Меню

Как определить кпд солнечной батареи

КПД солнечных батарей

То что за альтернативной энергетикой и, в частности, солнечными электростанциями будущее, вряд ли у кого вызывает сомнения. Тем не менее потенциальных покупателей всегда интересует вопрос — каков коэффициент полезного действия (КПД) солнечных батарей и как его увеличить? На данный момент эффективность солнечных панелей близка к 22%, и учёные-практики работают над тем, чтобы повысить этот показатель. По сути, именно этот показатель напрямую влияет на то, сколько электроэнергии батарея принесёт в ваш дом.

Что такое КПД солнечных батарей

Практики считают, что КПД упомянутых устройств лучше всего определять как процентное соотношение энергии, которую отдаёт гелиосистема, к той энергии света Солнца, “впитываемого” рабочей площадью ваших панелей. Нужно признать что этот показатель, обычно измеряемый в процентах, за последние 50-60 лет увеличился лишь вчетверо. Хотя признаётся, что их потенциал близок к 90%. Отчего не все 100%? Дело в том, что на эффективность солнечных батарей напрямую влияет несколько факторов:

Характер атмосферных явлений (попросту, погода).

Физические свойства материалов, из которых сконструировано устройство, предназначение которого — улавливать максимально широкий диапазон спектра излучения Солнца.

Фундаментальные принципы работы полупроводников.

По причинам, указанным выше, КПД солнечных батарей в прошлом году составлял:

До 5%, если покупатель отдал предпочтение недорогим плёнкам на аморфном кремнии.

От 10% до 18%, если покупатель отдал предпочтение современным гибридным плёночным решениям, использующим соединение 2-х и более редкоземельных элементов.

От 16% до 19%, если покупатель отдал предпочтение модулям из моно- и поликристаллического кремния. Для этого типа панелей характерны потери энергии, связанные с отражением света от самого устройства или его нагревания. Кроме того монокристаллические электростанции более эффективны, но обходятся дороже.

Почти 50%, если покупатель решился приобрести недешёвые многослойные прототипы устройств с дополнительными конструкциями для улавливания солнечных лучей.

Формула расчета эффективности солнечных панелей

Эффективность использования солнечных панелей вычисляется следующим образом:

На исследуемую панель направляют контролируемый свет.

При помощи устройства под названием люксметр фиксируется уровень излучения на площадь каждого отдельного блока в солнечной панели.

Фиксируется среднее арифметическое, далее фотометрические показатели переводятся в энергетическую систему координат.

Полученный показатель (Ecp) отмечается, после чего исследуется площадь модульного “кирпича”. При её умножении на среднее арифметическое солнечной радиации, падающей на “кирпич”, исследователь получает общий для модуля показатель энергии. К примеру, 20 Вт.

Далее при включённой в электросеть батарее исследуют показатель того, насколько мощный ток она выдаёт. Уровень технологичности батареи пропорционален тому, что получается “на выходе”. К примеру, солнечная батарея с вымышленным КПД 50% даст ток 10 Вт.

Представим для удобства читателей эти данные в виде таблицы:

Мощность светопотока, Вт КПД, %
20 2 10
20 4 20
20 10 50
20 . .
20 50

100 (несуществующий идеал)

Факторы, влияющие на эффективность солнечных батарей

Важно понимать, что этот вопрос необходимо разделить на два блока — качество самих модулей и климатические параметры, в которых используется электростанция. Если использовать простой язык, то эффективность солнечных панелей прямо пропорциональна эффективности работы полупроводников, чьи функции базируются на физических принципах pn-переходов. КПД солнечных батарей, изготовленных из кремния, достаточно невысок. Причина известна — упомянутый материал улавливает исключительно инфракрасный сегмент света. Энергия ультрафиолетового излучения для него остаётся недоступной. Однако отказаться от кремния невозможно из-за его доступной цены. Иные факторы, влияющие на эффективность устройства, не зависят от характеристик материалов и связаны с атмосферными условиями и обслуживанием устройств.

