными преобразователями - компании Konarka, Dyesol, Solarmer Energy. Работы сосредоточены над повышением стабильности характеристик, удешевлением технологий.

Многопереходные (многослойные, тандемные) солнечные панели характеристики.

Ячейки из таких элементов содержат слои различных материалов, образовывающие несколько p-n переходов. Идеальный солнечный элемент в теории должен иметь сотни различных слоев (p-n переходов), каждый из которых настроен на небольшой диапазон длин волн света во всем спектре, от ультрафиолетового до инфракрасного. Каждый переход поглощает солнечное излучение с определенной длиной волны, таким образом, охватывая весь спектр. Основным материалом для таких элементов являются соединения галлия (Ga) - фосфид индия галлия, арсенид галлия, и др.

Одним из частных решений преобразования всего солнечного спектра является применение призм, разлагающих солнечный свет на спектры, концентрирующиеся на однопереходных элементах с различным диапазоном преобразования излучения. Не смотря на то, что исследования в области многопереходных солнечных элементов продолжаются уже два десятилетия, и фотомодули из таких ячеек успешно работают в космосе (солнечные батареи станции «Мир», марсоходов «Mars Exploration Rover» и др.), их практическое земное использование начато сравнительно недавно. Первые коммерческие продукты на таких элементах вышли на рынок несколько лет назад и показали отличный результат, а исследования в этом направлении постоянно приковывают к себе внимание. Дело в том, что теоретический КПД двухслойных ячеек может составить 42% эффективности, трехслойных ячеек 49%, а ячеек с бесконечным количеством слоев - 68% не фокусированного солнечного света. Предел продуктивности ячеек с бесконечным количеством слоев составляет 86,8% при применении концентрированного солнечного излучения. На сегодня практические результаты КПД для многопереходных ячеек составляют порядка 30% при не сфокусированном солнечном свете. Этого недостаточно, чтобы компенсировать затраты на производство таких ячеек - стоимость многопереходной ячейки примерно в 100 раз выше аналогичной по площади кремниевой, поэтому в конструкциях модулей из многопереходных ячеек применяются концентраторы для фокусировки света в 500 - 1000 раз. Концентратор в виде линзы Френеля и параболического зеркала собирает солнечный свет с площади, в 1000 раз превышающей площадь ячейки. Полная стоимость фотомодулей из многопереходных ячеек с применением концентраторов (СРV) значительно удешевляется за счет недорогих линз и подложек, компенсируя высокую стоимость производства самой ячейки. При этом производительность ячеек возрастает до 40%.

Солнечные батареи характеристики. Например, КПД ячеек компании SolFocus размером 5,5 мм х 5,5 мм составляет 40% при применении концентраторов; а средние размеры ячеек в СРV системах имеют размеры в диапазоне от 5,5 мм х 5,5 мм до 1 см х 1 см. При чем для производства 1см? ячеек необходима 1/1000 сырья в сравнении с ячейкой аналогичной продуктивности из кристаллического кремния. Чтобы многопереходные ячейки работали с максимальной эффективностью, необходима постоянная высокая интенсивность солнечного излучения, для этого применяются двухосевые системы ориентации СРV систем. Местами развертывания солнечных ферм на базе модулей из многопереходных ячеек с концентраторами являются регионы с высокой солнечной инсоляцией.

Максимальный КПД многопереходных ячеек, полученный в лабораторных условиях c применением концентраторов, составляет на сегодня 43,5% (Solar Junction), и по прогнозам, будет увеличен в ближайших пару лет до 50%.

Как видим, на сегодня существуют солнечные ячейки с высокой продуктивностью, изготавливаемые по различным технологиям, и основная задача производителей - удешевление конечного продукта, адаптация лабораторных исследований для массового производства. Не смотря на малый расход сырья в тонкопленочных солнечных элементах, стоимость некоторых компонентов в разных видах довольно высокая, так же, как энергоемки сами технологии производства. Остается под вопросом долговременная стабильность параметров. Пока еще очень дорогими являются многопереходные солнечные ячейки, для максимальной эффективной работы которых к тому же необходима повышенная концентрация солнечного излучения. Поэтому кристаллические кремниевые элементы в ближайшее время будут удерживать лидирующие позиции на рынке фотоэлектрических преобразователей, снижаясь в цене. Потеснят их только эффективные и дешевые тонкопленочные модули, возможно, из полимерных полупроводников, или светочувствительных красителей. Но прогнозы в развитии той, или иной технологии - дело не благодарное. Поживем - увидим.

