Как подсчитать КПД солнечных батарей по формуле

Невысокий КПД солнечных батарей – один из основных недостатков современных гелиосистем. На сегодняшний день один квадратный метр фотоэлемента способен вырабатывать около 15-20 % от мощности падающего на него излучения.

Такая выработка требует установку батарей больших размеров для полноценного электроснабжения. Более того, чтобы достичь необходимого выходного напряжения, панели соединяются между собой последовательно или параллельно. Их площадь при этом может достигать от нескольких квадратных метров.

Что такое КПД солнечной панели

Численно КПД солнечной батареи – это процентное отношение выдаваемой системой энергии к полной энергии лучистого потока, падающего на рабочую площадь панелей.

Величина потерь связана:

• с физическими принципами функционирования полупроводников;
• особенностями материалов для улавливания максимально широкого спектра излучения;
• внешними атмосферными условиями.

По перечисленным причинам кпд солнечных панелей даже в 2018 году составлял всего:

• для дешевых пленок на аморфном кремнии – около 5%;
• для современных гибридных пленочных вариантов на комбинации двух и более редкоземельных элементов – от 10 до 18%;
• у модулей на поли- и монокристаллическом кремнии – от 16 до 25%;
• у экзотических и дорогостоящих многослойных прототипов солнечных батарей с дополнительными устройствами концентрации солнечного потока кпд равен почти 50%.

Взаимосвязь КПД с материалами и технологиями

Полупроводниковые материалы, являющиеся основой любой гелиосистемы, используют физические принципы ph-перехода. Электрический ток в замкнутой цепи СЭС возникает за счет электронов, выбитых с внешних орбит атомов частицами света. Но кпд почти 80% современных солнечных батарей – кремниевых – не превышает и четверти потенциально возможного. Причина в том, что этот материал работает только с инфракрасной частью спектра, а энергия УФ-излучения ему недоступна. Но пока в массовом производстве именно кремний лидирует из-за своей дешевизны.

Прочие факторы (так, кпд солнечной панели зимой намного отличается от ее же эффективности в летнее время), влияющие на КПД, не связаны прямо с физическими законами, и потому их негативное влияние стараются по возможности уменьшить. Это:

• угол расположение панелей относительно вектора падения света (в идеале ≈ 90°±15°);
• погодные условия (день/ночь, зима/лето, ясно/пасмурно);
• состояние поверхности панелей (установка обычно проводится под углом, чтобы вода, снег и грязь не накапливались естественным образом, и падения кпд солнечных панелей по этим причинам не происходило);
• тень (если элементов много, то их всегда располагают так, чтобы тень не падала на соседний ряд).

Насколько сильно влияние перечисленных факторов:

• Лучи, падающие под большими углами, а также рассеянный свет лучше улавливается современными тонкопленочными панелями на базе, например, пары химических элементов теллур-кадмий. Несмотря на то, что кремниевые солнечные батареи с большим кпд эффективнее в идеальных условиях, при их отсутствии потери у «классики» выше, чем у гибридных батарей.
• Осадки снижают эффективность работы незначительно. Так, кпд солнечных батарей в пасмурную погоду снижается всего на 10-25% (роль играет плотность облаков). Намного хуже тень любых предметов – деревьев, вышек, столбов, соседних строений и пр. Устанавливать панели в таких местах не рекомендуется.
• КПД солнечных батарей зимой также зависит от освещенности больше, чем от температуры воздуха или количества снега.
• Единственный неустранимый фактор – ночное время. Без солнечного потока выработки электроэнергии не происходит, и даже солнечные панели с самым высоким кпд вынужденно простаивают, а владельцы переходят на питание от сети или аккумуляторов.

Теоретически, высокую выработку можно получить, не совершенствуя материалы и не подбирая определенные места для установки электростанций, а кратно увеличивая мощность самого потока. Правда, на Земле это сделать невозможно, но за ее пределами данный факт успешно используется.

Так, несмотря на то, что кпд солнечных батарей в космосе равен такому же на поверхности планеты, мощность лучей светила на орбите достигает 1,37 кВт/м². Это в 2-3 раза больше, чем в самых солнечных регионах, и потому даже раскрывающиеся на космических аппаратах легкие пленочные панели с КПД 10-12% достаточно эффективны.

Исследования и разработки для повышения КПД

Наиболее перспективным направлением исследований считается создание многослойных панелей. Основной упор делается на возможность получения энергии от инфракрасных и ультрафиолетовых лучей, которые во многом более активны, чем видимые части спектра. Работы ведутся и в области очистки кремниевых структур, создания наиболее однородных и чистых кристаллов.

Еще одним направлением является создание максимально плотных и ровных соединений полупроводников. Электрический ток возникает на границе двух материалов, и, если поверхность обоих изобилует впадинами и прочими изъянами, эти участки исключаются из общей рабочей зоны. Проблема технически сложная, поскольку речь идет о микронной точности шлифовки. Для промышленного производства эти методики пока слишком сложны, а цены на панели будут недоступны рядовым покупателям. Процесс исследований происходит непрерывно, поэтому ожидать положительных сдвигов можно в любой момент.

