Typy solárních panelů, jejich účinnost. Nano solární panely. Solární panely nejvyšší kvality – černé, monokrystalické

Rekordmanem v účinnosti mezi solárními bateriemi dostupnými na dnešním trhu jsou solární baterie založené na vícevrstvých fotočláncích, vyvinuté Fraunhoferovým institutem pro solární energetické systémy v Německu. Od roku 2005 jejich komerční implementaci provádí Soitec.

Velikost samotných fotobuněk nepřesahuje 4 milimetry a zaostření slunečního záření na ně je dosaženo použitím pomocných koncentračních čoček, díky nimž se nasycené sluneční světlo přeměňuje na elektřinu s účinností dosahující 47 %.

Baterie obsahuje čtyři p-n přechody, takže čtyři různé části fotobuňky mohou efektivně přijímat a převádět záření o specifické vlnové délce, ze slunečního světla, koncentrovaného 297,3krát, v rozsahu vlnových délek od infračerveného po ultrafialové.

Výzkumníci pod vedením Franka Dimirotha si původně dali za úkol vypěstovat vícevrstvý krystal a našlo se řešení – spojili růstové substráty a výsledkem byl krystal s různými polovodičovými vrstvami se čtyřmi fotovoltaickými subčlánky.

Vícevrstvé fotobuňky se již dlouho používají na kosmických lodích, ale nyní byly solární stanice založené na nich spuštěny v 18 zemích. To je možné díky vylepšené a levnější technologii. V důsledku toho poroste počet zemí vybavených novými solárními stanicemi a na trhu průmyslových solárních panelů existuje tendence ke konkurenci.

Na druhém místě jsou solární baterie na bázi třívrstvých fotočlánků Sharp, jejichž účinnost dosáhla 44,4 %. Indium gallium fosfid je první vrstvou solárního článku, arsenid gallia je druhou a arsenid indium gallium je třetí vrstvou. Tyto tři vrstvy jsou odděleny dielektrikem, které slouží k dosažení tunelového efektu.

Koncentrace světla na fotočlánku je dosažena díky Fresnelově čočce, jako u německých vývojářů - světlo slunce je koncentrováno 302krát a převáděno třívrstvým polovodičovým fotočlánkem.

Vědecký výzkum vývoje této technologie provádí Sharp nepřetržitě od roku 2003 za podpory NEDO, japonské organizace veřejné správy podporující vědecký výzkum a vývoj, jakož i šíření průmyslových, energetických a environmentálních technologií. Do roku 2013 dosáhl Sharp rekordu 44,4 %.

Dva roky před Sharpem, v roce 2011, americká společnost Solar Junction již vydala podobné baterie, ale s účinností 43,5 %, jejichž prvky měly rozměry 5 x 5 mm a ostření bylo rovněž prováděno čočkami, které koncentrovaly sluneční světlo 400krát. Solární články byly články na bázi germania se třemi spoji a tým dokonce plánoval vytvořit solární články s pěti a šesti spoji, aby lépe zachytily spektrum. Výzkum společnosti stále pokračuje.

Nejvyšší rekordní účinnost tak mají solární panely vyrobené v kombinaci s koncentrátory, které, jak vidíme, se vyrábějí v Evropě, Asii a Americe. Tyto baterie se ale vyrábějí hlavně pro stavbu velkých pozemních solárních elektráren a pro efektivní napájení kosmických lodí.

V poslední době byl zaznamenán rekord na poli běžných spotřebitelských solárních panelů, které jsou cenově dostupné pro většinu lidí, kteří si je chtějí instalovat například na střechu domu.

V polovině podzimu 2015 představila společnost Elona Muska SolarCity nejúčinnější spotřebitelské solární panely, jejichž účinnost přesahuje 22 %.

Tento ukazatel byl potvrzen měřením provedeným laboratoří Renewable Energy Test Center. Továrna v Buffalu si již stanovila denní cíl výroby 9 až 10 tisíc solárních panelů, jejichž přesné charakteristiky zatím nebyly zveřejněny. Společnost již plánuje zásobovat svými bateriemi nejméně 200 000 domácností ročně.