Идея использовать солнечную энергию для отопления дома или на другие нужды - не нова, разработаны устройства, которые позволяют это сделать любому человеку. Во многих странах, солнечные батареи на крыше скорее правило, чем исключение. Наша страна, к ним пока не относится, но и у нас уже подобные установки можно увидеть все чаще. Солнечные системы для дома могут быть двух видов. Первый - солнечные коллекторы, которые нагревают протекающий в них теплоноситель. Второй - солнечные батареи, которые вырабатывают электричество. О них и будем говорить ниже.

Солнечные батареи преобразуют солнечный свет в электрическую энергию. Батарея состоит из некоторого количества фотоэлектрических преобразователей, которые чаще называют фотоэлементами. Количество преобразователей в батарее произвольное, соединение последовательно-параллельное. Чем определяется количество фотоэлементов? Необходимой силой тока и напряжением. Располагают преобразователи на какой-либо плоской поверхности один возле другого. Из-за внешнего вида такие конструкции часто называют «солнечные панели».

Солнечные батареи для частного дома в некоторых странах — обычное явление

Слишком большие по площади солнечные батареи в быту использовать неудобно, а если не хватает мощности самой большой, несколько устройств соединяют в каскад. Если мощность требуется большая, может понадобиться значительная площадь: может быть занята вся крыша, иногда стены дома и часть придомовой территории. Потому чаще применяют солнечные батареи для частного дома: там есть где разместить и большое их количество. Владельцы квартир могут занять только окна и балконы.

Возможности использования

Как можно использовать солнечные батареи для отопления дома? Только для уменьшения счетов за электроэнергию, а также в качестве резервного источника на случай отключения. Это поможет добиться той самой энергонезависимости, и не заморозить систему отопления при отсутствии централизованного электропитания.

Насколько реально солнечная батарея может обеспечит потребности в электричестве? Если говорить о водяном отоплении, то это реально: для поддержания работоспособности системы потребуется максимум 200-300 Вт/ч. Столько в среднем «тянут» электроника котла + циркуляционный насос + возможные управляющие устройства и контролеры. Если система у вас больше, возьмите паспорта и посчитайте необходимую мощность. Для 300 Вт/ч будет достаточно двух солнечных панелей средней мощности (их суммарная производительность должна немного превышать потребность).

И не нужно думать, что при отсутствии солнца электричества не будет. В систему входят обязательно аккумуляторы и инвертор. Правильно подберите мощность аккумуляторов, и их заряда даже при самых плохих погодных условиях вам хватит на несколько дней работы системы.

Кстати, многие европейские производители отопительного оборудования предусматривают совместную работу своей техники с солнечными преобразователями (например, газовые котлы и ). Но работают они с гелиоколлекторами (греют воду) или с солнечными батареями, нужно смотреть по каждому виду оборудования.

Если , все серьезнее. Мощность большинства таких обогревателей исчисляется киловаттами. Для выработки такого количества энергии потребуется много панелей для переработки энергии солнца. Устройство системы солнечных батарей для отопления частного дома электрическими полами, может вылиться в очень приличную сумму. Но система хороша тем, что ее мощность можно наращивать постепенно. Будете по возможности увеличивать количество панелей и количество вырабатываемого электричества.

При желании можно сэкономить: . Такие самодельные варианты обойдутся в разы дешевле заводских. И это притом, что покупать фотопреобразователи придется готовые: их изготовление в кустарных условиях - нереальная задача. Поэтому - только готовые. Эффективность самодельных солнечных панелей будет ниже заводских, но и цена в разы ниже.

Расчет солнечных батарей для дома

Инсоляция (количество солнечной энергии) в разные месяцы сильно изменяется. Потому сначала нужно определиться с тем, какую часть электроэнергии и на какой период вы собираетесь вырабатывать. Если вы хотите все 100% в любое время года вырабатывать самостоятельно, считать придется по самому плохому месяцу с минимальным количеством солнечных дней. Но тогда возникнет вопрос: что делать с избыточным количеством электроэнергии, которая будет вырабатываться в другие месяца. Если проживание планируется только в огородный сезон, считаете по самой низкой инсоляции в этот период. В общем, принцип понятен.

Затем необходимо рассчитать какую суммарную мощность должна выдавать ваша солнечная система для дома. Для этого в таблицу вписываете все электроприборы, и из их паспортов вносите данные по мощности, потребляемому току и ваттную нагрузку. Подбив колонки, узнаете, сколько электроэнергии в час нужно всей вашей аппаратура и приборам. Понятно, что все они вряд ли включаются одновременно. Можете попытаться высчитать, какие из них работают одновременно, и по этой цифре подбирать солнечные панели.

