Baterías solares para el hogar de alta eficiencia. Baterías solares de la más alta calidad: ¡negras, monocristalinas! Líderes en Eficiencia Energética Solar

Sobre la estación base alimentada por energía solar. La advertencia fue que el período de recuperación de la inversión de un sistema de energía con paneles solares es de 2 a 3 años. De profesión, me dedico a la instalación y puesta en servicio de sistemas de fuentes de energía alternativas y, a mi modo de ver, Los autores de artículos sobre este tema subestiman varias veces más el tiempo durante el cual el sistema se amortiza por completo.

No pretendo ser absolutamente exacto, pero los números no están sacados de la nada, sino de una instalación específica donde el equipo realizó la instalación: el complejo de producción y almacén "Myasko" de Simferopol. Los cálculos incluyen los principales artículos más costosos.

En el momento de nuestro trabajo, esta planta ya contaba con un parque con más de 300 paneles ensamblados mediante un sistema modular. Agregamos seis circuitos más de veinte paneles. (Circuito: combinar una cierta cantidad de paneles en una fuente de energía, ajustando así el circuito al voltaje requerido para el inversor).

Cálculos secos

Ahora un poco sobre los números, todos los cálculos se realizan con el costo de envío a Crimea desde Alemania.


Total:
Una armadura de 120 paneles cuesta 59.000 dólares. Estos cálculos aún no incluyen los salarios del diseñador, ingeniero e instaladores. En total, todo resultará en un presupuesto que tiende a los 65.000 dólares.

Producción de electricidad real

Teóricamente, en condiciones ideales, un panel debería producir aproximadamente 220-230 W por hora (en términos de los 220 voltios habituales). A continuación se muestran los gráficos que mantiene la unidad de control en el inversor; se pueden monitorear de forma remota.

día soleado:

Parcialmente nublado:

gráfico mensual:

En el último gráfico hay que tener en cuenta que durante dos días el sistema estuvo apagado por un tiempo, faltando los primeros tres días del mes y los dos últimos.

En un mes de verano constantemente soleado, con largas horas de luz, una granja de este tipo producirá un máximo de 4500-4700 kWh. Conociendo estos números, se puede calcular la rentabilidad del sistema, teniendo en cuenta las tarifas eléctricas.

Hay que tener en cuenta que la granja se montó sin baterías; su presencia aumentaría el coste total del sistema y, en consecuencia, el tiempo de recuperación.

Por lo tanto, no puedo lograr un período de recuperación de 2 o 3 años. Diez años es un período más o menos realista.

Una de las preguntas más habituales que surgen a la hora de decidir instalar paneles solares para uso personal es ¿qué paneles solares son los más eficientes? Sin embargo, esta formulación no es del todo correcta. En primer lugar, al consumidor medio no le importa la respuesta literal a esta pregunta. Intentemos averiguar por qué.

De hecho, la cuestión importante no es cómo elegir los paneles solares más eficientes, sino cuáles tienen la mejor relación calidad-precio. Si tiene espacio en su techo para instalar diez paneles solares y puede elegir entre los paneles solares "A", que son un poco más eficientes pero dos veces más caros que los paneles solares "B", lo más probable es que, en términos de ahorro, sea más Es recomendable elegir paneles clase “B”. En definitiva, la tarea principal es conocer qué opciones están disponibles en una situación particular y analizar el impacto económico de cada una de ellas.
En cualquier caso, si realmente quieres conocer los paneles solares (o módulos solares) más eficientes, a continuación te listamos algunos de ellos, junto con el fabricante y su valor de eficiencia:

• Paneles solares con 44,4% de eficiencia de Sharp. Los módulos solares de concentración de tres capas del líder mundial en fabricantes de células solares son muy complejos y no se utilizan en edificios residenciales o públicos porque son increíblemente caros. Básicamente, estos módulos solares han encontrado aplicación en la industria espacial, donde la eficiencia con un tamaño y peso relativamente pequeños es de gran importancia;
• Módulos solares con una eficiencia del 37,9% producidos por Sharp. Estos paneles solares de tres capas son un análogo más simple de los anteriores, con la diferencia de que no utilizan dispositivos especiales para concentrar la luz solar en el módulo. En consecuencia, el precio de dichos paneles es inferior al coste de estos dispositivos;
• Paneles solares con un 32,6% de eficiencia del Instituto de Investigación en Energía Solar (IES) y la Universidad (UPM) de España. Se trata de módulos de dos capas con concentrador solar aún más sencillos, pero su uso en edificios residenciales o públicos sigue siendo demasiado caro.

