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.

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.

Солнечные батареи – это уникальная система, позволяющая преобразовывать солнечные лучи в электрическую и тепловую энергию. Растущий спрос на гелиопродукцию, на сегодня, обуславливается ее быстрой окупаемостью и долговечностью, доступностью теплоносителя. Но, какое напряжение способны вырабатывать солнечные батареи? О том, насколько эффективны гелиосистемы, и от чего зависит коэффициент их полезного действия – читайте в статье.

Солнечные батареи с высоким КПД: виды преобразователей

КПД солнечный батарей – это величина, которая равняется отношению мощности электроэнергии к мощности падающих на панель устройства солнечных лучей. Современные солнечные батареи обладают КПД в диапазоне от 10 до 45%. Такая большая разница обуславливается различиями между материалами изготовления и конструкцией пластин батарей.

Так, пластины солнечных батарей могут быть:

• Тонкопленочными;
• Многопереходными.

Солнечные батареи последнего типа, на сегодня, являются наиболее дорогими, но и наиболее продуктивными. Это связано с тем, что каждый переход в пластине поглощает волны с определенной длиной. Таким образом, устройство охватывает весь спектр солнечных лучей. Максимальный КПД батарей с многопереходными панелями, полученный в лабораторных условиях, составляет 43,5%.

Энергетики с уверенностью заявляют, что через несколько лет этот показатель возрастет до 50%. КПД тонкопленочных пластин зависит, в большей степени, от материала их изготовления.

Так, тонкопленочные солнечные батареи делятся на такие виды:

• Кремниевые;
• Кадмиевые.

Наиболее популярными солнечными батареями, которые можно использовать в бытовых целях, считаются установки с кремниевыми пленочными пластинами. Объем таких устройств на рынке составляет 80%. Их КПД достаточно низкий – всего 10%, но они отличаются доступностью и надежностью. На несколько процентов показатель полезного действия выше у кадмиевых пластин. Пленки с частицами селенида, меди, индия и галлия имеют более высокий КПД, который равняется 15%.

От чего зависит эффективность солнечных батарей

На КПД фотоэлектрических преобразователей влияет масса факторов. Так, как было отмечено выше, количество вырабатываемой энергии зависит от структуры панели преобразователя, материала их изготовления.

Кроме того, эффективность солнечных преобразователей зависит от:

• Силы солнечного излучения. Так, при снижении солнечной активности, мощность гелиоустановок снижается. Чтобы батареи обеспечивали потребителя энергией и в ночное время, их снабжают специальными аккумуляторами.
• Температуры воздуха. Так, солнечные батареи с охлаждающими устройствами являются более продуктивными: нагрев панелей негативно сказывается на их способности преобразовывать энергию в ток. Так, в морозную ясную погоду КПД гелиобатарей выше, нежели в солнечную и жаркую.
• Угла наклона устройства и падения солнечных лучей. Для обеспечения максимальной эффективности, панель солнечной батареи должна быть направлена строго под солнечное излучение. Наиболее эффективными считаются модели, уровень наклона которых можно менять относительно расположения Солнца.
• Погодных условий. На практике отмечено, что в районах с пасмурной, дождливой погодой эффективность солнечных преобразователей значительно ниже, нежели в солнечных регионах.

Кроме того, на эффективность солнечных преобразователей влияет и уровень их чистоты. Для того, чтобы устройство могло работать продуктивно, его пластины должны потреблять как можно больше солнечного излучения. Сделать это можно лишь в том случае, если приборы чистые.

Скопление на экране снега, пыли и грязи может уменьшить КПД устройства на 7%.

Мыть экраны рекомендуется 1-4 раза в год в зависимости от степени загрязнений. При этом, для очистки можно использовать шланг с насадкой. Технический осмотр преобразовательных элементов следует проводить раз в 3-4 месяца.

Мощность солнечных батарей на квадратный метр

Как было замечено выше, в среднем, один квадратный метр фотоэлектрических преобразователей обеспечивает выработку 13-18% от мощности попадающих на него солнечных лучей. То есть, при самых благоприятных условиях, с квадратного метра солнечных батарей можно получить 130-180 Вт.

Мощность гелиосистем можно увеличивать, наращивая панели и увеличивая площадь фотоэлектрических преобразователей.

Получить большую мощность можно и, установив панели с более высоким КПД. Тем не менее, достаточно низкий (в сравнении, например, с индукционными преобразователями) коэффициент полезного действия доступных солнечных батарей является главной преградой на пути к их широкому использованию. Увеличение мощности и КПД гелиосистем является первостепенными задачами современной энергетики.

Самые эффективные солнечные батареи: рейтинг

Наиболее эффективные солнечные преобразователи, на сегодня, производит фирма Sharp. Трехслойные, мощные, концентрирующие солнечные панели имеют эффективность в 44,4%. Стоимость их невероятно высока, поэтому они нашли применение лишь в авиационно-космической промышленности.

Наиболее доступными и эффективными являются современные солнечные батареи от компаний:

• Panasonic Eco Solutions;
• First Solar;
• MiaSole;
• JinkoSolar;
• Trina Solar;
• Yingli Green;
• ReneSola;
• Canadian Solar.

Компания Sun Power производят самые надежные солнечные преобразователи с КПД в 21,5%. Продукция этой компании пользуется абсолютной популярностью на коммерческих и производственных объектах, уступая, разве что, устройствам от Q-Cells.

КПД солнечных батарей (видео)

Современные солнечные батареи, как экологически чистые устройства преобразования энергии с неиссякаемым теплоносителем, набирают всю большую популярность. Уже сегодня девайсы с фотоэлектрическими преобразователями используют для бытовых целей (зарядки телефонов, планшетов). Эффективность солнечных установок пока уступает альтернативным способам получения энергии. Но, повышение КПД преобразователей – это первостепенная задача современной энергетики.

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.

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