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.
При постоянно растущих ценах на электроэнергию поневоле начнешь задумываться об использовании природных источников для электроснабжения. Одна из таких возможностей — солнечные батареи для дома или дачи. При желании они могут обеспечить полностью все потребности даже большого дома.
Устройство системы электропитания от солнечных батарей
Преобразовывать энергию солнца в электричество – эта идея длительное время не давала спать ученым. С открытием свойств полупроводников это стало возможным. В солнечных батареях используются кремниевые кристаллы. При попадании на них солнечного света в них образуется направленное движение электронов, которое называется электрическим током. При соединении достаточного количества таких кристаллов получаем вполне приличные по величине токи: одна панель площадью чуть больше метра (1,3-1,4 м2 при достаточном уровне освещенности может выдать до 270 Вт (напряжение 24 В).
Так как освещенность меняется в зависимости от погоды, времени суток, напрямую подключать устройства к солнечным батареям не получается. Нужна целая система. Кроме солнечных панелей требуется:
- Аккумулятор. На протяжении светового дня под воздействием солнечных лучей солнечные батареи вырабатывают электрический ток для дома, дачи. Он не всегда используется в полном объеме, его излишки накапливаются в аккумуляторе. Накопленная энергия расходуется ненастную погоду.
- Контролер. Не обязательная часть, но желательная (при достаточном количестве средств). Отслеживает уровень заряда аккумулятора, не допуская его чрезмерного разряда или превышения уровня максимального заряда. Оба этих состояния губительны для аккумулятора, так что наличие контролера продлевает срок эксплуатации аккумулятора. Также контролер обеспечивает оптимальный режим работы солнечных панелей.
- Преобразователь постоянного тока в переменный (инвертор). Не все устройства рассчитаны на постоянный ток. Многие работают от переменного напряжения в 220 вольт. Преобразователь дает возможность получить напряжение 220-230 В.
Солнечные батареи для дома — только часть системы
Установив солнечные батареи для дома или дачи, можно стать совершенно независимым от официального поставщика. Но для этого надо иметь большое количество батарей, некоторое количество аккумуляторов. Комплект, который вырабатывает 1,5 кВт а сутки стоит около 1000$. Этого достаточно для обеспечения потребностей дачи или части электрооборудования в доме. Комплект солнечных батарей для производства 4 кВт в сутки стоит порядка 2200$, на 9 кВт в сутки — 6200$. Так как солнечные батареи для дома — модульная система, можно купить установку, которая будет обеспечивать часть потребностей, постепенно увеличивая ее производительность.
Виды солнечных батарей
С ростом цен на энергоносители идея использования энергии солнца для получения электроэнергии становится все более популярной. Тем более, что с развитием технологий солнечные преобразователи становятся эффективнее и, одновременно, дешевле. Так что, при желании, можно свои нужды обеспечить установив солнечные батареи. Но они бывают разных типов. Давайте разбираться.
Сама солнечная батарея — некоторое количество фотоэлементов, которые расположены в общем корпусе, защищенные прозрачной лицевой панелью. Для бытового использования фотоэлементы производят на основе кремния, так как он относительно недорог, и элементы на его основе имеют неплохой КПД (порядка 20-24%). На основе кремниевых кристаллов изготавливают монокристаллические, поликристаллические и тонкопленочные (гибкие) фотоэлементы. Некоторое количество этих фотоэлементов электрически соединены между собой (последовательно и/или параллельно) и выведены на клеммы, расположенные на корпусе.
Фотоэлементы установлены в закрытом корпусе. Корпус солнечной батареи делают из анодированного алюминия. Он легкий, не подвержен коррозии. Лицевую панель делают из прочного стекла, которое должно выдерживать снего-ветровые нагрузки. К тому же оно должно обладать определенными оптическими свойствами — иметь максимальную прозрачность, чтобы пропускать как можно больше лучей. Вообще, из-за отражения теряется значительное количество энергии, так что требования к качеству стекла высокие и еще оно покрывается антибликовым составом.
Виды фотоэлементов для солнечных батарей
Солнечные батареи для дома делают на основе кремневых элементов трех типов;
Если у вас скатная крыша и фасад развернут на юг или восток, слишком сильно думать о занимаемой площади не имеет смысла. Вполне могут устроить поликристаллические модули. При равном количестве производимой энергии они стоят немного дешевле.
