КПД солнечных батарей- Обзор

КПД показывает способность солнечных батарей преобразовывать энергию, получаемую от солнечного излучения, превращая ее в электрический ток.

Для расчета коэффициента производитель использует следующее соотношение: мощность энергии, получаемой от солнечной панели, к мощности того потока света, который падает на рабочую поверхность.

Полученное значение указывается на панели. Зная КПД, можно правильно рассчитать необходимое количество панелей для создания эффективной солнечной электростанции.

КПД у разных типов солнечных панелей

Сегодня для того, чтобы определить КПД солнечных батарей, производители выполняют тестирование в реальных условиях. Это позволяет получить более достоверную информацию о возможностях оборудования, нежели оценка эффективности в лабораторных условиях, которая применялась раньше.

В процессе производства неизбежно возникают отклонения от технологических параметров, которые влияют на КПД. В связи с этим даже панели, изготовленные по одной и той же технологии, могут иметь разные характеристики, поэтому КПД указывают в довольно широком диапазоне.

Для изготовления солнечных панелей могут быть использованы следующие материалы

• кремний
• теллур-кадмий
• арсенид галлия
• полимеры
• селенид индия
• органические вещества.

Оптимальное соотношение эффективности и стоимости демонстрируют кремниевые панели.

От чего зависит эффективность работы солнечных батарей?

Достигать высокой эффективности использования солнечным батареям мешает недостаточная чистота материалов, погрешности технологии сборки и способность кремния поглощать лишь лучи инфракрасного спектра, в результате чего энергия ультрафиолета не используется.

В прессе периодически появляются сенсационные заявления ученых о разработке батарей высокой эффективности, однако эти разработки не получают широкого распространения ввиду высокой стоимости производства, а также нестабильности результата.

Как рассчитывается КПД солнечной батареи?

Для расчета КПД солнечной батареи на поверхность панели направляют свет, оценивается уровень излучения с помощью люксметра, фотометрические показатели переводят в энергетическую систему измерения.

Совокупная установленная мощность солнечных модулей на Земле за последние десять лет возросла более чем в 15 раз, достигнув 700 ГВт. Но этот сегмент энергетики совсем небольшой — в 2020 году солнечные панели на Земле произвели всего около 3% мирового электричества. А десять лет назад было на порядок меньше — около 0,2%.

В 1883 году американский инженер Фриттс создал прототип солнечной батареи из позолоченного селена с КПД 1%.

Итальянский ученый армянского происхождения Джакомо Чамичан в 1912 году представил проект своей солнечной батареи.

В 1930-х годах в СССР сернисто-таллиевые фотоэлементы были созданы под руководством академика Абрама Иоффе.

Близкие к современным солнечные батареи на основе кремниевых полупроводников впервые изготовили в компании BellLaboratories.

КПД их батарей составлял всего 4%. Тем не менее и с такими батареями в 1958 году в космос отправился американский спутник Vanguard 1. В том же году полетел в космос советский «Спутник-3» с кремниевыми солнечными батареями на борту.

Коэффициент полезного действия (КПД) серийных промышленных солнечных батарей (оснащенных электроникой кремниевых модулей) за последние 10–15 лет вырос от 16% до 20%, а в лабораторных экземплярах (не инкапсулированных элементах) — до 24–26%. Теоретический предел кремниевых монокристаллических батарей — 29,4%.

Этот тип солнечных элементов по-прежнему остается самым популярным, как и десятки лет назад. Он занимает около 95% современного рынка фотовольтаических элементов для преобразования солнечной энергии.

КПД у панелей разных типов

Если говорить просто, то КПД солнечной панели — отношение количества энергии, которое может произвести отдельно взятая панель, к мощности светового потока, попадающего на неё. Если нам известно это соотношение, то мы без труда определим требуемое нам количество панелей.

Разумеется, коэффициент полезного действия напрямую зависит от материала, из которого изготовлены панели. Среди фотоэлементов выделяют следующие типы:

• монокристаллические
• поликристаллические
• тонкоплёночные фотоэлементы.

Монокристаллические фотоэлементы изготавливают из кристаллов кремния, которые специально для этого выращиваются и обрабатываются. Так получают фотоэлементы с высокой степенью очистки и с высоким КПД, достигающим 22%.

Монокристаллические фотоэлементы отличают по внешнему виду.

Они темнее и имеют специфическую форму — квадратную, со срезанными углами, обусловленную технологией производства.

Более простая технология изготовления поликристаллических панелей — литьё. Это позволяет снизить себестоимость их производства, однако отражается на эффективности работы. У таких фотоэлементов КПД ниже и не превышает 18%.

Также поликристаллические панели отличают по специфическому внешнему виду. Они синего цвета с вкраплениями.

Описанные выше монокристаллические и поликристаллические фотоэлементы изготавливаются по классической технологии и относятся к первому поколению панелей. Современные исследования позволили создавать элементы второго типа — тонкоплёночные.

В них используют селен, теллурий, кадмий, галлий, индий, аморфный кремний и т. п. Технология производства тонкоплёночных элементов, относящихся ко второму поколению, отличается высокой автоматизацией. Это позволило снизить затраты на их производство.

По сравнению с панелями предыдущего типа, толщина которых может достигать 300 мкм, толщина тонкоплёночных фотоэлементов составляет всего 1-3 мкм. Вместе с тем даже у лучших экземпляров таких панелей КПД не превышает 15%.

Более перспективный вариант – перовскитовые панели, относящиеся к третьему поколению. Несмотря на то что пока такие технологии производства фотоэлементов в основном в стадии разработки, а инженеры стараются повысить их надёжность и долговечность до приемлемых значений, полученные значения КПД уже достигают 26%.