Faktem je, že optimalizovaný technologický proces umožnil společnosti výrazně snížit náklady na výrobu a zároveň zvýšit účinnost 2krát ve srovnání s rozšířenými spotřebitelskými silikonovými solárními panely. Musk je přesvědčen, že jeho solární panely budou v blízké budoucnosti mezi majiteli domů nejoblíbenější.

Dnes existuje mnoho nejasností kolem konceptu účinnosti solárního systému, který je důležitým kritériem pro jejich cenu. Pojem účinnost solárních článků se týká procenta slunečního záření dopadajícího na panel, které se přeměňuje na elektřinu pro další použití. Různé materiály pro solární panely vytvářejí různé účinnosti, dokonce i stejné výrobní společnosti mají různé účinnosti konverze. Zvýšení účinnosti je nejlepší způsob, jak snížit náklady na solární energii.

Účinnost solárního článku závisí na čistotě desek, které se používají jako suroviny při výrobě. Kromě toho je velmi důležité, zda je panel monokrystalický nebo polykrystalický. Většina velkých společností soustředí své úsilí na zvýšení efektivity, aby snížily náklady na neúnavné využívání solární energie.

Podívejme se na obecný rozsah účinnosti solárních článků založených na různých typech článků a různých technologiích.

Existují následující - polykrystalický nebo monokrystalický křemík. Multisolární články mají nižší účinnost než baterie vyrobené z monokrystalických článků.

Účinnost solárních článků se může u běžného monokrystalického křemíku lišit od 12 % do 20 %. U běžně instalovaných je vypočtená účinnost 15 % a závisí na typu samotného křemíku. Někteří světoví výrobci neustále zlepšují efektivitu, aby snížili své náklady a zůstali před svými konkurenty v tomto konkurenčním odvětví. Jiné maximalizují účinnost krystalických solárních článků pomocí velkých výrobních měřítek.

Polykrystalické solární články mají nižší cenu než monokrystalické a mají účinnost v rozmezí 14-17%.

Tenkovrstvá technologie má oproti uhlíkovo-křemíkovým materiálům řadu výhod.

Technologie amorfního křemíku C-Si mají nejnižší průměrnou účinnost, ale jsou nejlevnější.

Největší potenciál pro zvýšení účinnosti mají měď-indium-gallium-sulfid (CIGS) a kadmium-tellurium (Cd-Te). Mnoho výrobců tlačí vpřed s vývojem této technologie a nabízí u svých modelů jedny z nejvyšších hodnot účinnosti, které zvyšují o 19 %. Této hodnoty dosáhli pomocí několika metod, včetně použití reflexních vrstev, které dokážou zachytit více světla z rohu.

Pokud odůvodníme závislost nikoli na materiálu, ale na celkových rozměrech, pak čím vyšší je účinnost, tím menší je požadovaná pracovní plocha baterií.

I když se průměrné procento může zdát trochu nízké, je možné snadno vyměnit zařízení, přesně při instalaci, s dostatečným výkonem pro pokrytí energetických potřeb.

Mezi faktory ovlivňující účinnost solárních panelů patří:

Orientace montážního povrchu
Střecha by měla ideálně směřovat na jih, ale kvalita provedení může často kompenzovat jiné směry.

Úhel náklonu
Nadmořská výška a sklon povrchu může ovlivnit počet hodin slunečního světla přijatého v průměrném dni po celý rok. Velké komerční systémy mají solární sledovací systémy, které automaticky mění úhel slunečního paprsku po celý den. Obvykle se nepoužívá pro obytné instalace.

Teplota
Většina panelů se během používání zahřeje. Proto je obvykle potřeba je instalovat mírně nad úroveň střechy, aby bylo zajištěno dostatečné proudění chladicího vzduchu.

Stín
V zásadě je stín nepřítelem solární energie Pokud je zvolena špatná montáž, může i malé množství stínu na jednom panelu zastavit výrobu energie všech ostatních prvků, než je systém navržen Montážní plocha se provádí pro identifikaci možných tvarů stínu a slunečního záření po celý rok. Poté se provede další podrobná analýza, aby se ověřily dosažené závěry.