Как правильно выбрать систему солнечных батарей для дома
Есть распространенные заблуждения, которые заставляют вас тратить лишние деньги на приобретение чересчур дорогого оборудования. Ниже приведем рекомендации того, как правильно выстроить систему электропитания от солнечных батарей и не потратить лишних денег.
Что надо купить
Далеко не все компоненты солнечной электростанции жизненно необходимы для работы. Без некоторых частей вполне можно обойтись. Они служат для повышения надежности, но без них система работоспособна. Первое, что стоит запомнить — приобретайте солнечные батареи в конце зимы, начале весны. Во-первых, погода в это время отличная, много солнечных дней, снег отражает солнце, увеличивая общую освещенность. Во-вторых, в это время традиционно объявляют скидки. Далее советы такие:
Если воспользоваться только этими советами, и подключить только технику, которая работает от постоянного напряжения, система солнечных батарей для дома обойдется в гораздо более скромную сумму чем самый дешевый комплект. Но это еще не все. Можно еще часть оборудования оставить «на потом» или вообще обойтись без него.
Без чего можно обойтись
Стоимость комплекта солнечных батарей на 1 кВт в сутки — более тысячи долларов. Немалые вложения. Поневоле задумаешься, а стоит ли оно того и каков же будет срок окупаемости. При нынешних тарифах ждать пока отобьются свои деньги придется не один год. Но можно затраты уменьшить. Не за счет качества, но за счет незначительного снижения комфортности эксплуатации системы и за счет разумного подхода к подбору ее компонентов.
Итак, если бюджет ограничен, можно обойтись несколькими солнечными панелями и аккумуляторными батареями, емкость которых на 20-25% выше максимального заряда солнечных панелей. Для мониторинга состояния купите автомобильные часы, которые еще измеряют напряжение. Это избавит вас от необходимости несколько раз в день измерять заряд на АКБ. Вместо этого вам надо будет время от времени смотреть на показания часов. Для старта это все. В дальнейшем можно докупать солнечные батареи для дома, увеличивать количество АКБ. При желании, можно купить инвертор.
Определяемся с размерами и количеством фотоэлементов
В хороших солнечных батареях на 12 вольт должно быть 36 элементов, на 24 вольта — 72 фотоэлемента. Это количество оптимально. При меньшем числе фотоэлементов вы никогда не получите заявленный ток. И это — лучший из вариантов.
Не стоит покупать сдвоенные солнечные панели — по 72 и 144 элемента соответственно. Во-первых, они очень большие, что неудобно при перевозке. Во-вторых, при аномально низких температурах, которые у нас периодически случаются, они первыми выходят из строя. Дело в том, что ламинирующая пленка при морозах сильно уменьшается в размерах. На больших панелях из-за большого натяжения она отслаивается или даже рвется. Теряется прозрачность, катастрофически падает производительность. Панель идет в ремонт.
Второй фактор. На больших по размерам панелях должна быть больше толщина корпуса и стекла. Ведь увеличивается парусность и снеговые нагрузки. Но далеко не всегда это делают, так как значительно возрастает цена. Если вы видите сдвоенную панель, а цена на нее ниже, чем на две «обычных», лучше ищите что-то другое.
Еще раз: лучший выбор — солнечная панель для дома на 12 вольт, состоящая из 36 фотоэлементов. Это оптимальный вариант, проверенный практикой.
Технические характеристики: на что обратить внимание
В сертифицированных солнечных батареях всегда указывается рабочий ток и напряжение, а также напряжение холостого хода и ток КЗ. При этом стоит учесть, что все параметры обычно указываются для температуры +25°C. В солнечный день на крыше батарея разогревается до температур, значительно превышающих эту цифру. Это объясняет наличие большего рабочего напряжения.
Также обратите внимание на напряжение холостого хода. В нормальных батареях оно порядка 22 В. И все бы ничего, но если проводить работы на оборудовании не отключив солнечные батареи, напряжение холостого ходы выведет из строя инвертор или другую подключенную технику, не рассчитанную на подобный вольтаж. Потому при любых работах — переключении проводов, подключении/отключении аккумуляторов и т.д. и т.п — первое что вы должны сделать — отключить солнечные батареи (снять клеммы). Перебрав схему, их подключаете последними. Такой порядок действий сохранит вам много нервов (и денег).
Корпус и стекло
Солнечные батареи для дома имеют алюминиевый корпус. Этот металл не корродирует, при достаточной прочности имеет небольшую массу. Нормальный корпус должен быть собран из профиля, в котором присутствуют, как минимум, два ребра жесткости. К тому же стекло должно быть вставлено в специальный паз, а не закреплено сверху. Все это — признаки нормального качества.