КПД солнечных панелей зависит от целого ряда причин:

• материал фотоэлемента;
• плотность солнечного потока;
• время года;
• температура;
• и др.

Давайте подробнее поговорим о каждом факторе.

Материал фотоэлемента

Виды солнечных батарейСолнечные преобразователи делятся на три вида, в зависимости от метода образования атома кремния:

• поликристаллические;
• монокристаллические;
• панели из аморфного кремния.

Поликристаллические панели изготовлены из чистого кремния и отличаются сравнительно высоким КПД – 14-17%.

Монокристаллические панели менее эффективны в преобразовании солнечной энергии. Их коэффициент полезного действия около 10-12 %. Но невысокие энергозатраты на изготовление таких преобразователей делает их более доступными.

Панели из аморфного кремния (или тонкопленочные) просты и недороги в производстве, как следствие, доступны по цене. Однако, эффективность их значительно ниже, чем у предыдущих двух видов – 5-6%. К тому же элементы тонкопленочных преобразователей из кремния со временем утрачивают свои свойства.

Тонкопленочные батареи также изготавливают с нанесением частиц меди, индия, галлия и селена. Это немного увеличивает их производительность.

Работа в любую погоду

График зависимости мощности от погодных условийДанный показатель зависит от географического расположения панели: чем ближе к экватору, тем выше плотность солнечного излучения.

Зимой производительность фотоэлементов может снизиться от 2 до 8 раз. Это объясняется, прежде всего, скоплением на них снега, сокращением продолжительности и количества солнечных дней.

Важно помнить: в зимнее время следить за наклоном панелей т. к. солнце находится ниже обычного.

Условия эффективной работы

Чтобы батарея работала эффективно, нужно учесть несколько нюансов:

• угол наклона батареи к солнцу;
• температуру;
• отсутствие тени.

Угол между рабочей поверхностью преобразователя и солнечными лучами должен быть близок к прямому. В таком случае эффективность фотоэлементов при прочих равных условиях будет максимальна. Чтобы увеличить КПД дополнительно к ним устанавливают систему слежения за солнцем, которая меняет наклон относительно положения светила. Но подобное встречается нечасто из-за дороговизны оборудования.

В процессе работы многие батареи нагреваются, что плохо сказывается на качестве преобразования энергии солнца в электрическую. Во избежание потерь необходимо оставлять пространство между устройством и опорной поверхностью. Это позволит потоку воздуха свободно проходить и охлаждать преобразователи.

Важно знать: необходимо протирать панели 2-3 раза в год, очищая их от пыли и тем самым увеличивая проходимость лучей солнца.

КПД фотоэлементов непосредственно зависит от количества попадающего на них солнечного света. И очень важно предусмотреть правильный монтаж преобразователей с полным отсутствием теней, падающих на рабочую поверхность. В противном случае может пострадать эффективность всей системы в целом. Как правило, батареи устанавливаются с южной стороны.

Формула КПД солнечной батареи

На практике вычисление КПД фотоэлектрических модулей производится следующим образом.

1. На опытный образец направляется поток света от источника (например, галогенной лампы).
2. С помощью люксметра производится уровень интенсивности излучения на поверхности каждого отдельного модуля, входящей в состав панели.
3. Вычисляется среднее арифметическое значение и с помощью коэффициента перевода (например, для «галогенок» он равен 30 Люкс*м2/Вт) фотометрические величины переводятся в энергетические.
4. Полученное значение Eср. (например, 200 Вт/м2) фиксируется.
5. Далее измеряют площадь поверхности модульного «кирпичика». Если принять длину за 25 см, а ширину – 40 см, то по формуле S = a*b получим S = 0,25 * 0,40 = 0,1м2.
6. Умножив площадь на среднее значение падающей на квадрат энергии, получают общее для всего модуля значение падающей энергии: W = S* Eср., или 20 Вт.
7. Далее для включенной в сеть батареи производят замеры уже выдаваемой мощности солнечной батареи. В зависимости от того, насколько высокотехнологичным является изделие, получают разные значения «на выходе» и, как следствие, эффективность (например, для солнечных батарей с кпд 40% выдача в приведенном примере будет равна 8 Вт).

В виде таблицы это выглядит следующим образом:

Очевидно, что последняя строка в таблице – солнечные панели с 90% кпд – приведена только в качестве теоретически допустимого предела.

Разработки новых типов фотоэлементов и их КПД

Независимо от того, последовательно или параллельно соединяются вместе отдельные элементы (это делается для получения на выходе заранее заданного напряжения или силы тока) кпд современных солнечных батарей от метода компоновки деталей не меняется. Поэтому главные направления повышения их эффективности – поиск новых материалов и вспомогательного оборудования.