Konvenční solární panely s vysoce účinnými solárními systémy v průmyslovém měřítku jsou instalovány na hromadách 80 cm nad zemí, umístěných ve směru od východu na západ, podél pohybu slunce, pod úhlem 25 stupňů.

Mám zájem setkávat se s lidmi, kteří neustále hledají. Mezi nimi i můj kolega Alexander, fanoušek elektromobilů. Informace o jejím vývoji a formování flotily elektrických vozidel na Ukrajině naleznete zde. Ale kupodivu ho kromě elektromobilu zajímají i solární panely s vysokou účinností.

Po jeho otázce jsem se musel trochu zapotit a z toho vyplynulo toto.

Krystalické fotomoduly křemíku

Účinnost článků křemíkových modulů je dnes cca 15 - 20 % (polykrystaly - monokrystaly). Toto číslo se může brzy zvýšit o několik procent. Například SunTech Power, jeden z největších světových výrobců krystalických křemíkových modulů, oznámil svůj záměr uvést do dvou let fotovoltaické moduly s účinností 22 %.

Stávající laboratorní vzorky monokrystalických článků vykazují produktivitu 25%, polykrystalické - 20,5%. Teoretická maximální účinnost křemíkových unijunkčních (p-n) prvků je 33,7 %. I když se toho nepodařilo dosáhnout, hlavním úkolem výrobců je kromě zvýšení účinnosti článků zlepšit technologii výroby a snížit náklady na fotomoduly.

Samostatně jsou umístěny fotomoduly od Sanyo, vyrobené technologií HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin layer) s použitím několika vrstev křemíku, podobně jako tandemové vícevrstvé články. Účinnost těchto prvků z monokrystalického C-Si a několika vrstev nanokrystalického nc-Si je 23 %. To je dosud nejvyšší účinnost článků ze sériových krystalických modulů.

Tenkovrstvé solární články

Pod tímto názvem bylo vyvinuto několik různých technologií, jejichž výkon lze říci následovně.

Dnes existují tři hlavní typy anorganických filmových solárních článků – filmy z amorfního křemíku (a-Si), filmy z teluridu kadmia (CdTe) a filmy selenidu mědi a india a galia (CuInGaSe2 nebo CIGS).

Účinnost moderních tenkovrstvých solárních článků na bázi amorfního křemíku je cca 10%, fotomodulů na bázi teluridu kadmia - 10-11% (výrobce: First Solar), na bázi měď-indium-gallium selenid - 12-13% (japonský solární moduly SOLAR FRONTIER) . Ukazatele účinnosti sériových článků: CdTe mají účinnost 15,7 % (moduly MiaSole) a články CIGS vyrobené ve Švýcarsku - 18,7 % (EMPA).

Účinnost jednotlivých tenkovrstvých solárních článků je mnohem vyšší, například údaje o výkonu laboratorních vzorků amorfních křemíkových článků jsou 12,2 % (United Solar), CdTe články jsou 17,3 % (First Solar), CIGS články jsou 20,5 % (ZSW). V objemech výroby mezi ostatními tenkovrstvými technologiemi zatím vedou solární konvertory na bázi tenkých vrstev amorfního křemíku - celosvětový objem trhu tenkovrstvých Si článků je asi 80 %, solárních článků na bázi teluridu kadmia asi 18 % a měď-indium-gallium selenid tvoří 2 % trhu.

To je způsobeno především cenou a dostupností surovin a také vyšší stabilitou charakteristik než u vícevrstvých struktur. Všimněte si, že křemík je jedním z nejběžnějších prvků v zemské kůře, zatímco indium (prvky CIGS) a telur (prvky CdTe) jsou rozptýleny a těženy v malých množstvích. Kromě toho je kadmium (články CdTe) toxické, ačkoli většina výrobců takových solárních panelů garantuje úplnou recyklaci svých produktů.

Další vývoj fotoelektrických konvertorů na bázi anorganických tenkých vrstev je spojen se zdokonalováním technologie výroby a stabilizací jejich parametrů.

A přesto, na základě stability vlastností a relativně nízké ceny, jsou preferovány solární baterie vyrobené na bázi amorfního křemíku. Ale jak vidíme, jejich účinnost není větší než 12,2%.