Hay alrededor de una docena de otros tipos de paneles solares que podrían agregarse a esta lista. Algunos de ellos tienen una eficiencia muy alta pero son muy caros, mientras que otros son bastante baratos pero tienen una eficiencia muy baja. Por supuesto, algunos de ellos son ineficaces y caros al mismo tiempo. Pero, sin embargo, tienen cierto interés investigador. La clave, como se señaló anteriormente, es encontrar el equilibrio óptimo entre costo y efectividad.
Existe la opinión de que hoy en día se dedica mucha menos investigación científica a las baterías solares que a las células fotovoltaicas, que son la base de la tecnología de producción de células solares; en esto dedican su tiempo los científicos de muchos institutos y universidades del mundo. Nadie intentará siquiera fabricar una batería solar que no se venda debido al escaso atractivo comercial de sus componentes: los módulos solares. Hoy en día existen en el mercado muchos tipos diferentes de paneles solares (más precisamente, módulos solares) de diversos fabricantes. Así que echemos un vistazo a los líderes en las distintas categorías:

• Los módulos solares con una eficiencia del 36 % de Amonix ostentan el récord de rendimiento general. Sin embargo, se fabrican mediante dispositivos concentradores y no se utilizan con fines domésticos;
• Los módulos solares con una eficiencia del 21,5% de la empresa estadounidense Sun Power establecieron un récord de eficiencia comercial. Los módulos solares Sun Power SPR-327NE-WHT-D lideran el camino en eficiencia en pruebas de campo. Los módulos solares que ocuparon el segundo y tercer lugar en esta prueba también fueron desarrollados por Sun Power;
• Los módulos solares de película fina de Q-Cells con una eficiencia del 17,4% ostentan el récord en esta categoría. Los paneles solares de película fina se utilizan ampliamente, pero no en edificios residenciales. Q-Cells es una empresa alemana que se declaró en quiebra en 2012 y posteriormente fue adquirida por la empresa coreana Hanwha;
• Los módulos solares de película delgada de conversión fotovoltaica de cadmio-telurio (CdTe) con una eficiencia del 16,1 % de First Solar son líderes en su categoría. Una vez más, las células solares basadas en estos módulos generalmente no se utilizan para fines domésticos, pero ayudan a la empresa a mantener una posición alta entre los fabricantes de células solares. La empresa estadounidense FirstSolar fue líder en la producción de paneles solares en el mercado americano y ocupó el año pasado el segundo lugar en el ranking mundial. A pesar de la eficiencia bastante baja del 16,1% en esta categoría, los módulos solares relativamente baratos de First Solar son la opción óptima para muchas industrias;
• El último ejemplo para demostrar que la lista de los paneles solares más eficientes es muy larga y no se limita a los ejemplos anteriores, señalamos los módulos solares flexibles con una eficiencia del 15,5% de la empresa MiaSole, líder en esta categoría. Naturalmente, para algunos fines no sólo se necesitan paneles solares, sino también paneles solares flexibles. Pero probablemente este no sea tu caso...

En resumen, te aconsejamos que no te centres en ventajas hipotéticas e irrelevantes a la hora de elegir paneles solares para tus necesidades. Olvídate de intentar elegir" paneles solares mas eficientes" Busque paneles que claramente tengan un propósito específico, en lugar de intentar encontrar paneles solares diseñados para satélites de la NASA.
El gráfico, compilado por el Laboratorio Nacional de Energías Renovables de EE. UU., demuestra claramente la amplia variedad de tecnologías de células solares y los logros de cada una de ellas en términos de eficiencia.

