Солнечные панели с высоким кпд. Перовскиты могут удвоить кпд солнечных батарей за счет горячих носителей

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.

Много путаницы сегодня существует вокруг понятия кпд гелиосистемы, что является важным критерием их стоимости. Понятие кпд солнечных батарей означает процент падающего на панель солнечного света, преобразованного в электричество, с дальнейшей возможностью использования. Разные материалы для солнечных панелей создают различный кпд, даже одинаковые компании – производители имеют различный показатель эффективности преобразования. Повышение кпд является лучшим способом снизить затраты на солнечную энергию.

КПД солнечной батареи зависит от чистоты пластин, которые используются в качестве сырья при изготовлении. Кроме того, очень важно, является ли панель монокристаллического или поликристаллического вида. Большинство крупных компаний концентрирует свои усилия именно на повышении эффективности, для сокращения расходов в беспощадном использовании солнечной энергетики.

Рассмотрим общий диапазон кпд солнечных батарей, исходя из разных типов элементов и различных технологий.

Бывают следующих - поликристаллического или монокристаллического кремния. Мульти-солнечные батареи имеют более низкую эффективность, чем батареи из монокристаллических элементов.

Кпд солнечной батареи может варьироваться от 12% до 20% для обычного монокристаллического кремния. В обычно устанавливаемых, расчетный кпд составляет 15% и зависит от вида исполнения самого кремния. Одни из мировых производителей постоянно повышают эффективность для того, чтобы снизить свои издержки и опередить соперников в этой конкурентной индустрии. Другие дают максимальную эффективность кристаллических солнечных элементов, используя крупные масштабы производства.

Поликристаллические фотоэлементы имеют более низкую стоимость, чем монокристаллические и кпд в диапазоне 14-17%.

Тонкопленочная технология, в отличие от углерод – кремниевых материалов, имеет ряд преимуществ.

Аморфные кремниевые технологии С-Si имеют самый низкий средний коэффициент эффективности, но они наиболее дешевые.

Наибольший потенциал в повышении эффективности имеют медь-индий-галлий-сульфидные (CIGS) и кадмий - теллур (Cd-Te). Многие изготовители продвигают вперед разработку этой технологии и представляют один из наиболее высоких показателей эффективности своих моделей, увеличив его на 19%. Они достигли этого значения, используя несколько методов, в том числе – применение отражающих покрытий, которые могут захватить больше света от угла.

Если обосновывать зависимость не от материала, а от габаритных размеров, то, чем выше эффективность, тем меньше необходимая площадь рабочей поверхности батарей.

Хотя средний процент может показаться немного низким, можно легко изменить оснащение, именно при установке, с достаточной мощностью, чтобы покрыть потребности в энергии.

Факторы, влияющие на кпд солнечных массивов, включают в себя:

Ориентация поверхности монтажа
Крыша в идеале должна смотреть на юг, но и качество дизайна зачастую может компенсировать другие направления.

Угол наклона
Высота и наклон поверхности может повлиять на количество часов солнечного света, полученных в среднем за день в течение года. Крупные коммерческие системы имеют системы солнечного слежения, которая автоматически изменяет угол падения луча солнца в течение дня. Обычно не используется для жилых установок.

Температура
Большинство панелей при эксплуатации нагреваются. Таким образом, обычно должны быть установлены несколько выше уровня крыши, для обеспечения достаточного потока охлаждаемого воздуха.

Тень
В принципе, тень - враг солнечной энергии.При выборе неудачного дизайна при монтировании, даже небольшое количество тени на одной панели может закрыть производство энергии на всех других элементах.Перед тем, как разработать систему, проводится детальный анализ затенения поверхности крепления, для выявления возможных форм тени и солнечного света в течение года. Затем проводится другой детальный анализ, проверяющий сделанные выводы.

Обычные солнечные батареи с высоким кпд гелиосистем промышленных масштабов устанавливаются на сваи над поверхностью земли на 80см, расположены по направления с востока на запад, вдоль движения солнца, под углом 25 градусов.

Мне интересно встречаться с людьми, которые находятся в постоянном поиске. Среди них, мой коллега Александр, фанат электромобилей. Информацию о его разработках и становлении парка электромобилей в Украине вы найдете здесь. Но, как ни странно, кроме электрокара его еще интересуют солнечные панели с высоким КПД.

После заданного им вопроса, мне пришлось немного попотеть, и вот что из этого вышло.

Кремниевые кристаллические фотомодули

Коэффициент полезного действия ячеек кремниевых модулей на сегодня порядка 15 – 20% (поликристаллы — монокристаллы). Этот показатель 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 течение двух 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 КПД ячеек серийных кристаллических модулей.