Lepších výsledků bylo zatím dosaženo v laboratorních podmínkách. Příkladem je vývoj inženýrů ze švýcarské Národní laboratoře materiálů, vědy a technologie EMPA, kterým se podařilo dosáhnout vysoké míry účinnosti (20,4 %) při práci s novou generací tenkovrstvých solárních panelů. Nové panely jsou založeny na pružných polymerech vyrobených z komplexní sloučeniny CIGS nebo měď-indium-gallium (di)selenid (měď-indium-gallium-(di)selenid).

Moderní výzkumníci, kteří pracují na solárních systémech, mezi sebou neustále debatují o účinnosti solárních panelů. Jedná se o jedno z hlavních kritérií, na jehož základě se posuzuje jejich účinnost a úroveň produktivity. Protože náklady na přeměnu solární energie na elektřinu pro panely zůstávají vysoké, výrobci se obávají, jak je zefektivnit.

Je známo, že na 1 m² plochy článku se vytvoří asi 20 % celkové energie slunečního záření, které dopadá na baterii. V tomto případě mluvíme o nejpříznivějších klimatických a povětrnostních podmínkách, které se ne vždy vyskytují. Proto, abyste zvýšili sazbu, musíte nainstalovat spoustu solárních panelů. To není vždy výhodné a cena je docela cent. Proto musíte pochopit, jak je možné tyto alternativní zdroje energie využívat a jaké jsou vyhlídky do budoucna.

Účinnost baterie je tedy množství potenciálu, který skutečně produkuje, vyjádřené v procentech. Pro její výpočet je nutné vydělit výkon elektrické energie výkonem sluneční energie dopadající na povrch solárních panelů.

Nyní se toto číslo pohybuje od 12 do 25 %. I když v praxi, s přihlédnutím k počasí a klimatickým podmínkám, nestoupá nad 15. Důvodem jsou materiály, ze kterých jsou solární baterie vyrobeny. Křemík, který je hlavní „surovinou“ pro jejich výrobu, nemá schopnost absorbovat UV spektrum a může pracovat pouze s infračerveným zářením. Bohužel díky tomuto nedostatku plýtváme energií UV spektra a nevyužíváme ji blahodárně.

Vztah mezi efektivitou a materiály a technologiemi

Jak fungují solární panely? Na základě vlastností polovodičů. Světlo, které na ně dopadá, svými částicemi vyrazí elektrony umístěné na vnější dráze atomů. Velké množství elektronů vytváří potenciál elektrického proudu - za podmínek uzavřeného obvodu.

Aby byl zajištěn normální indikátor napájení, jeden modul nebude stačit. Čím více panelů, tím efektivnější je provoz radiátorů, které dodávají elektřinu do baterií, kde se bude hromadit. Přesně z tohoto důvodu Účinnost solárních panelů závisí také na počtu instalovaných modulů . Čím více jich je, tím více sluneční energie absorbují a jejich ukazatel výkonu se stává řádově vyšším.

Je možné zlepšit účinnost baterie? Takové pokusy dělali jejich tvůrci a nejednou. Východiskem do budoucna může být výroba prvků skládajících se z více materiálů a jejich vrstev. Materiály jsou uspořádány tak, že moduly mohou absorbovat různé druhy energie.

Pokud například jedna látka pracuje s UV spektrem a druhá s infračerveným, účinnost solárních článků se výrazně zvyšuje. Pokud uvažujeme v teoretické rovině, tak nejvyšší účinnost by mohla být cca 90 %.

Také typ křemíku má velký vliv na účinnost jakéhokoli solárního systému. Jeho atomy lze získat několika způsoby a všechny panely jsou na základě toho rozděleny do tří odrůd:

• polykrystaly;
• prvky z .

Solární baterie se vyrábí z monokrystalů, jejichž účinnost je asi 20 %. Jsou drahé, protože mají nejvyšší účinnost. Polykrystaly jsou mnohem levnější, protože v tomto případě kvalita jejich práce přímo závisí na čistotě křemíku použitého při jejich výrobě.

