Физики из России улучшили КПД солнечных батарей на 20%

Взаимосвязь КПД с материалами и технологиями

Как работают солнечные батареи? По принципу свойств полупроводников. Свет, который падает на них, производит выбивание своими частицами электронов, находящихся на внешней орбите атомов. Большое количество электронов создает потенциал электрического тока — при замкнутых условиях цепи.

Чтобы обеспечить нормальный показатель мощности, одного модуля будет мало. Чем больше панелей, тем эффективней работа радиаторов, отдающих электроэнергию аккумуляторам, где она будет накапливаться. Именно по этой причине эффективность солнечных батарей зависит и от количества устанавливаемых модулей. Чем их больше, тем больше энергии Солнца они поглощают, а показатель мощности у них становится на порядок выше.

Можно ли повысить КПД батареи? Такие попытки были предприняты их создателями, и не один раз. Выходом из положения в будущем может стать производство элементов, состоящих из нескольких материалов и их слоев. Материалы следуют таким образом, чтобы модули могли вбирать в себя разные типы энергии.

Например, если одно вещество работает с УФ-спектром, а другое — с инфракрасным, КПД солнечных батарей в разы повышается. Если мыслить на уровне теории, то наивысшим коэффициентом полезного действия может стать показатель около 90%.

Также на КПД любой гелиосистемы большое влияние оказывает и разновидность кремния. Его атомы можно получить несколькими путями, и все панели, исходя из этого, делятся на три разновидности:

  • монокристаллы;
  • поликристаллы;
  • элементы из аморфного кремния.

Из монокристаллов производят солнечные батареи, КПД которых составляет около 20%. Они стоят дорого, так как эффективность у них самая высокая. Поликристаллы по стоимости гораздо ниже, так как в данном случае качество их работы напрямую зависит от чистоты кремния, используемого при их изготовлении.

Элементы, в основе которых находится аморфный кремний, стали основой для производства тонкопленочных гибких солнечных панелей. Технология их изготовления гораздо проще, стоимость ниже, но и КПД меньше — не более 6%. Они быстро изнашиваются. Поэтому для улучшения срока их службы в них добавляются селен, галлий, индий.

Использование

Портативная электроника

Для обеспечения электричеством и/или подзарядки аккумуляторов различной бытовой электроники — калькуляторов, плееров, фонариков и т. п.

Энергообеспечение зданий

Солнечная батарея на крыше дома

Солнечные батареи крупного размера, как и солнечные коллекторы, широко используются в тропических и субтропических регионах с большим количеством солнечных дней. Особенно популярны в странах Средиземноморья, где их помещают на крышах домов.

Новые дома Испании с марта 2007 года оборудованы солнечными водонагревателями, чтобы самостоятельно обеспечивать от 30 % до 70 % потребностей в горячей воде, в зависимости от места расположения дома и ожидаемого потребления воды. Нежилые здания (торговые центры, госпитали и т. д.) должны иметь фотоэлектрическое оборудование.

В настоящее время переход на солнечные батареи вызывает много критики среди людей. Это обусловлено повышением цен на электроэнергию, загромождением природного ландшафта. Противники перехода на солнечные батареи критикуют такой переход, так как владельцы домов и земельных участков, на которых установлены солнечные батареи и ветровые электростанции, получают субсидии от государства, а обычные квартиросъемщики — нет. В связи с этим Федеральное министерство экономики Германии разработало законопроект который позволит в ближайшем будущем ввести льготы для арендаторов, проживающих в домах, которые обеспечиваются энергией, поступающей от фотовольтаических установок или блочных тепловых электростанций. Наряду с выплатой субсидий владельцам домов, которые используют альтернативные источники энергии, планируется выплачивать дотации проживающим в этих домах квартиросъемщикам.

Использование в космосе

Солнечные батареи — один из основных способов получения электрической энергии на космических аппаратах: они работают долгое время без расхода каких-либо материалов, и в то же время являются экологически безопасными, в отличие от ядерных и радиоизотопных источников энергии.

Однако при полётах на большом удалении от Солнца (за орбитой Марса) их использование становится проблематичным, так как поток солнечной энергии обратно пропорционален квадрату расстояния от Солнца. При полётах же к Венере и Меркурию, напротив, мощность солнечных батарей значительно возрастает (в районе Венеры в 2 раза, в районе Меркурия в 6 раз).