Еще при выборе солнечной батареи обратите внимание на стекло. В нормальных батареях оно не гладкое, а текстурированное. На ощупь — шершавое, если провести ногтями, слышен шорох. К тому же должно иметь качественное покрытие, которое сводит к минимуму блики. Это означает что в нем не должно ничего отражаться. Если хоть под каким-то углом видны отражения окружающих предметов, лучше найдите другую панель.
Выбор сечения кабеля и тонкости электрического подключения
Подключать солнечные батареи для дома необходимо медным одножильным кабелем. Сечение жилы кабеля зависит от расстояния между модулем и АКБ:
- расстояние менее 10 метров:
- 1,5 мм2 на одну солнечную батарею мощностью 100 Вт;
- на две батареи — 2,5 мм2;
- три батареи — 4,0 мм2;
- расстояние больше 10 метров:
- для подключения одной панели берем 2,5 мм2;
- двух — 4,0 мм2;
- трех — 6,0 мм2.
Можно брать сечение больше, но не меньше (будут большие потери, а оно нам не надо). При покупке проводов, обратите внимание на фактическое сечение, так как сегодня заявленные размеры очень часто не соответствуют действительным. Для проверки придется измерять диаметр и считать сечение (как это делать, прочесть можно ).
При сборе системы можно плюсы солнечных батарей провести используя многожильный кабель подходящего сечения, а для минуса использовать один толстый. Перед подключением к аккумуляторам все «плюсы» пропускаем через диоды или диодные сборки с общим катодом. Это предотвращает возможность замыкания аккумулятора (может вызвать возгорание) при замыкании или обрыве проводов между батареями и аккумулятором.
Диоды используют типа SBL2040CT, PBYR040CT. Если такие на нашли, можно снять со старых блоков питания персональных компьютеров. Там обычно стоят SBL3040 или подобные. Пропускать через диоды желательно. Не забудьте что они сильно греются, так что монтировать их надо на радиаторе (можно на едином).
Еще в системе необходим блок предохранителей. По одному на каждого потребителя. Всю нагрузку подключаем через этот блок. Во-первых, система так безопаснее. Во-вторых, при возникновении проблем, проще определить ее источник (по сгоревшему предохранителю).
Всем прекрасно известно, что чем больше коэффициент полезного действия, тем лучше. Это правило распространяется и на КПД солнечных батарей. Благодаря новым технологиям и способам производства КПД фотоэлементов постоянно растет, правда очень медленно, но главное - прогресс не стоит на месте.
Ниже приведен график достижений эффективности разных производителей, с течением времени. Начиная с середины и до самого верха - полупроводники разрабатывались для новых рекордов и космических задач, стоимость соответствующая. Все что ниже уже доступно и реально приобрести в наше время.
Всем известно про КПД, но мало кто понимает откуда берутся эти значения в процентах и как они рассчитываются. Давайте попробуем разобраться.
Как правило, завод изготовитель указывает эффективность своих собранных модулей и эффективность отдельных солнечных элементов, из которых состоит солнечная батарея. Эти параметры, как и другие характеристики, указываются при так называемых стандартных условиях - STS, основными из них является инсоляция 1000Вт/м² и температура элементов 25°С при которых и снимаются технические характеристики, в том числе и эффективность.
В настоящее время добросовестные изготовители стали тестировать каждую произведенную ими солнечную батареи после сборки и делать распечатку индивидуальных параметров, которую вкладывают к каждой батарее. Делается это для подтверждения качества своих изделий.
Ниже приведена распечатка одной из солнечных батарей SY-100 от Suoyang energy:
Каждый модуль имеет свои индивидуальные характеристики. Если взять две одинаковые панели одной модели они все равно будут иметь немного разные параметры.
Солнечные батареи данного производителя имеют положительную толерантность, в итоге мы имеем 104,617 Вт и эффективность 15,74% (отдельный элемент 18,7%). Как он получил это значение?
Формула расчета эффективности солнечных батарей выглядит следующим образом:
КПД = Pсб/Sсб/10, где:
Pсб – мощность СБ;
Sсб – площадь СБ.
Подставим значения в формулу:
КПД = 104,617/(1,2*0,554)/10 = 15,74%
Все сходится, но возникает еще один вопрос: почему тогда КПД отдельных фотоэлементов выше? Ответ прост – все дело в том, что солнечная батарея состоит из множества фотоэлементов и между ними есть небольшое расстояние, которое не используется для выработки энергии, плюс алюминиевая рама тоже «занимает место», соответственно площадь увеличивается, а КПД при этом снижается.