Как считать количество солнечных батарей разберем на примере. Пусть потребность в электроэнергии 10 кВт/ч, инсоляция в расчетном месяце 2 кВт/ч. Мощность батареи, которую собрались покупать, 250 Вт (0,25 кВт). Теперь считаем 10 / 2 / 0,25 = 20 шт. То есть понадобится 20 солнечных панелей.

Для уменьшения потребления электроэнергии нужно заменить все лампы накаливания на светодиодные, а всю старую неэкономную технику на энергосберегающую - тогда вам понадобится не такое уже и большое количество солнечных панелей.

Виды солнечных батарей

Фотоэлектрические преобразователи существуют разные. Причем отличается и материал, из которого они изготавливаются, и технологии. От всех этих факторов напрямую зависит производительность этих преобразователей. Некоторые фотоэлементы имеют КПД 5-7 %, а самые удачные последние разработки показывают 44 % и выше. Понятно, что от разработок до бытового использования расстояние огромное, и по времени, и по деньгам. Зато можно представить, что ждет нас в ближайшем будущем. Для получения лучших характеристик используют другие редкоземельные металлы, но с улучшением характеристик имеем приличное повышение цены. Средняя же производительность относительно недорогих солнечных преобразователей составляет 20-25 %.

Самые распространенные кремниевые солнечные батареи. Этот полупроводник недорог, его производство освоено давно. Но они имеют не самый высокий КПД - те самые 20-25%. Потому при всем разнообразии сегодня преимущественно используются три вида солнечных преобразователей:

• Самые дешевые - тонкопленочные батареи. Они представляют собой тонкий налет кремния на несущем материале. Кремниевый слой покрыт защитной пленкой. Плюс этих элементов в том, что работают они даже в рассеянном свете, а, следовательно, есть возможность устанавливать их даже на стены зданий. Минусы - низкая эффективность 7-10%, а также, несмотря на защитный слой, постепенная деградация кремниевого слоя. Тем не менее заняв большую площадь, можно получить электричество даже в пасмурную погоду.
• Поликристаллические солнечные батареи изготавливают из расплава кремния, медленно его охлаждая. Отличить эти элементы можно по ярко-синему цвету. Эти солнечные батареи имеют лучшую продуктивность: КПД 17-20%, но в рассеянном свете малоэффективны.
• Самые дорогие из всей троицы, но при этом довольно широко распространенные - монокристаллические солнечные батареи. Они получаются путем разделения одного кристалла кремния на пластины и имеют характерную геометрию со скощенными углами. У этих элементов КПД от 20% до 25%.

Теперь, видя надписи «солнечная панель моно» или «поликристаллическая солнечная батарея», вы будете понимать, что речь идет о способе производства кремниевых кристаллов. Также вы будете знать, какой эффективности от них можно ожидать.

Батарея с монокристаллическими преобразователями

Эффективность солнечных батарей зимой

Вы, наверное, удивитесь, но зимним днем на вертикальную поверхность падает всего в 1,5-2 раза меньше энергии, чем летом. Это данные для средней полосы России. За сутки картина хуже: за этот период летом получаем в 4 раза больше энергии. Но обратите внимание: на вертикальную поверхность. То есть на стену. Если говорить о горизонтальной поверхности, тут разница уже в 15 раз.

Самая печальная картина по выработке электроэнергии солнечными батареями ожидает вас не зимой, а осенью: в пасмурную погоду их эффективность ниже в 20-40 раз, в зависимости от плотности облачного покрова. Зимой же, после того выпал снег, инсоляция (количество света, падающего на батареи) в солнечные дни может приближаться к летним значениям. Потому зимой солнечные системы для дома вырабатывают больше электроэнергии, чем осенью.

Получается, чтобы зимой добиться близкой к максимальной эффективности, нужно располагать солнечные батареи вертикально или почти вертикально. И, если их вешать на стены, то желательно на юго-восточные: утром по статистике чаще бывает ясная погода. Если юго-восточной стены нет, или ничего на ней установить невозможно, выйти из положения можно сделав специальные подставки. Тогда ставят солнечные батареи на крыше. Так как угол падения солнечных лучей в зависимости от сезона меняется, желательно сделать подставку с регулируемым углом наклона. Есть возможность — разверните солнечные панели «лицом» на юго-восток, нет такой возможности, пусть «смотрят» на юг.