Использование в медицине

Южнокорейские ученые разработали подкожную солнечную батарею. Миниатюрный источник энергии может быть вживлен под кожу человека с целью бесперебойного обеспечения работы приборов, имплантированных в тело, например, кардиостимулятора. Такая батарея в 15 раз тоньше волоса и может заряжаться, если даже на кожу наносится солнцезащитное средство.

Что такое КПД

Итак, КПД батареи — это количество реально вырабатываемого ею потенциала, обозначаемое в процентах. Для его вычисления необходимо мощность электрической энергии разделить на мощность энергии Солнца, попадающей на поверхность солнечных панелей.

Сейчас этот показатель находится в пределах от 12 до 25%. Хотя на практике, учитывая погодные и климатические условия, он не поднимается выше 15. Причиной тому являются материалы, из которых производят солнечные аккумуляторы. Кремний, который представляет собой основное «сырье» для их изготовления, не обладает способностью поглощения УФ-спектра и может работать только с инфракрасным излучением. К сожалению, из-за такого недостатка мы теряем энергию УФ-спектра и не применяем ее с пользой.

Влияние на производительность различных факторов.

Повышение коэффициента полезного действия солнечных модулей – 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.

КПД у разных типов солнечных панелей

Все современные солнечные батареи функционируют на основе физических свойств полупроводников. Фотоны солнечного света, попадая на фотоэлектрические панели, выбивают электроны с внешних орбит атомов. В результате, начинается их перемещение, что приводит к появлению электрического тока.

Единичные панели не могут обеспечить нормальной мощности, поэтому они в определенных количествах соединяются в общую солнечную батарею. Чем больше фотоэлементов задействовано в системе, тем выше будет мощность выдаваемой электроэнергии.

Зная принцип работы панелей, можно определить их коэффициент полезного действия. Теоретически, определение КПД представляет собой мощность произведенной электроэнергии, разделенная на мощность энергии солнечных лучей, попадающих на данную панель. Теоретически современные системы способны выдавать до 25%, но в реальности этот показатель составляет не более 15%. Очень многое зависит от материала, из которого изготовлены панели. Например, широко используемый кремний, способен поглощать лишь лучи инфракрасного спектра, а энергия ультрафиолетовых лучей им не воспринимается и пропадает впустую.

В настоящее время ведется работа над созданием многослойных панелей, что дает возможность изготовить солнечные батареи с высоким КПД. В их конструкцию входят различные материалы, расположенные в несколько слоев. Они подобраны таким образом, что способны улавливать все основные энергетические кванты. То есть, каждый слой определенного материала способен поглощать один из видов энергии.

Теоретически у таких устройств КПД может увеличиться до 87%, однако на практике технология изготовления таких панелей довольно сложная. Кроме того, их стоимость получается намного выше по сравнению со стандартными солнечными системами.

КПД солнечной батареи во многом зависит от типа кремния, применяемого в фотоэлементах. Все панели на основе этого материала разделяются на три вида:

  • Монокристаллические, с КПД 10-15%. Считаются наиболее эффективными, а их цена заметно выше других устройств.
  • Поликристаллические обладают более низкими показателями, однако стоимость одного ватта у них значительно ниже. При использовании качественных материалов, такие панели по эффективности иногда превосходят монокристаллы.
  • Гибкие тонкопленочные панели, основой которых является аморфный кремний. Они отличаются простотой в изготовлении и низкой стоимостью. Тем не менее, КПД этих устройств очень низкий, примерно 5-6%. Постепенно, в процессе эксплуатации, их показатели уменьшаются, производительность становится более низкой.

Плюсы

  1. За счет того, что в панелях нет подвижных узлов и элементов, повышается долговечность. Производители гарантируют срок службы в 25 лет.
  2. Если соблюдать все регламентные работы и правила эксплуатации работа таких систем увеличивается до 50 лет. Обслуживание довольно несложное — своевременно очищать фотоэлементы от пыли, снега и других естественных загрязнений.
  3. Именно долговечность системы — определяющий фактор для покупки и монтажа панелей. После того как все затраты себя окупят, вырабатываемое электричество получится бесплатным.