Ниже приведены фотографии и видео некоторых попыток получения большей эффективности фотоэлементов, с помощью создания элементов сложной формы, принудительного охлаждения солнечных элементов и фокусирования света с помощью линз. Возможно новинки хорошо покажут себя, их пустят в массовое производство, и они станут доступными для нас с вами.
Это гибридная солнечная батарея Vitru, в борьбе за эффективность производитель борется с нагревом элементов. Вода в колбе охлаждает элементы, в следствие чего не снижается напряжение и не падает мощность.
Новинка пока не продается и находится в стадии тестирования, но как заявляет V3Solar, весь секрет в конусной форме и вращения конструкции, благодаря этому ячейки не успевают нагреваться и КПД не снижается в течении всего дня.
Солнечные батареи - уникальный преобразователь энергии световых лучей в электричество с неограниченным внешним источником. Постоянно растущий спрос на данную продукцию обусловлен доступностью и экологичностью энергоснабжения без расхода теплоносителя, а также экономической окупаемостью за 2 года при минимальном сроке службы панелей в 25 лет.
Основой служат полупроводники или пленочные полимеры, пластина из слоев разной полярности преобразует свет в направленное движение электронов - это физическое явление неизменно для всех солнечных батарей. Вместе с тем такое исполнение ограничивает эффективность фотопреобразователей, часть энергии фотонов неизбежно теряется при прохождении границы p-n перехода. На практике на коэффициент полезного действия батарей влияют многие факторы: материал, площадь, расположение, интенсивность светового потока, что учитывается при покупке и эксплуатации.
Зависимость КПД от вида фотопреобразователей
Данный показатель определяется как процентное отношение вырабатываемой электрической энергии к мощности падающего солнечного света. На величину влияет чистота пластины и ее структура: пленочная, поли- или монокристаллическая. Последние виды относятся к самым дорогим и долго окупаемым, доступные солнечные батареи с высоким КПД для дома пока что производят только из слоев кремния разной полярности. Менее эффективными являются панели из террурида кадмия и CIGS, выпускаемые на основе пленочной технологии. КПД кадмиевых батарей составляет всего 11 %, но они дешевы и достаточно надежны в эксплуатации. Чуть выше показатель у пленки с нанесенными частицами галлия, меди, индия и селена, фотоэлементы CIGS эффективны на 15 %.
Для сравнения: КПД кремниевых преобразователей монокристаллического типа - 25 %, а у тонкопленочных или аморфных субмодулей из того же материала - максимум 10, устройства на основе органических полимеров имеют минимальное значение - 5 %. Многое зависит от площади панели, одиночные фотоэлементы ограничены в генерировании электричества.
Величина КПД маленьких солнечных батарей не позволяет использовать их для полноценного энергоснабжения, но их достаточно для запуска некоторых видов электроники. В любом случае, повышение эффективности устройств и минимизация их себестоимости является приоритетной задачей современной энергетики.
Факторы, влияющие на эффективность солнечных батарей
Коэффициент полезного действия зависит не только от применяемого материала и технологии, но и от целого комплекса внешних условий:
1. Интенсивности светового потока. В свою очередь этот показатель связан с географическими координатами расположенной батареи, в частности - с широтой.
2. Угла наклона конструкции. В идеале следует установить солнечные батареи, меняющие его, исходя из градиента падения лучей. Такая система стоит дороже, но она позволяет аккумулировать внушительное количество электричества (до 40–60 %) и меньше зависеть от сезона и времени суток.
3. Температуры окружающей среды. Нагрев плохо влияет на фотоэффект, вентилируемые батареи имеют очень высокий КПД. Как ни парадоксально, но в морозную ясную погоду они вырабатывают больше энергии, чем в жару (хотя общий кумулятивный эффект снижается из-за короткого светового дня).
4. Времени года. На практике КПД солнечных панелей зимой уменьшается в 2–8 раз, но это не связано с выпадением снега: на темной поверхности он быстро тает, кроме того - фотопреобразователи отлично воспринимают рассеянный свет.
5. Запыленности. Чем чище внешняя часть солнечных батарей, тем большее количество фотонов будет преобразовано, поэтому для повышения КПД рабочие поверхности рекомендуется протирать как минимум раз в два года.
