Как повысить кпд солнечных батарей. Самые эффективные солнечные батареи: рейтинг. Устройство солнечных модулей

В последнее время солнечная энергетика развивается столь бурными темпами

В последнее время солнечная энергетика развивается столь бурными темпами, что за 10 лет доля солнечного электричества в мировой годовой выработке электроэнергии увеличилась с 0.02% в 2006 году до почти одного процента в 2016 году.

Dam Solar Park - самая большая СЭС в мире. Мощность 850 мегаватт.

Основным материалом для солнечных электростанций является кремний, запасы которого на Земле практически неистощимы. Одна беда – эффективность кремниевых солнечных батарей оставляет желать лучшего. Самые эффективные солнечные батареи имеют коэффициент полезного действия, не превышающий 23%. А средний показатель эффективности колеблется от 16% до 18%. Поэтому исследователи всего мира, занятые в области солнечной фотовольтаики, работают на тем, чтобы освободить солнечные фотопреобразователи от имиджа поставщика дорогого электричества.

Развернулась настоящая борьба за создание солнечной суперячейки. Основные критерии – высокая эффективность и низкая стоимость. Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) в США даже выпускает периодически бюллетень, в котором отражаются промежуточные результаты этой борьбы. И в каждом выпуске показываются победители и проигравшие, аутсайдеры и выскочки, случайно ввязавшиеся в эту гонку.

Лидер: солнечная многослойная ячейка

Эти гелиевые преобразователи напоминают сэндвич из разных материалов, в том числе из перовскита, кремния и тонких пленок. При этом каждый слой поглощает свет только определенной длины волны. В результате эти при равной площади рабочей поверхности многослойные гелиевые ячейки вырабатывают значительно больше энергии, чем другие.

Рекордное значение эффективности многослойных фотопреобразователей было достигнуто в конце 2014 года совместной немецко-французской группой исследователей под руководством доктора Франка Димрота во Фраунгоферовском институте систем солнечной энергии. Была достигнута эффективность в 46%. Такое фантастическое значение эффективности было подтверждено независимым исследованием в NMIJ/AIST - крупнейшем метрологическом центре Японии.

Многослойная солнечная ячейка. Эффективность – 46%

Эти ячейки состоят из четырех слоев и линзы, которая концентрирует на них солнечный свет. К недостаткам следует отнести наличие в структуре субстрата германия, который несколько увеличивает стоимость солнечного модуля. Но все недостатки многослойных ячеек в конечном счете устранимы, и исследователи уверены, что в самом ближайшем будущем их разработка выйдет из стен лабораторий в большой мир.

Новичок года - перовскит

Совершенно неожиданно в гонку лидеров вмешался новичок – перовскит. Перовскит – это общее название всех материалов, имеющих определенную кубическую структуру кристаллов. Хотя перовскиты известны давно, исследование солнечных ячеек, изготовленных из этих материалов, началось только в период с 2006 по 2008 годы. Первоначальные результаты были разочаровывающими: эффективность перовскитных фотопреобразователей не превышала 2%. При этом расчеты показывали, что этот показатель может быть на порядок выше. И действительно, после ряда успешных экспериментов корейские исследователи в марте 2016 года получили подтвержденную эффективность 22%, что само по себе уже стало сенсацией.

Перовскитный солнечный элемент

Преимуществом перовскитных элементов является то, что с ними более удобно работать, их легче производить, чем аналогичные кремниевые элементы. При массовом производстве перовскитных фотопреобразователей цена одного ватта электроэнергии могла бы достигнуть $0.10. Но специалисты считают, что до тех пор, пока перовскитные гелиевые ячейки достигнут максимальной эффективности и начнут выпускаться в промышленном количестве, стоимость «кремниевого» ватта электричества может быть существенно снижена и достигнуть того же уровня в $0.10.

Экспериментально: квантовые точки и органические солнечные ячейки

Эта разновидность солнечных фотопреобразователей пока находится на ранней стадии развития и пока не может рассматриваться как серьезный конкурент существующим гелиевым ячейкам. Тем не менее разработчик – Университет Торонто – утверждает, что согласно теоретическим расчетам, эффективность солнечных батарей на базе наночастиц – квантовых точек ‒ будет выше 40%. Суть изобретения канадских ученых состоит в том, что наночастицы – квантовые точки ‒ могут поглощать свет в различных диапазонах спектра. Изменяя размеры этих квантовых точек, можно будет выбрать оптимальный диапазон работы фотопреобразователя.

Солнечная ячейка на базе квантовых точек

А учитывая, что этот нанослой может наноситься методом распыления на любую, в том числе и прозрачную основу, то в практическом применении этого открытия просматриваются многообещающие перспективы. И хотя на сегодняшний день в лабораториях при работе с квантовыми точками достигнут показатель эффективности, равный всего11.5%, сомнений в перспективности этого направления нет ни у кого. И работы продолжаются.

Solar Window – новые солнечные ячейки с эффективностью 50%

Компания Solar Window из штата Мэриленд (США) представила революционную технологию «солнечного стекла», которая в корне меняет традиционные представления о солнечных батареях.