Cada día llegan a nuestro planeta miles de millones de kilovatios de energía solar. La gente hace tiempo que comenzó a utilizar esta energía para sus necesidades. Con el avance del progreso, se comenzaron a utilizar paneles solares para convertir la energía de la luz solar. ¿Pero son efectivos estos dispositivos? ¿A cuánto asciende la eficiencia de los paneles solares y de qué depende? ¿Cuál es su período de recuperación y cómo se puede calcular la rentabilidad del uso de paneles solares? Estas preguntas conciernen a todos los que están planeando o ya han decidido comprar paneles solares, por eso este artículo está dedicado a este tema urgente.

Veamos brevemente en qué se basa el principio de funcionamiento de los paneles solares. Se basa en las propiedades físicas de los semiconductores. Debido a la eliminación de electrones de la órbita exterior de los átomos por fotones ligeros, se forma una cantidad suficientemente grande de electrones libres. Una vez cerrado el circuito, se produce una corriente eléctrica. Pero, como regla general, una o dos células solares no son suficientes para generar suficiente energía, por lo que los módulos solares suelen incluir varias baterías solares. Cuantas más células solares estén conectadas entre sí, es decir, cuanto mayor sea el área de los paneles solares, mayor será la energía que producirán. Además del área de los paneles, la intensidad de la luz solar y el ángulo de incidencia de los rayos influyen notablemente en la energía producida.

Entendamos el concepto de eficiencia

El valor de eficiencia de un panel se obtiene dividiendo la potencia de la energía eléctrica por la potencia de la luz solar que incide sobre el panel. Hoy en día, el valor medio de este indicador en la práctica es del 12-25%, pero en teoría esta cifra se acerca al 80-85%. ¿A qué se debe esta diferencia tan grande? En primer lugar, depende de los materiales utilizados para fabricar los paneles solares. Como ya se sabe, el elemento principal que componen los paneles es el silicio. Una de las principales desventajas de esta sustancia es su capacidad para absorber únicamente la radiación infrarroja, es decir, se desperdicia la energía de los rayos ultravioleta. Por lo tanto, una de las principales direcciones en las que trabajan los científicos, tratando de aumentar la eficiencia de los paneles solares, es el desarrollo de módulos multicapa.

Las baterías multicapa son una estructura formada por capas de diferentes materiales. Se seleccionan en función de cuantos de diferentes energías. Es decir, una capa absorbe energía verde, la segunda, azul, la tercera, roja. En teoría, varias combinaciones de estas capas pueden dar un valor de eficiencia del 87%. Pero esto, lamentablemente, es sólo una teoría. Como muestra la práctica, la fabricación de tales estructuras a escala de producción es una tarea que requiere mucha mano de obra y el costo de dichos módulos es muy alto.

La eficiencia de los módulos solares también se ve afectada por el tipo de silicio utilizado. Los paneles fabricados con silicio monocristalino tienen una mayor eficiencia que los paneles fabricados con silicio policristalino. Pero el precio de las baterías monocristalinas es mayor.

La regla básica: a mayor eficiencia, para generar electricidad de una determinada potencia se necesitará un módulo de área más pequeña, es decir, se incluirá un número menor de fotocélulas en el panel solar.

¿Qué tan rápido se amortizarán los paneles solares?

El coste de los paneles solares hoy en día es bastante elevado. Y teniendo en cuenta la baja eficiencia de los paneles, la cuestión de su recuperación de la inversión es muy relevante. La vida útil de las baterías alimentadas por energía solar es de unos 25 años o más. Hablaremos de las causas de una vida útil tan larga un poco más adelante, pero por ahora aclaremos la pregunta planteada anteriormente.

El período de recuperación se ve afectado por:

• Tipo de equipo seleccionado. Las células solares de una sola capa tienen una eficiencia menor en comparación con las multicapa, pero también tienen un precio mucho más bajo.
• Ubicación geográfica, es decir, cuanta más luz solar haya en su área, más rápido se amortizará el módulo instalado.
• Costo del equipo. Cuanto más dinero gaste en la compra e instalación de los elementos que componen el sistema de ahorro de energía solar, mayor será el período de recuperación.
• El costo de los recursos energéticos en su región.