Самое главное препятствие для широкого применения таких систем — их высокая стоимость. При низком КПД бытовых солнечных панелей, есть серьезные сомнения в экономической необходимости именно в таком способе добычи электроэнергии.

Но опять же, надо разумно оценивать возможности данных систем и, исходя из этого, рассчитывать ожидаемую отдачу. Полностью заменить традиционную электроэнергию не выйдет, но получить экономию, используя и солнечные системы, вполне реально.

Кроме того, сложно не заметить такие выгоды как:

  • Получение электричества в самых удаленных от цивилизации районах;
  • Автономность;
  • Бесшумность.

Недостатки солнечной электроэнергетики

  • Необходимость использования больших площадей;
  • Солнечная электростанция не работает ночью и недостаточно эффективно работает в вечерних сумерках, в то время как пик электропотребления приходится именно на вечерние часы;
  • Несмотря на экологическую чистоту получаемой энергии, сами фотоэлементы содержат ядовитые вещества, например, свинец, кадмий, галлий, мышьяк и т. д.

Cолнечные электростанции подвергаются критике из-за высоких издержек, а также низкой стабильности комплексных галогенидов свинца и токсичности этих соединений. В настоящее время ведутся активные разработки бессвинцовых полупроводников для солнечных батарей, например на основе висмута и сурьмы.

Из-за своей низкой эффективности, которая в лучшем случае достигает 20 процентов, солнечные батареи сильно нагреваются. Остальные 80 процентов энергии солнечного света нагревают солнечные батареи до средней температуры около 55 °C. С увеличением температуры фотогальванического элемента на 1°, его эффективность падает на 0,5 %. Эта зависимость нелинейна и повышение температуры элемента на 10° приводит к снижению эффективности почти в два раза. Активные элементы систем охлаждения (вентиляторы или насосы) перекачивающие хладагент, потребляют значительное количество энергии, требуют периодического обслуживания и снижают надёжность всей системы. Пассивные системы охлаждения обладают очень низкой производительностью и не могут справиться с задачей охлаждения солнечных батарей.

Расчет производительности

Применение солнечной энергии и экономическую рациональность таких концепций обусловливает эффективность всех видов систем солнечных батарей. Прежде всего учитываются затраты, обращённые на преобразование энергии солнца в электрическую.

Насколько окупаемы и эффективны такие системы, определяют и такие факторы как:

  • Тип гелиопанелей и сопутствующего оборудования;
  • КПД фотоэлементов и их стоимость;
  • Климатические условия. В разных регионах — разная солнечная активность. Она же влияет и на срок окупаемости.

Как подобрать нужную производительность

Перед покупкой панелей необходимо знать, какую необходимую эффективность сможет выдавать солнечная батарея.

Если ваш домашний уровень потребления составляет, к примеру, 100 кВт/месяц (по электросчетчику), то целесообразно чтобы гелиоэлементы вырабатывали столько же.

С этим определились. Пойдем дальше.

Понятно, что гелиостанция работает только в дневное время суток. Мало того — паспортная мощность будет достигнута при наличии ясного неба. Кроме этого, пика мощности можно добиться при условии падения лучей солнца на поверхность под прямым углом.

При изменении положения солнца изменяется и угол панели. Соответственно, при больших углах будет наблюдаться заметное снижение мощности. Это только при условии ясного дня. В пасмурную погоду можно гарантировать падение мощности в 15–20 раз. Даже небольшое облачко или дымка вызывает падение мощности в 2–3 раза

Это тоже надо принимать во внимание

Теперь — как рассчитать время работы панелей?

Рабочий период, при котором батареи смогут эффективно работать практически на всю мощность, составляет примерно 7 часов. С 9–00 до 4–00 вечера. В летнее время световой день больше, но и выработка электричества в утреннее и вечернее время совсем мала — в пределах 20–30 %. Остальная часть, это 70 %, будет вырабатываться, опять-же, в дневное время, с 9 до 16 часов.

Итак, получается, что если панели имеют паспортную мощность 1 кВт, то в самый летний, самый солнечный день выработают 7 кВт/час электроэнергии. При том условии, что проработают с 9 до 16 часов дня. То есть в месяц это составит 210 кВт/час электроэнергии!