Правила установки

Эффективность работы кремниевых солнечных батарей зависит от количества попадающей на них энергии солнца (всего спектра излучения). Факторы, на которые мы можем каким-то образом повлиять, это:

На работоспособность многих типов преобразователей влияют температурные показатели: диапазон использования кремниевых элементов от -40 o C до +50 o C. Негативно на работоспособности сказываются как более низкие, так и более высокие температуры. Если летом у вас солнце активное, важно не допустить перегрева. Для этого под панель можно положить белую ткань или фольгу (более эффективно). Если это не помогает и панель перегревается, поверните ее, или перевесьте. Нужно будет выбрать такое положение, при котором будет соблюдаться тепловой режим, а производительность останется довольно высокой.

Максимальную свою продуктивность эти устройства показывают, если солнечные лучи падают под углом 90 o . К сожалению, такое возможно далеко не весь день, а лишь короткий промежуток времени. Есть специальные системы слежения, изменяющие угол наклона панели так, чтобы свет падал постоянно под желаемым углом, но это дорогие установки.

И все же, можно найти оптимальный угол установки солнечных батарей. Просто при незначительном отклонении от идеала (менее 50 o) производительность падает мало, примерно на 5 %. Фактическое подтверждение этому можете увидеть в видео.

Для каждого региона угол установки солнечных батарей свой. Его можно определить экспериментально (как - вы видели), а можно выставить исходя из географической широты - этот наклон принято считать самым лучшим. Многое зависит от ориентации панели: если вы развернули ее на север или восток, оптимальный угол будет меньше.

Солнечные батареи на крыше

Прежде всего, нужно выяснить, выдержит ли кровля дополнительную нагрузку. Один-два модуля выдержит любая, а для большего количества придется считать.

Для надежной фиксации они должны крепиться как минимум в четырех точках. Причем, если вы монтируете панели заводского изготовления, не поленитесь изучить инструкцию по установке: при нарушении хотя бы одного из пунктов, оборудование снимается с гарантии. В большинстве случаев требования такие:

Системы крепления солнечных панелей могут быть разными. Есть готовые (продаются там же, где и сами панели), но вполне можно использовать и сделанные собственноручно. Важно только использовать надежные, стойкие к коррозии материалы. Толщина реек и крепежа должна быть большой: выдерживать должны они и ветровые нагрузки, и массу панелей с самым толстым снежным покровом.

Один из методов крепления солнечных батарей на крыше частного дома можно увидеть в видео.

Теперь немного об электрической сборке. Схема подключения солнечной батареи, кроме самих преобразователей, предусматривает наличие:

• контроллера заряда с подключенными аккумуляторными батареями;
• преобразователя (инвертора), который преобразует постоянный ток в переменный;
• предохранителей для защиты от короткого замыкания (повысят безопасность и вашу и системы).

Контроллер и преобразователь имеют ограничения по току и напряжению. Суммарные параметры подключаемой для вашего дома солнечной системы не должны их превышать. Для электрического соединения батарей в единую систему, использовать нужно только те провода, которые выведены наружу.

Для соединения панелей применяют медный проводник в стойкой к ультрафиолету изоляции. Если провода в подходящей изоляции не нашли, спрячьте его в гофрированный шланг для наружных работ. Толщина жил провода зависит от предполагаемой силы тока в системе и от длины линии, но минимальное сечение 4 мм 2 . Соединение проводников желательно делать при помощи коннекторов, а не на скрутках. Рекомендуют МС4 потому что проводники, выходящие из большинства солнечных батарей, оконечены именно такими разъемами. Эти разъемы хороши тем, что обеспечивают герметичное соединение, что на крышах немаловажно. Но не все фирмы устанавливают разъемы этого стандарта. В дешевых моделях (особенно китайских) может стоять что-либо иное, так что уточняйте при покупке.

Теперь о последовательности подключения оборудования в систему. Для безопасного подключения соблюдайте очередность такую:

1. К контроллеру подключаются аккумуляторы с соблюдением полярности. Провода - медь, сечение выбирается в зависимости от мощности контроллера.
2. К контроллеру подключаются солнечные батареи. Также необходимо соблюдать полярность.
3. К контроллеру через предохранитель подключается 12 В потребители.
4. К аккумуляторам подключается инвертор (через предохранитель), а к его выходу уже потребители 220 В. Подключение инвертора напрямую к контроллеру исключено: придется покупать новые устройства. А это приблизительно 600-1000$ в зависимости от фирмы и мощности.

Не пренебрегайте последовательностью подключения - это наиболее безопасный алгоритм, гарантирующий (при соблюдении полярности) рабочее состояние системы.

Напоследок, еще один вариант установки на крыше дачи с регулируемым углом наклона. Возможно, вам видео будет полезным.

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.