El período de recuperación promedio para los países del sur de Europa es de 1,5 a 2 años, para los países de Europa central, de 2,5 a 3,5 años, y en Rusia el período de recuperación es de aproximadamente 2 a 5 años. En un futuro próximo, la eficiencia de los paneles solares aumentará significativamente, esto se debe al desarrollo de tecnologías más avanzadas que aumentarán la eficiencia y reducirán el costo de los paneles. Y como resultado, también disminuirá el período durante el cual el sistema de ahorro de energía solar se amortizará.

¿Cuánto durarán los paneles solares?

Los paneles solares no contienen piezas mecánicas móviles, por lo que son bastante fiables y duraderos. Como se mencionó anteriormente, su vida útil es de más de 25 años. Con un uso adecuado, pueden durar 50 años. La gran ventaja es que una vida útil tan larga no requiere averías importantes; basta con limpiar sistemáticamente los espejos de las fotocélulas del polvo y otros contaminantes. Esto es necesario para una mejor absorción de energía y, en consecuencia, para una mayor tasa de eficiencia.

Una larga vida útil es uno de los principales criterios a la hora de decidir si comprar paneles solares o no. Una vez que las baterías se amorticen solas, la energía eléctrica que recibas será totalmente gratuita. Incluso si el período de recuperación es máximo (aproximadamente 6 años), no pagará por los recursos energéticos durante al menos 20 a 25 años.

Últimas novedades que aumentan la eficiencia

Casi todos los días, científicos de todo el mundo anuncian el desarrollo de un nuevo método para aumentar la eficiencia de los módulos solares. Conozcamos los más interesantes de ellos. El año pasado, Sharp presentó al público una célula solar con una eficiencia del 43,5%. Pudieron lograr esta cifra instalando una lente para enfocar la energía directamente en el elemento.

Los físicos alemanes no se quedan atrás de la empresa Sharp. En junio de 2013 presentaron su fotocélula con una superficie de sólo 5,2 metros cuadrados. mm, que consta de 4 capas de elementos semiconductores. Esta tecnología permitió alcanzar una eficiencia del 44,7%. La máxima eficiencia en este caso también se logra colocando un espejo cóncavo en el foco.

En octubre de 2013 se publicaron los resultados del trabajo de científicos de Stanford. Han desarrollado un nuevo compuesto resistente al calor que puede aumentar el rendimiento de las células solares. El valor de eficiencia teórica es de aproximadamente el 80%. Como escribimos anteriormente, los semiconductores que contienen silicio son capaces de absorber únicamente radiación IR. Así, la acción del nuevo material compuesto tiene como objetivo convertir la radiación de alta frecuencia en infrarroja.

Los siguientes fueron los científicos ingleses. Han desarrollado una tecnología que puede aumentar la eficiencia de las células en un 22%. Propusieron colocar nanopicos de aluminio en la superficie lisa de paneles de película delgada. Se eligió este metal porque no absorbe la luz solar, sino que, por el contrario, la dispersa. En consecuencia, aumenta la cantidad de energía solar absorbida. De ahí el aumento del rendimiento de las baterías solares.

A continuación se presentan sólo las principales novedades, pero el asunto no se limita a ellas. Los científicos luchan por cada décimo por ciento y hasta ahora lo han conseguido. Esperemos que en un futuro próximo la eficiencia de los paneles solares alcance el nivel adecuado. Después de todo, los beneficios del uso de paneles serán máximos.

El artículo fue preparado por Abdullina Regina.

Moscú ya está utilizando nuevas tecnologías para iluminar calles y parques, creo que allí se ha calculado la eficiencia económica:

Red cristalina de perovskita CH3NH3PbI3

Wikimedia Commons

Investigadores estadounidenses han demostrado que en las células solares basadas en perovskitas, los portadores de carga con un exceso de energía pueden recorrer una distancia significativa antes de disiparla en forma de calor. Esto significa que es muy posible implementar células fotovoltaicas sobre soportes calientes, cuyo límite de eficiencia teórica es dos veces mayor que el de las de silicio convencionales. El estudio fue publicado en la revista Ciencia.