Это комплект панелей. А одна панелька мощностью всего-навсего в 100 ватт? За день она даст 700 ватт/час. В месяц 21 кВт.

Как сделать работу солнечной панели максимально эффективной

Производительность любой гелиосистемы зависит от:

  • температурных показателей;
  • угла падения лучей Солнца;
  • состояния поверхности (она всегда должна быть чистой);
  • погодных условий;
  • наличия или отсутствия тени.

Оптимальный угол падения лучей Солнца на панель — 90°, то есть прямой. Уже существуют гелиосистемы, оснащенные уникальными устройствами. Они позволяют следить за положением светила в пространстве. Когда положение Солнца по отношению к Земле изменяется, меняется и угол наклона гелиосистемы.

Постоянный нагрев элементов тоже не лучшим образом сказывается на их производительности. Когда энергия преобразуется, возникают ее серьезные потери. Поэтому между гелиосистемой и поверхностью, на которую она монтируется, всегда нужно оставлять небольшое пространство. Воздушные потоки, проходящие в нем, будут служить природным способом охлаждения.

Чистота солнечных батарей — тоже немаловажный фактор влияющий на их КПД. Если они сильно загрязнены, они собирают меньше света, а значит, их эффективность снижается.

Также и правильная установка играет большую роль. Нельзя при монтировании системы допускать, чтобы на нее падала тень. Лучшая сторона, на которой их рекомендуется устанавливать — южная.

Переходя к погодным условиям, можно заодно ответить на популярный вопрос о том, работают ли солнечные батареи в пасмурную погоду. Безусловно, работа их продолжается, потому что электромагнитное излучение, исходящее от Солнца, попадает на Землю во все времена года. Конечно, производительность панелей (КПД) будет значительно меньше, особенно в регионах с обилием дождливых и пасмурных дней в году. Другими словами, электроэнергию они вырабатывать будут, но в гораздо меньшем количестве, чем в регионах с солнечным и жарким климатом.

Факторы, влияющие на эффективность фотоэлементов

Особенности строения фотоэлементов вызывают снижение производительности панелей с ростом температуры.

Частичное затемнение панели вызывает падение выходного напряжения за счёт потерь в неосвещённом элементе, который начинает выступать в роли паразитной нагрузки. От данного недостатка можно избавиться путём установки байпаса на каждый фотоэлемент панели. В облачную погоду при отсутствии прямых солнечных лучей крайне неэффективными становятся панели, в которых используются линзы для концентрирования излучения, так как исчезает эффект линзы.

Из рабочей характеристики фотоэлектрической панели видно, что для достижения наибольшей эффективности требуется правильный подбор сопротивления нагрузки. Для этого фотоэлектрические панели не подключают напрямую к нагрузке, а используют контроллер управления фотоэлектрическими системами, обеспечивающий оптимальный режим работы панелей.

Как устроена солнечная батарея

Все современные солнечные батареи работают благодаря открытию, сделанным физиком Александром Беккерелем в 1839 году — самого принципа работы полупроводников.

Если нагревать кремниевые фотоэлементы на верхней пластине, то атомы кремниевого полупроводника высвобождаются. Их стремятся захватить атомы нижней пластины. В полном соответствии с законами физики, электроны нижней пластины должны вернуться в первоначальное состояние. Этим электронам открывается один путь — по проводам. Сохранённая энергия передается аккумуляторам и возвращается вновь в верхнюю кремниевую пластину.

История

В 1842 году Александр Эдмон Беккерель открыл эффект преобразования света в электричество. Чарльз Фриттс (англ. Charles Fritts) начал использовать селен для превращения света в электричество. Первые прототипы солнечных батарей были созданы итальянским фотохимиком Джакомо Луиджи Чамичаном.

25 марта 1948 года, специалисты компании Bell Laboratories заявили о создании первых солнечных батарей на основе кремния для получения электрического тока. Это открытие было произведено тремя сотрудниками компании — Кельвином Соулзером Фуллером (Calvin Souther Fuller), Дэрилом Чапин (Daryl Chapin) и Геральдом Пирсоном (Gerald Pearson). Уже через 4 года, 17 марта 1958 года, в США был запущен спутник с использованием солнечных батарей — «Авангард-1». 15 мая 1958 года в СССР также был запущен спутник с использованием солнечных батарей — «Спутник-3».