Тонкопленочные солнечные батареи

Под таким названием разработано несколько различных технологий, о производительности которых можно сказать следующее.

Сегодня 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% (производитель компания First Solar), на основе селенида меди-индия-галлия – 12-13% (японские солнечные модули SOLAR FRONTIER). Показатели эффективности серийных элементов: CdTe имеют КПД 15.7% (модули MiaSole), а CIGS элементов, производимых в Швейцарии — 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. Отметим, что 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 большинство производителей таких солнечных панелей гарантируют полную утилизацию своей продукции.

Дальнейшее развитие фотоэлектрических преобразователей на основе неорганических тонких пленок связано с усовершенствованием технологии производства и стабилизации их параметров.

И все-таки, исходя из стабильности характеристик и относительно недорогой цены, предпочтение отдается солнечным батареям, изготавливаемые на основе аморфного кремния. Но КПД как мы видим, у них не более 12,2%.

Более высокие результаты достигнуты пока в лабораторных условиях. В качестве примера можно привести разработку инженеров из Швейцарской национальной лаборатории материалов, наук и технологий EMPA, которым удалось достигнуть высокого показателя КПД (20,4%) работая с новым поколением тонкопленочных солнечных панелей. В основе новых панелей лежат гибкие полимеры из комплексного соединения CIGS или copper indium gallium (di)selenid (медь-индий-галлий-(ди) селенид).

Постоянно осваивая все новые рубежи, солнечная энергетика движется вперед, поднимая значение КПД на новые уровни. Не секрет, что производительность, которую выдают , не может соперничать с устоявшимися источниками энергии . Виной всему низкая производительность существующих панелей.

Влияние на производительность различных факторов

Повышение коэффициента полезного действия - головная боль всех исследователей, работающих в данном направлении. На сегодняшний день КПД подобных устройств находится в пределах от 15 до 25 %. Процент очень низкий. Солнечные батареи являются крайне прихотливым устройством, стабильная работа которых зависит от множества причин.

К основным факторам, которые могут двояко влиять на производительность, можно отнести:

• Материал основы солнечных батарей. Самым слабым в этом плане является поликристаллические солнечные батареи, имеющие КПД до 15 %. Перспективными же можно считать модули на основе индий-галлия или кадмий-теллура, имеющие до 20% производительности.
• Ориентация приемника солнечного потока. В идеале, солнечные батареи своей рабочей поверхностью должны быть обращены к солнцу под прямым углом. В таком положении они должны находиться как можно больший период времени. Для увеличения продолжительности правильного позиционирования модулей в области солнца, более дорогие аналоги имеют в своем арсенале устройство слежения за солнцем, которое поворачивает батареи вслед за движением светила.
• Перегрев установок. Повышенная температура негативно сказывается на выработке электроэнергии, поэтому при установке необходимо обеспечить достаточную вентиляцию и охлаждение панелей. Этого добиваются устройством вентилируемого зазора между панелью и поверхностью установки.
• Тень отбрасываемая любым предметом, может значительно испортить показатели КПД всей системы.

Выполнив все требования, и по возможности установив панели в нужном положении, можно получить солнечные батареи с высоким КПД. Именно высоким, а не максимальным. Дело в том, что расчетный, или теоретический КПД, это величина, выведенная в лабораторных условиях, при средних параметрах продолжительности светового дня и количества пасмурных дней.

На практике, конечно же, процент полезного действия будет ниже.

Подбирая солнечные батареи для своего дома, лучше ориентироваться на нижний предел производительности, а не на верхний. Выбрав, таким образом, солнечные модули и все надлежащие для работы компоненты, можно быть уверенным в достаточной мощности устанавливаемой установки. Выбрав нижний предел производительности при расчетах, можно сэкономить на покупке дополнительных панелей, которые покупаются для перестраховки, на случай нехватки мощности.

Обнадеживающие перспективы развития

На сегодняшний день абсолютный рекорд КПД в солнечной энергетике принадлежит Американским разработчикам и составляет 42,8 %. Это значение на 2 % выше предыдущего рекорда 2010 года. Рекордное количество энергии удалось добиться при усовершенствовании солнечной батареи из кристаллического кремния. Уникальностью такого исследования служит тот факт, что все замеры были проведены исключительно в рабочих условиях, то есть не в лабораторных и тепличных помещениях, а в реальных местах предполагаемой установки.

В кулуарах все тех же технических лабораторий не прекращаются работы по увеличению последнего рекорда. Следующая цель разработчиков - граница КПД солнечных модулей в 50 %. С каждым днем человечество все ближе приближается к тому моменту, когда солнечная энергия полностью заменит вредные и дорогие, используемые в настоящее время, источники энергии, и станет в один ряд с такими гигантами как гидроэлектростанции.