En las células solares más comunes hoy en día, que utilizan silicio como semiconductor, la eficiencia teóricamente posible apenas supera el 30 por ciento. Esto se debe a que las células de silicio sólo pueden utilizar una parte del espectro de la luz solar. Los fotones con energía por debajo del umbral simplemente no se absorben, y aquellos con energía demasiado alta conducen a la formación de los llamados portadores de carga calientes (por ejemplo, electrones) en la fotocélula. La vida útil de estos últimos es de aproximadamente un picosegundo (10 -12 segundos), luego se "enfrían", es decir, disipan el exceso de energía en forma de calor. Si se pudieran recolectar portadores calientes, esto aumentaría el límite de eficiencia teórica al 66 por ciento, o el doble. A pesar de que en algunos experimentos se pudo observar una pequeña conservación de la energía, los elementos en los portadores calientes siguen siendo bastante hipotéticos.

Científicos de la Universidad Purdue y del Laboratorio Nacional de Energías Renovables (EE.UU.) contribuyeron al estudio de una nueva y prometedora clase de células fotovoltaicas basadas en perovskitas y demostraron que en dichas células los portadores calientes no sólo tienen una mayor vida útil (hasta 100 picosegundos), sino que También son capaces de “correr” distancias importantes de varios cientos de nanómetros (lo que es comparable al espesor de la capa semiconductora).

Las perovskitas organometálicas reciben su nombre de su estructura cristalina. Básicamente, repite la estructura de un mineral natural: la perovskita o titanato de calcio. Químicamente, son haluros mixtos de plomo y cationes orgánicos. Los autores del trabajo utilizaron una perovskita común a base de yoduro de plomo y metil amonio. Teniendo en cuenta que en las perovskitas la vida útil de los portadores calientes aumenta considerablemente en comparación con otros semiconductores, los autores decidieron averiguar hasta qué punto se pueden transferir los portadores calientes durante su enfriamiento. Utilizando microscopía de ultra alta velocidad, los investigadores pudieron observar directamente el transporte de portadores calientes en películas delgadas de perovskita con alta resolución espacial y temporal.

Transporte de portadores calientes en un semiconductor durante el primer picosegundo después de la excitación.

Guo et al / Ciencia 2017

Resultó que el enfriamiento lento en las perovskitas se asocia con un rango de hasta 600 nanómetros. Esto significa que los portadores de carga con exceso de energía en teoría pueden superar la capa semiconductora y llegar al electrodo, es decir, pueden ser recolectados (sin embargo, los autores del trabajo no discuten cómo implementar esto técnicamente). Por lo tanto, es posible realizar células solares portadoras de calor utilizando perovskitas como base.

Hasta la fecha, la eficiencia máxima, que alcanza el 46%, se ha registrado para células fotovoltaicas multicomponentes multicapa, que incluyen arseniuro de galio, indio y germanio con inclusiones de fósforo. Estos semiconductores utilizan la luz de manera más eficiente al absorber diferentes partes del espectro. Su producción es muy cara, por lo que estos elementos se utilizan únicamente en la industria espacial. Anteriormente también escribimos sobre elementos basados ​​en telururo de cadmio, que pueden producirse en forma de películas delgadas y flexibles. A pesar de que la contribución total de la energía solar a la producción de electricidad aún no supera el 1%, la tasa de crecimiento puede considerarse explosiva. Países como India y China están especialmente interesados ​​en utilizar energía solar renovable. Google anunció a finales de 2016 que este año pasaría por completo a las energías renovables.

Actualmente, en la vida cotidiana se utilizan principalmente células solares de silicio, cuya eficiencia real es del 10 al 20 por ciento. Los elementos basados ​​en perovskitas aparecieron hace menos de 10 años e inmediatamente despertaron un merecido interés (ya hemos escrito sobre ellos). La eficiencia de estos elementos está aumentando rápidamente y casi ha alcanzado el 25 por ciento, lo que es comparable a los mejores ejemplos de células solares de silicio. Además, son muy fáciles de producir. A pesar del éxito tecnológico, los principios físicos de funcionamiento de las células de perovskita están relativamente poco estudiados, por lo que el trabajo discutido por científicos de Estados Unidos hace una importante contribución a los principios fundamentales de la energía fotovoltaica y, por supuesto, conlleva la perspectiva de seguir aumentando la Eficiencia de las células solares.