Základem pro výrobu tenkých vrstev se staly prvky na bázi amorfního křemíku. Technologie jejich výroby je mnohem jednodušší, náklady jsou nižší, ale účinnost je také nižší - ne více než 6%. Rychle se opotřebovávají. Pro zlepšení jejich životnosti se do nich proto přidává selen, gallium a indium.

Jak zajistit, aby váš solární panel fungoval co nejefektivněji

Výkon každého solárního systému závisí na:

• ukazatele teploty;
• úhel dopadu slunečních paprsků;
• stav povrchu (měl by být vždy čistý);
• povětrnostní podmínky;
• přítomnost nebo nepřítomnost stínu.

Optimální úhel dopadu slunečních paprsků na panel je 90°, tedy rovný. Existují již solární systémy vybavené unikátními zařízeními. Umožňují vám sledovat polohu svítidla v prostoru. Když se změní poloha Slunce vůči Zemi, změní se i úhel sklonu sluneční soustavy.

Neustálé zahřívání prvků také nemá nejlepší vliv na jejich výkon. Při přeměně energie dochází k vážným ztrátám. Proto Vždy byste měli ponechat malý prostor mezi solárním systémem a povrchem, na kterém je namontován . Proudy vzduchu jím procházející poslouží jako přirozený způsob chlazení.

Čistota solárních panelů - také důležitý faktor ovlivňující jejich účinnost. Pokud jsou velmi znečištěné, shromažďují méně světla, což znamená, že se snižuje jejich účinnost.

Velkou roli hraje také správná instalace. Při instalaci systému nedovolte, aby na něj dopadal stín. Nejlepší stranou, na kterou se doporučuje je instalovat, je jih.

Když přejdeme k povětrnostním podmínkám, můžeme zároveň odpovědět na oblíbenou otázku, zda solární panely fungují při zatažené obloze. Jejich práce samozřejmě pokračuje, protože elektromagnetické záření vycházející ze Slunce dopadá na Zemi v každém ročním období. Výkon panelů (účinnost) bude samozřejmě výrazně nižší, zejména v regionech s velkým množstvím deštivých a zamračených dnů v roce. Jinými slovy, budou vyrábět elektřinu, ale v mnohem menším množství než v regionech se slunečným a horkým klimatem.

Něco málo o bateriích šampiónů účinnosti

Německé baterie jsou v současnosti považovány za rekordmany v účinnosti solárních systémů. Byly vytvořeny v Institutu sluneční energie pojmenovaném po. Fraunhofer. Jsou založeny na fotočláncích skládajících se z několika vrstev. Společnost "Soytek" od roku 2005 je aktivně zavádí do široké spotřeby.

Samotné prvky nemají tloušťku větší než 4 mm a sluneční světlo je zaostřeno na jejich povrch pomocí speciálních čoček. Díky nim se částice světla přeměňují na elektřinu a účinnost je celých 47 %.

Druhé místo zaslouženě obsadily panely vytvořené pomocí fotobuněk ze tří vrstev firmy "Ostrý". I to jsou solární panely s vysokou účinností, i když o něco méně – 44 %.

Tyto tři vrstvy jsou zastoupeny třemi látkami: fosfidem india (gallia), arsenidem galia a arsenidem india (gallia). Mezi nimi je dielektrická vrstva použitá k získání tunelového efektu. Pokud jde o zaostření světla, je dosaženo použitím známé Fresnelovy čočky. Koncentrace světla je dosažena na úrovni 302 krát a poté vstupuje do třívrstvého polovodičového měniče.

Samozřejmě, že takový záznam účinnosti může být jen stěží přístupný širokému okruhu spotřebitelů. Mimochodem, majitelem firmy je Elon Musk, slavný americký miliardář "Solární město". Není to tak dávno, v roce 2015, Muskova společnost vyvinula „spotřebitelskou“ verzi solárních panelů s účinností přesahující 22 %.

Vývoj a četné laboratorní experimenty se provádějí dodnes. Můžete si být jisti, že takové technologie mají velkou budoucnost – jako ekologický alternativní zdroj energie.