Это интересно: В Германии построили самую высокую ветряную электростанцию в мире

Как быстро окупятся солнечные батареи?

Стоимость солнечных батарей сегодня достаточно высока. А с учетом небольшого значения КПД панелей, вопрос их окупаемости очень актуален. Срок службы батарей, работающих от солнечной энергии, составляет порядка 25 и более лет. О том, чем обусловлен столь долгий срок эксплуатации, мы поговорим чуть позже, а пока выясним озвученный выше вопрос.

На срок окупаемости влияют:

  • Тип выбранного оборудования. Однослойные фотоэлементы имеют более низкий КПД в сравнении с многослойными, но и гораздо меньшую цену.
  • Географическое положение, то есть чем больше солнечного света в Вашей местности, тем быстрее окупится установленный модуль.
  • Стоимость оборудования. Чем больше средств Вы потратили на приобретение и монтаж элементов, входящих в состав солнечной системы энергосбережения, тем длиннее срок окупаемости.
  • Стоимость энергоресурсов в Вашем регионе.

Средние цифры срока окупаемости для стран Южной Европы составляют 1,5-2 года, для стран Средней Европы – 2,5-3,5 года, а в России срок окупаемости равен примерно 2-5 годам. В ближайшем будущем эффективность солнечных батарей значительно увеличится, связано это с разработкой более совершенных технологий, позволяющих увеличивать КПД и снижать себестоимость панелей. А как следствие уменьшится и срок, в течение которого система энергосбережения на солнечной энергии окупит себя.

Последние разработки, увеличивающие показатель КПД

Чуть ли не каждый день ученые по всему миру заявляют о разработке нового метода, позволяющего увеличить коэффициент полезного действия солнечных модулей. Познакомимся с самыми интересными из них. В прошлом году компания Sharp представила общественности солнечный элемент, эффективность которого составила 43,5%. Этой цифры они смогли добиться с помощью установки линзы для фокусировки энергии непосредственно в элементе.

Не отстают от компании Sharp и немецкие физики. В июне 2013 года они представили свой фотоэлемент площадью всего в 5,2 кв. мм, состоящий из 4-х слоев полупроводниковых элементов. Такая технология позволила добиться КПД в 44,7%. Максимальная эффективность в данном случае также достигается за счет помещения вогнутого зеркала в фокус.

В октябре 2013 года были опубликованы результаты работ ученых из Стэнфорда. Они разработали новый жаропрочный композит, способный увеличить производительность фотоэлементов. Теоретическое значение КПД составляет около 80%. Как мы писали выше, полупроводники, в состав которых входит кремний, способны поглощать лишь ИК-излучение. Так вот действие нового композитного материала направлено на перевод высокочастотного излучения в инфракрасное.

Следующими стали английский ученые. Они разработали технологию, способную увеличить эффективность элементов на 22%. Они предложили на гладкой поверхности тонкопленочных панелей разместить наношипы из алюминия. Этот металл был выбран по причине того, что солнечный свет им не поглощается, а, наоборот, рассеивается. Следовательно, увеличивается количество поглощаемой солнечной энергии. Отсюда и рост производительности солнечной батареи.

Здесь приведены лишь основные разработки, но дело ими не ограничивается. Ученые борются за каждую десятую долю процента, и пока им это удается. Будем надеяться, что в ближайшем будущем показатели эффективности солнечных батарей будут на должном уровне. Ведь тогда и выгода от использования панелей будет максимальной.

Статью подготовила Абдуллина Регина

В Москве уже применяют новые технологии освещения улиц и парков, я думаю, там экономическая эффективность была просчитана:

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.

Фотоэлементы

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.

Фотоэлементы из монокристаллического кремния имеют КПД 10─15 процентов. Они являются самыми эффективными и имеют стоимость выше остальных. Модели из поликристаллического кремния имеют самый дешевый ватт электроэнергии. Многое зависит от чистоты материалов и в некоторых случаях поликристаллические элементы могут оказаться эффективнее монокристаллов.

Панель из аморфного кремния

Поделитесь в социальных сетях:FacebookTwittervKontakte
Напишите комментарий

Adblock
detector