Daria Spasskaya

- no es un invento nuevo. Desde hace más de medio siglo, la humanidad utiliza la radiación solar para suministrar electricidad a una amplia variedad de aparatos y aparatos. Sin embargo, las baterías de este tipo aún no se han generalizado y no han desplazado del mercado a otras fuentes de energía. Una de las razones es que los paneles solares no siempre son suficientemente eficientes.

Un panel solar o batería es un dispositivo que puede convertir la energía contenida en la radiación solar en electricidad.

depende de muchos factores:

• materiales;
• clima;
• Tipo de Batería.

Eficiencia estándar de los paneles solares ampliamente utilizados para uso personal , el valor se considera aproximadamente igual al 20%. Para algunos tipos de dispositivos esta cifra será mayor, para otros será menor. Pero ese es el promedio. Este valor muestra qué porcentaje de la luz que incide sobre la batería se convirtió en electricidad.

Por supuesto, esta es una definición muy aproximada, pero en general correcta. En los laboratorios ya se han creado baterías con una eficiencia del 50 e incluso del 100%. Pero por ahora estos son sólo prototipos.

Paneles de silicona

La eficiencia operativa ideal de los paneles solares que utilizan silicio puro como semiconductor es del 34% de la luz total recibida. Hay que tener en cuenta que en condiciones de poca luz, con luz difusa, las baterías captarán menos luz, y el indicador cuantitativo de este 34% disminuirá.

• Los paneles de silicona funcionan bien con luz brillante, pero son ineficaces con luz difusa.
• policristalino Tienen menor eficiencia, pero funcionan bien en condiciones de poca luz.
• (película delgada) Los paneles también son bastante eficaces con luz difusa.

Paneles híbridos

La eficiencia de los dispositivos de silicio es relativamente baja, ya que sólo pueden recibir energía en la parte roja del espectro. La energía del azul, el fotón más saturado energéticamente, no se utiliza. Los científicos de todo el mundo están trabajando activamente para resolver este problema.

Una de las opciones propuestas es el uso del pentaceno de carbono aromático y el compuesto químico PbS. Esta combinación permite obtener más electrones y, como resultado, generar más energía.

Los paneles solares más eficientes son las células multicapa, en las que cada capa realiza su propia tarea. La eficiencia de estas baterías puede alcanzar el 87%. Pero estas tecnologías aún no se utilizan en la producción en masa. A medida que aumenta el número de capas, también aumenta el coste de la batería. Para lograr una eficiencia del 87%, será necesario fabricar una batería solar muy cara.

Los dispositivos basados ​​en el mineral perovskita son muy prometedores. Ahora son menos eficientes que el silicio, pero esto se debe en gran medida a la novedad de la tecnología. Los resultados de las pruebas disponibles sugieren que en el futuro serán capaces de ocupar el primer lugar en el mercado de energías alternativas.

La eficiencia de los paneles solares depende directamente de su ubicación. Deberán estar orientados al sur con la superficie de trabajo e inclinados formando un ángulo igual a la latitud del punto en el que se encuentren. Los paneles no se pueden colocar de modo que, por ejemplo, caiga sobre ellos la sombra de un edificio vecino.

Un problema que puede surgir en invierno es la nieve que cubre la superficie de trabajo. En general, aquí hay pocas opciones de solución: limpiarlo manualmente o cambiar el ángulo de inclinación. Un dispositivo útil que puede aumentar la eficiencia de las baterías es un rastreador que hace girar el panel para seguir el sol.

Es importante asegurarse de que el sistema no se caliente demasiado, ya que el sobrecalentamiento debilita el efecto fotoeléctrico. Esto se puede evitar instalando una batería ventilada. El polvo en la superficie de trabajo también reduce la cantidad de energía generada. El sistema debe limpiarse al menos cada dos años.