sunsay energy

Эффективность (КПД) солнечных батарей

06.12.19

Эффективность (КПД) солнечных батарей

06.12.19

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:

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

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

  3. 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.

  4. 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:

  1. На исследуемую панель направляют контролируемый свет.

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

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

  4. 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.

  5. 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
Мощность “на выходе”, 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.

Читайте также

Отправить заявку:

Спасибо! Мы свяжемся с вами в ближайшее время.