Кристаллическая решетка перовскита CH3NH3PbI3

Wikimedia Commons

Американские исследователи показали, что в солнечных элементах на основе перовскитов носители заряда, обладающие избыточной энергией, способны преодолевать значительное расстояние, прежде чем рассеют ее в виде тепла. Это означает, что реализовать фотоэлектрические элементы на горячих носителях, для которых теоретический предел КПД вдвое выше, чем у обычных кремниевых, на практике вполне возможно. Исследование опубликовано в журнале Science .

В самых распространенных на сегодняшний день солнечных элементах, использующих в качестве полупроводника кремний, теоретически возможный коэффициент полезного действия едва превышает 30 процентов. Это связано с тем, что кремниевые элементы способны использовать спектр солнечного света только частично. Фотоны, обладающие энергией ниже пороговой, просто не поглощаются, а обладающие слишком высокой приводят к образованию в фотоэлементе так называемых горячих носителей заряда (например, электронов). Время жизни последних составляет около пикосекунды (10 -12 секунды), потом они «остывают», то есть рассеивают избыточную энергию в виде тепла. Если бы горячие носители удавалось собирать, это повысило бы теоретический предел КПД до 66 процентов, то есть вдвое. Несмотря на то что в некоторых экспериментах небольшое сохранение энергии удавалось наблюдать , элементы на горячих носителях пока остаются скорее гипотетическими.

Ученые из Университета Пердью и Национальной лаборатории возобновляемой энергетики (США) внесли вклад в изучение нового перспективного класса фотоэлектрических элементов на основе перовскитов и продемонстрировали, что в таких элементах горячие носители не только обладают повышенным временем жизни (до 100 пикосекунд), но и способны «пробегать» значительные дистанции в несколько сотен нанометров (что сопоставимо с толщиной слоя полупроводника).

Металлорганические перовскиты получили свое название благодаря кристаллической структуре. Она по сути повторяет структуру природного минерала - перовскита, или титаната кальция. Химически они представляют собой смешанные галогениды свинца и органических катионов. Авторы работы использовали распространенный перовскит на основе иодида свинца и метиламмония. Исходя из того, что в перовскитах время жизни горячих носителей существенно увеличено по сравнению с другими полупроводниками, авторы решили выяснить, на какое расстояние могут переноситься горячие носители за время их остывания. С использованием ультраскоростной микроскопии исследователям удалось непосредственно пронаблюдать транспорт горячих носителей в тонких пленках перовскита с высоким пространственным и временным разрешением.

Транспорт горячих носителей в полупроводнике в течение первой пикосекунды после возбуждения

Guo et al / Science 2017

Оказалось, что медленное остывание в перовскитах сопряжено с дальностью пробега, которая составила до 600 нанометров. Это означает, что носители заряда с избыточной энергией теоретически способны преодолевать слой полупроводника и достигать электрода, то есть их возможно собирать (правда, как это реализовать технически, авторы работы не обсуждают). Таким образом, солнечные элементы на горячих носителях, возможно, удастся воплотить в жизнь, взяв за основу перовскиты.

К настоящему времени максимальный КПД, доходящий до 46%, был зарегистрирован для многослойных многокомпонентных фотоэлектрических элементов, в состав которых входит арсенид галлия, индий, германий со включениями фосфора. Такие полупроводники используют свет более эффективно, поглощая различные части спектра. Производство их очень дорого, поэтому такие элементы используются только в космической промышленности. Ранее мы писали также про элементы на основе теллурида кадмия, которые можно производить в виде гибких и тонких пленок. Несмотря на то, что общий вклад в производство электроэнергии солнечной энергетики пока не превышает 1%, темпы роста можно назвать взрывными. Особенно заинтересованы в использовании возобновляемой энергии солнца такие страны как Индия и Китай. Компания Google в конце 2016 года заявила, что в этом году собирается полностью перейти на возобновляемую энергетику.

В настоящее время в быту используются в основном кремниевые фотоэлементы, реальный КПД которых составляет 10–20 процентов. Элементы на основе перовскитов появились менее 10 лет назад и сразу вызвали к себе заслуженный интерес (о них мы уже писали ). КПД таких элементов быстро увеличивается и практически доведен до 25 процентов, что сопоставимо с лучшими образцами кремниевых фотоэлементов. К тому же они очень просты в производстве. Несмотря на технологический успех, физические принципы работы перовскитовых элементов относительно мало изучены, поэтому обсуждаемая работа ученых из США вносит важный вклад в фундаментальные основы фотовольтаики и, конечно, влечет за собой перспективу дальнейшего увеличения КПД солнечных элементов.

Дарья Спасская

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.