6. Тени. Не секрет, что коэффициент полезного действия для солнечных батарей в пасмурную погоду значительно снижается, в туманных и дождливых районах их нет смысла ставить, то же относится и к затененным участкам. Панели нежелательно монтировать в тени высоких деревьев или соседних домов, при выборе месторасположения приоритет отдается южной стороне.
Рекордсменом по КПД среди солнечных батарей, из числа так или иначе доступных на рынке сегодня, являются, разработанные Институтом гелиоэнергетических систем Общества имени Фраунгофера в Германии, солнечные батареи на базе многослойных фотоэлементов. Начиная с 2005 года, их коммерческим внедрением занимается компания Soitec.
Размер самих фотоэлементов не превышает 4 миллиметра, а фокусировка солнечного света на них достигается путем применения вспомогательных концентрирующих линз, благодаря которым насыщенный солнечный свет преобразуется в электричество с КПД достигающим 47%.
Батарея содержит четыре p-n перехода, чтобы четыре различные звена фотоэлемента могли эффективно принимать и преобразовывать излучение с конкретной длиной волны, из солнечного света, сконцентрированного в 297,3 раза, в диапазоне длин волн от инфракрасного до ультрафиолетового.
Исследователи под руководством Франка Димирота изначально поставили перед собой задачу вырастить многослойный кристалл, и решение было найдено, - они срастили подложки для выращивания, и в результате был получен кристалл с различными полупроводниковыми слоями, с четырьмя фотоэлектрическими подъячейками.
Многослойные фотоэлементы давно используются на космических аппаратах, но теперь на их основе запущены и солнечные станции уже в 18 странах. Это становится возможным благодаря совершенствованию и удешевлению технологии. В итоге, количество стран, снабженных новыми солнечными станциями, будет расти, и налицо тенденция к конкуренции на рынке промышленных солнечных батарей.
На втором месте - солнечные батареи на базе трехслойных фотоэлементов Sharp, КПД которых достиг 44,4%. Фосфид индия-галлия - первый слой фотоэлемента, арсенид галлия - второй, арсенид индия-галлия - третий слой. Три слоя разделены диэлектриком, который служит для достижения туннельного эффекта.
Концентрация света на фотоэлемент достигается благодаря линзе Френеля, как и у немецких разработчиков, - свет солнца концентрируется в 302 раза, и преобразуется трехслойным полупроводниковым фотоэлементом.
Научные исследования по развитию этой технологии непрерывно велись Sharp, начиная с 2003 года при поддержке NEDO - японской организации общественного управления, содействующей научным исследованиям и развитию, а также распространению промышленных, энергетических и экологических технологий. К 2013 году Sharp был достигнут рекорд в 44,4%.
За два года до Sharp, в 2011 году, американская компания Solar Junction уже выпустила аналогичные батареи, но с КПД 43,5%, элементы которых обладали размером 5 на 5 мм, и фокусировка также производилась линзами, концентрируя свет солнца в 400 раз. Фотоэлементы были трехпереходными на основе германия, и группа планировала даже создать пяти и шестипереходные фотоэлементы, чтобы лучше захватить спектр. Исследования ведутся компанией и по сей день.
Таким образом, максимально рекордным КПД обладают солнечные батареи, выполненные в сочетании с концентраторами, которые, как мы видим, производят и в Европе, и в Азии, и в Америке. Но эти батареи в основном изготавливаются для постройки наземных солнечных электростанций крупных масштабов и для эффективного электроснабжения космических аппаратов.
Недавно был поставлен рекорд в сфере обычных потребительских солнечных панелей, которые доступны большинству желающих снабдить ими, например, крышу дома.
В середине осени 2015 года компания Илона Маска «SolarCity» представила наиболее эффективные потребительские солнечные панели, КПД которых превышает 22%.
Этот показатель подтвердили замеры, проведенные лабораторией Renewable Energy Test Center. Завод в Баффало уже ставит план производства на каждый день - от 9 до 10 тысяч солнечных панелей, точные характеристики которых пока не сообщаются. Компания уже планирует снабжать своими батареями не менее 200000 домов ежегодно.
Дело в том, что оптимизированный технологический процесс позволил предприятию значительно снизить стоимость производства, при этом повысив КПД в 2 раза по сравнению с широко распространенными потребительскими кремниевыми солнечными панелями. Маск уверен, что именно его солнечные панели будут пользоваться наибольшей популярностью у домовладельцев в ближайшем будущем.