Перечень самых эффективных солнечных батарей. Солнечные батареи с рекордным кпд

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.

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.

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

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.

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.