  • Чистота поверхностей панели. Энергия, отдаваемая вашему дому гелиосистемой, зависит от чистоты рабочих поверхностей панелей. Ввиду этого, как правило, они устанавливаются таким образом, чтобы дождевые потоки, снег и грязь естественным образом смывались с конструкции.
  • Тень. Если выбрано решение, подразумевающее несколько панелей, тень от любого из них не должна падать на соседнюю батарею. Иначе коэффициент полезного действия будет стремительно падать. То же самое касается и тени от ближайшей инфраструктуры — столбов, вышек, деревьев, соседских построек и так далее. Возводить солнечные батареи в этом случае категорически не рекомендуется.
  • Погода. Использование гелиосистемы зимой по причине короткого дня и длинной ночи, а также неинтенсивных солнечных лучей в случае пасмурной погоды, менее эффективно. Летом КПД оборудования достигнет 14-15% (жара “съест” 2-3%), зимой — 18-19%. При этом осадки незначительно воздействуют на работу устройств: КПД панелей при наличии облаков снижается на максимум 25% (роль играет плотность облаков). Большинство батарей работает в диапазоне от -40 до +80 градусов по Цельсию. Правило таково: чем ниже температура, тем выше производительность. 25 градусов по Цельсию — наилучшая среда для работы оборудования.
  • Вектор доставки света. Панели необходимо располагать так, чтобы они “впитывали” максимум радиации Солнца. Разумеется, юг — лучшая сторона для инсталляции электростанции. Зимой необходимо немного батареи приподнять, летом — опустить.
  • Ночь. На данном этапе это неустранимый фактор. В отсутствие света конструкции не функционируют, а их собственники берут свет из общей сети или аккумуляторов. Хотя нужно упомянуть особый вид всепогодных панелей, созданных китайскими учёными в 2017 году; они работают круглосуточно и, соответственно, существенно повышают окупаемость устройства.

Если говорить об Украине, то чем южнее установлены электростанции, тем они эффективнее. Кроме того, восток страны более освещён, нежели её запад. В итоге, лучшее место для установки батарей — это Крым и южная часть Одесской области. Во всех остальных регионах наиболее продуктивны шесть месяцев — с мая по август. И пару слов о панелях, бывших в употреблении. Не рекомендуется их приобретать, поскольку их мощность будет ниже заявленной. Новые панели более эффективны и экономически целесообразны.

Способы увеличения КПД

Разумеется, первый шаг в этом направлении — это корректировка подвластных пользователю факторов, влияющих на эффективность электростанцией — тени, грязи и так далее. Кроме того, у силиконовых фотоэлементов — основы для самых распространённых панелей — есть определённый срок службы. Ещё говорят, что они “деградируют” и теряют производительность. Уже сейчас мировые учёные работают над так называемым “базовым КПД” — уровнем неизменной эффективности. Этот показатель постоянно растёт. Крыша вашего дома, где вы запланировали разместить батареи, может для этого не подходить. Тогда придётся установить их на специальную опору, которая даже позволяет элементам крутиться вслед за солнцем (благодаря поворотному трекеру). Панели меняют не только угол, но и направление. По оценкам, установка одного поворотного трекера даёт сразу плюс 40-50% эффективности. Впрочем, он весьма дорог. На рынке существуют новые высокоэффективные (43,5%) пятислойные панели фирмы Sharp, четырёхслойные фирмы Soy-Tech (44,7%) и устройство в Институте интегральных схем Фраунхофера (Германия). В последнем учреждении эффективность батареи достигает фантастических 47% — это мировой рекорд.

Если вы решили приобрести солнечную электростанцию, специалисты SUNSAY Energy готовы проконсультировать в удобное для вас время и посоветовать панель, идеально отвечающую вашим потребностям.

Источник

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.

Виды солнечных фотоэлементов и их КПД

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.

Панель из аморфного кремния

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.

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.

Монтаж солнечных батарей

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.

Установка солнечных батарей на крыше

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.
  • 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.

Разработки, направленные на увеличение КПД солнечных батарей

В последние годы учёные по всему миру заявляют о разработке технологий, увеличивающих КПД солнечных модулей. Не все из них являются применимыми к реальным условиям эксплуатации, но некоторые из них заслуживают внимания. Так, в прошлом году специалисты Sharp разработали фотоэлектрические элементы с эффективностью 43,5 процента. Такое увеличение было получено благодаря установке линзы, которая фокусирует получаемую энергию прямо в элементе.

Устройство фотоэлементов Sharp

Физики из Германии 3 года назад разработали фотоэлемент, площадь которого всего несколько квадратных миллиметров. Он состоит из четырёх слоёв полупроводников. Полученных ими КПД составил 44,7 процента. Здесь эффективность была увеличена за счёт размещения в фокус вогнутого зеркала.

В Стэнфорде был получен жаропрочный композит, который может быть использован для увеличения производительности фотоэлектрических панелей. В теории можно получить КПД близкий к 80 процентам. Этот композитный материал может перевести высокочастотное излучение в инфракрасный спектр, за счёт чего резко увеличивается эффективность.

Другие британские специалисты разработали технологию, которая увеличивает эффективность фотоэлементов на 22 процента. На гладкой поверхности гибких панелей они нанесли алюминиевые шипы наноразмера. Алюминий рассеивает солнечный свет, поэтому был выбран он. В результате увеличивается количество энергии солнца, которое поглощается фотоэлементом. За счёт этого удалось добиться увеличения эффективности.
Вернуться к содержанию

Источник

Читайте также:  Солнечные батареи будущее энергетики

Источники питания © 2021
Внимание! Информация, опубликованная на сайте, носит исключительно ознакомительный характер и не является рекомендацией к применению.