В настоящий момент проводятся успешные эксперименты с многослойными конструкциями, где каждый слой улавливает излучение волн различной длины. На практике это уже привело к созданию солнечных батарей с кпд более 40%, и цифра приближается к 50%. Однако только использование в конструкции соединений редкоземельных галлия, индия, а также меди и некоторых видов сульфидов недостаточно. Дополнительными условиями являются:

• фокусирование света на каждую панель с помощью специальных линз;
• внедрение в конструкцию отражающих мини-зеркал;
• создание отдельных диэлектрических прослоек между полупроводниками и т.д.

Но даже с помощью таких сложных схем до теоретического предела пока еще далеко.

Влияние на производительность материала ячеек

• Аморфный кремний, A-Si. Долгое время эффективность преобразования не превышала 5-7%, но с переходом на тонкопленочные технологии поднялась до 14-16%. КПД довольно стабилен, поскольку «рыхлая» по форме поверхность ячеек хорошо поглощает даже слабый или рассеянный свет.
• Поликристаллический кремний, Poli-Si. Номинальные показатели находятся в диапазоне 19-21%. Падение производительности при неблагоприятных световых условиях среднее, что обеспечивается разнонаправленным расположением кристаллов поглощающего слоя.
• Монокристаллический кремний, Mono-Si. Обеспечивает самый высокий выход энергии при идеальных условиях освещения, до 24%. При изменении положения относительно солнца и высоких температурах КПД таких солнечных батарей значительно снижается.
• Теллурид кадмия, Cd-Te. Фотоэлектрические элементы этого типа быстро набирают популярность благодаря сочетанию высокой средней эффективности и низкой цены. Более стабильная производительность, чем у чистых кристаллических кремниевых модулей, достигается идеальной шириной запрещенной зоны p/n-перехода. Коэффициент полезного действия немного меньше поликристаллов, но среднегодовая отдача выше.
• Редкоземельный сульфид меди/индия/галлия, CIGS. Благодаря возможности многослойной компоновки ячеек, способны добиваться максимального поглощения на уровне до 40% и выше. Широко используются в аэрокосмической промышленности, но «на земле» почти не применяются из-за высокой цены.
• Фотовольтаника третьего поколения. В качестве полупроводников использует органику, сложные полимеры или материалы на квантовых точках. Дешевые, простые в производстве и обладают фантастическими способностями поглощения. Несмотря на сравнительно низкий КПД в диапазоне 6-15%, эти солнечные элементы уже сегодня могли бы получить широкое применение, если бы не короткий срок службы. Нынешний рекорд устойчивости не превышает 2000 часов, или менее 3 месяцев, что недостаточно для массового производства и применения.

Уровень КПД солнечных панелей впервые достиг 40%

Ученые из австралийского университета Нового Южного Уэльса объявили о том, что после серии открытых испытаний в городе Сидней они смогли конвертировать солнечный свет в электроэнергию с рекордным показателем эффективности в 40%.

Здесь же важно отметить, что ученые из Австралии являются одними из первых, кто начал устанавливать рекорды КПД при производстве электричества из солнечного света еще с 1989 года.

На тот момент исследователям удалось добиться результатов в 20% эффективности.

Специалисты, стоящие за этим проектом, объясняют, что, несмотря на сегодняшний уровень исследований в области генерации электричества за счет фотоэлектрических систем, такой показатель эффективности, какой удалось добиться в рамках экспериментов в Сиднее, является первым в истории.

В опубликованной статье научного журнала Progress in Photovoltaics Мартин Грин и его коллеги стараются объяснить, почему их успех в повышении КПД при производстве электричества из солнечной энергии дает новые надежды на популярность этой возобновляемой энергии и почему именно она, возможно, однажды станет основным мировым источником энергии.

Ученые объясняют, что при работе над этим проектом они обратились за помощью к австралийской компании RayGen Resources и американской компании Spectrolab. Первая помогла с дизайном и монтажом системы, а вторая занималась производством солнечных панелей.

Своему успеху в повышении уровня КПД при производстве электричества из солнечного света международная команда ученых обязана новому разработанному так называемому оптическому полосовому фильтру, использовавшемуся для захвата того солнечного света, который, в свою очередь, без применения данной технологии попросту тратился бы впустую.

Как объясняет Мартин Грин и его коллеги, данный фильтр был построен специально на заказ и использовался для выборочного захвата и передачи части спектра и при этом отбрасывал те световые волны, которые не представляли интерес в рамках этой серии экспериментов. Другими словами, фотоэлектрическая система, построенная учеными, работала по принципу фокусировки солнечного света.

Один из разработчиков новой системы, доктор Марк Киверс, объясняет, что новый подход по сбору солнечной энергии не является сверхуникальным и при желании его можно использовать повсеместно.

Здесь используются самые обычные солнечные ячейки, какие используются во всех солнечных панелях, установленных в мире.

Другими словами, даже самые обычные солнечные панели можно модернизировать таким образом, чтобы они показывали аналогичные результаты эффективности, какие были показаны в рамках экспериментов в Сиднее.

Используемые источники:

energo.house, greentechtrade.com.ua, akkummaster.com, mywatt.ru, hi-news.ru, teplo.guru