От чего зависит коэффициент полезного действия

При определении КПД разработчики используют стандартные условия, характерные для лабораторий. То есть температура окружающего воздуха принимается равной 25 ℃, а уровень инсоляции – 1000 Вт/м2.

Любое отклонение от этих оптимальных параметров неизбежно отразится как на эффективности работы, так и на сроке службы и окупаемости солнечных электростанций. Популярные производители проводят собственное тестирование и прилагают к каждой батарее документацию, где указаны эти характеристики.

Дело в том, что даже два одинаковых элемента солнечной панели, выпущенные одним и тем же производителем, могут иметь расхождения при технологии производства полупроводниковых элементов.

Как зависит изменения освещенности (количества света)

На эффективность выработки электроэнергии напрямую влияет уровень инсоляции, или сколько света прилетает на солнечные панели.

При пасмурной погоде выработка электроэнергии снижается

Панели, установленные в южных широтах, покажут большую эффективность, чем аналогичные панели, но размещённые в северных широтах, где значительную часть года пасмурно.

Если панели ориентированы правильно по сторонам света, но угол их наклона значительно отличается от оптимального, который сам изменяется в зависимости от времени года, это также отразится на КПД солнечной батареи.

Наконец, даже при выполнении всех указанных выше условий наличие тени от растущих близко деревьев или расположенных рядом строений сведёт на нет все усилия, так как значительно снизит уровень освещённости.

Наилучшая эффективность солнечных электростанций там, где тень минимальна.

На величину светового потока, попадающего на фотоэлементы, влияет и чистота самих панелей. Запылённость и другие загрязнения также снижают эффективность производства электричества.

Влияет ли температура на эффективность

Повышение температуры солнечных панелей даже на 1 ℃ по расчётам приведёт к снижению КПД на 0,45%. Для того чтобы снизить нагрев, применяется приточная вентиляция, либо панели устанавливают на небольшом расстоянии от поверхности.

Общий КПД солнечной электростанции

Рассматривая факторы, указанные выше, нельзя забывать о том, что эффективность солнечной электростанции зависит от всех её компонентов.

Кроме солнечных панелей в состав электростанции входят аккумуляторы, которые необходимы для накопления энергии и выдачи её, когда это необходимо, например, если на улице пасмурно или в тёмное время суток.

Также чтобы обеспечить правильный режим работы аккумуляторных батарей, необходим контроллер заряда. Наконец, нужно учитывать, что фотоэлементы вырабатывают постоянный ток, а для работы большинства бытовых приборов требуется переменный.

Для преобразования тока из постоянного в переменный служит инвертор. При этом очень важен тип инвертора. Строго говоря, именно с его выбора начинают подбор остального оборудования для электростанции.

Для подключения электроинструмента, электродвигателей или бытовой техники, например, холодильника, требуется инвертор, выдающий переменный ток с чистой синусоидой. Для подключения электроприборов с импульсными блоками питания подойдёт инвертор с модифицированной синусоидой.

Разумеется, инверторы с чистым синусом стоят дороже, чем остальные. Также нужно учитывать величину пускового тока, ведь в некоторых случаях ток, потребляемый электродвигателем, при запуске возрастает в 7 раз.

Все компоненты солнечной электростанции имеют свой КПД, который неизбежно отразится на общей эффективности. Этот факт также учитывают при расчётах и выборе составляющих для электростанции.

Разновидности солнечных панелей

КПД варьируется от 12 до 18%. Учитывая, что стоимость батарей невысока, можно приобрести большее количество батарей для получения нужного объема энергии при наличии свободного места на крыше.

Монокристаллические

КПД варьируется от 18 до 24%. Монокристаллические батареи преобразуют больше энергии, чем поликристаллические тех же размеров, и окупаются быстрее.

Гибкие

Их КПД сравним с эффективностью монокристаллических панелей, при этом они стоят дороже последних в 1,5-2 раза.

Лучшие модели солнечных панелей

Восток ФСМ 150П — это одна из наиболее популярных и доступных моделей в нашем рейтинге солнечных панелей.

Ее мощность составляет 150Вт. Панель является младшим братом поликристаллической Delta SM 150-12P (больше не выпускается). Популярна среди дачников, которые хотят организовать автономное электричество в своём доме.

Если вас интересует, какие солнечные панели лучше для тех, кто только начинает пользоваться солнечной энергетикой, мы ответим, что Восток ФСМ 100П. Такой панели вполне хватит чтобы организовать 12В систему, от которой будет работать освещение, ТВ, подзарядка смартфонов и других гаджетов.

Одна из самых оптимальных солнечных панелей для использования в автодоме и катере благодаря более «квадратным» размерам и номинальному напряжению 12В.

Размеры панели позволяют расположить ее оптимально, например, между световыми люками, вентиляционными грибками или на экспедиционном багажнике автодома.

E-Power 100Вт входит в ТОП солнечных батарей среди владельцев небольших катеров и яхт. Панель очень лёгкая, её можно легко закрепить, просто повесив через специальные отверстия. Также можно просто приклеить к поверхности крыши, при этом панели допускают изгиб при монтаже 10-15°, т.е. её можно зафиксировать на криволинейной поверхности.

Солнечная панель среднего ценового диапазона, чаще всего используется в составе сетевых солнечных электростанций мощностью от 1кВт, которые устанавливаются на частные дома. Обладает низкой ценой за 1Вт.

 

Данная панель выполнена по технологии PERC M10, т.е. обладает повышенным КПД солнечных элементов. По сравнению с классической солнечной панелью мощностью 160Вт размером 150*67см, эта панель обладает размерами 104*76см, т.е. на 20% меньше по площади.

OS 160M PERC оптимальна для использования на автодомах, кемперах, катерах, а также в домашних и дачных солнечных электростанциях малой мощности.