Fraunhoferův institut pro výzkum solárních energetických systémů, Soitec, CEA-Leti a berlínské Helmholtzovo centrum oznámily, že dosáhly nového světového rekordu v účinnosti přeměny sluneční energie na elektrickou energii pomocí nové čtyřvrstvé struktury solárních článků. Stejně jako některé jiné vícevrstvé solární články je tento čip navržen pro práci s koncentrátorem, který koncentruje tok slunečních paprsků 297,3krát, to znamená, že plocha čoček koncentrátoru je přibližně 300krát větší než plocha fotobuňka. Účinnost 44,7 % platí pro široké spektrum slunečního záření: od ultrafialového až po infračervené. Energie vln o délce 200-1800 nm je absorbována čtyřmi vrstvami článku. Jde o důležitý krok ke zlevnění solární elektřiny a přiblížení se k důležitému milníku 50% účinnosti.

Solární články složené ze čtyř vrstev přímo připojených III-IV polovodičů dosáhly účinnosti 44,7 %.

V květnu 2013 již německo-francouzský tým z Fraunhofer ISE, Soitec, CEA-Leti a Helmholtz Center Berlin oznámil vytvoření solárních článků s účinností 43,6 %. Na základě tohoto výsledku a díky dalším intenzivním výzkumným pracím a optimalizačním krokům bylo dosaženo účinnosti 44,7 %.
Tyto solární články se používají ve fotovoltaických koncentrátorech (PVC), což je technologie, která je více než dvakrát účinnější než běžné fotovoltaické elektrárny v místech bohatých na slunce. Použití polovodičů III-V, které se původně používaly v kosmické technologii, pomohlo dosáhnout vysoké účinnosti při přeměně slunečního světla na elektřinu. V tomto propojení solárních článků jsou články vyrobené z III-V polovodičů naskládány na sebe. Každá vrstva absorbuje různé vlnové délky ze slunečního spektra.

Externí kvantová účinnost čtyřčlánkové solární baterie (každá ze čtyř vrstev má svou barvu).

Charakteristiky proudového napětí pro rekordní solární články.

„Jsme neuvěřitelně hrdí na náš tým, který na tomto solárním článku pracuje již tři roky,“ říká Frank Dimroth, vedoucí oddělení a projektový manažer zodpovědný za rozvoj této oblasti ve Fraunhofer Institute. „Tento typ připojení solárních článků byl v průběhu několika let zdokonalován jako výsledek pečlivé experimentální práce. Kromě vylepšených materiálů a optimalizace struktury hraje důležitou roli také nová technologie „plate bond“. Touto technologií jsme schopni propojit dva polovodičové čipy, které na sobě nelze pěstovat při zachování jejich vysoké kvality. Tímto způsobem můžeme vytvořit optimální kombinaci pro dosažení vysoké účinnosti solárních článků.“
"Tento světový rekord zvýšení úrovně účinnosti o více než 1 % za méně než 4 měsíce demonstruje extrémně vysoký potenciál tohoto nového typu připojení solárních článků." říká André-Jacques Auberton-Hervé, předseda představenstva a generální ředitel společnosti Soitec. "Tento nový úspěch potvrzuje trend k vyšší účinnosti, která je klíčem ke konkurenceschopnosti našich vlastních systémů solárních článků. Jsme na tento úspěch velmi hrdí a dokazuje to úspěch naší spolupráce."
"Nový rekord posiluje důvěru v přímé spojení polovodičů. Tento proces byl vyvinut díky naší spolupráci se Soitec a Fraunhofer Institute. Jsme velmi hrdí na tento nový výsledek, který otevírá skvělé vyhlídky pro solární technologie založené na novém typu spojení prvků,“ řekl generální ředitel Leti Laurent Mallier.
Moduly koncentrátorů vyrábí společnost Soitec (projekt začal v roce 2005 pod názvem „Concentrix Solar“ a byl odnoží podobného projektu Fraunhoferova institutu). Tato účinná technologie se používá v elektrárnách umístěných v oblastech s vysokým podílem přímého slunečního záření. Soitec má v současnosti instalace v 18 zemích, včetně Itálie, Francie, Jižní Afriky a státu Kalifornie.