Ранее уже были сообщения о прозрачных гелиевых технологиях, а также о том, что эта компания обещает увеличить в разы эффективность солнечных модулей. И, как показали последние события, это были не просто обещания, а эффективность 50% - уже не только теоретические изыски исследователей компании. В то время как другие производители только выходят на рынок с более скромными результатами, Solar Window уже представила свои поистине революционные высокотехнологичные разработки в области гелиевой фотовольтаики.

Эти разработки открывают дорогу к выпуску прозрачных солнечных батарей, имеющих значительно более высокую эффективность по сравнению с традиционными. Но это не единственный плюс новых солнечных модулей из Мэриленда. Новые гелиевые элементы могут легко крепиться к любым прозрачным поверхностям (например, к окнам), могут работать в тени или при искусственном освещении. Благодаря своей дешевизне инвестиции в оснащение здания такими модулями могут окупиться в течение года. Для сравнения следует отметить, что срок окупаемости традиционных солнечных батарей колеблется от пяти до десяти лет, а это – огромная разница.

Солнечные ячейки от компании Solar Window

Компания Solar Window озвучила некоторые детали новой технологии получения солнечных батарей, имеющих столь высокую эффективность. Разумеется, главные know how остались за скобками. Все гелиевые элементы изготовлены, в основном, из органического материала. Слои элементов состоят из прозрачных проводников, углерода, водорода, азота и кислорода. По данным компании, производство этих солнечных модулей настолько безвредно, что оно оказывает в 12 раз меньшее воздействие на окружающую среду, чем производство традиционных гелиевых модулей. В течение ближайших 28 месяцев первые прозрачные солнечные батареи будут установлены в некоторых зданиях, школах, офисах, а также в небоскребах.

Если говорить о перспективах развития гелиевой фотовольтаики, то очень похоже, что традиционные кремниевые солнечные батареи могут отойти в прошлое, уступив место высокоэффективным, легким, многофункциональным элементам, открывающим самые широкие горизонты гелиевой энергетике. опубликовано

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, соединяются между собой последовательно или параллельно. Их площадь при этом может достигать от нескольких квадратных метров.

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

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 условий Данный 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.

Современные исследователи, которые занимаются гелиосистемами, постоянно ведут между собой дискуссии о КПД солнечных батарей. Это один из главных критериев, на основании которого оцениваются их эффективность и уровень производительности. Поскольку затраты на преобразование энергии Солнца в электрическую у панелей по-прежнему велики, производители беспокоятся о том, как сделать их КПД выше.

Известно, что на 1м² площади элементов вырабатывается около 20% от общей мощности излучения Солнца, которое попадает на батарею. При этом речь идет о самых благоприятных условиях климата и погоды, которые бывают далеко не всегда. Следовательно, для увеличения показателя нужно установить много солнечных батарей. Это не всегда бывает удобно, да и по стоимости влетает в «копеечку». Поэтому нужно понимать, насколько целесообразно использование этих альтернативных источников энергии и какие перспективы имеются в дальнейшем.

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.

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:

поликристаллы;
элементы из .

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 . 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.

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.

Немного о батареях-чемпионах по КПД

Рекордсменом по коэффициенту полезного действия в гелиосистемах на данный момент считаются немецкие батареи. Они созданы в Институте гелиоэнергетики им. Фраунгофера. В их основу положены фотоэлементы, состоящие из нескольких слоев. Компания «Сойтек» активно внедряет их в сферу широкого потребления, начиная уже с 2005 года.

Сами элементы - не более 4 мм толщиной, а солнечный свет фокусируется на их поверхности с помощью специальных линз. Благодаря им осуществляется преобразование световых частиц в электроэнергию, а КПД при этом составляет целых 47%.

Второе место заслуженно занимают панели, созданные путем применения фотоэлементов из трех слоев фирмы «Шарп» . Это тоже солнечные батареи с высоким КПД, хотя и немного меньше - 44%.

Три слоя представлены тремя веществами: фосфидом индия (галлия), арсенидом галлия и арсенидом индия (галлия). Между ними располагается диэлектрическая прослойка, применяемая для того, чтобы получить туннельный эффект. Что касается фокусировки света, ее получают путем применения известной линзы Френеля. Концентрация света достигается до уровня в 302 раза, а далее попадает в трехслойный полупроводниковый преобразователь.

Безусловно, подобный рекорд КПД едва ли может быть доступен широкому кругу потребителей. Кстати, Илон Маск, известный американский миллиардер, является владельцем компании «Солар Сити» . Не так давно, в 2015 году, компания Маска разработала именно «потребительский» вариант солнечных батарей с коэффициентом полезного действия, превышающим 22%.

Разработки и многочисленные лабораторные опыты проводятся и по сей день. Можно быть уверенными в том, что такие технологии имеют большое будущее - в качестве экологичного альтернативного источника энергии.

Мне интересно встречаться с людьми, которые находятся в постоянном поиске. Среди них, мой коллега Александр, фанат электромобилей. Информацию о его разработках и становлении парка электромобилей в Украине вы найдете здесь. Но, как ни странно, кроме электрокара его еще интересуют солнечные панели с высоким КПД.

После заданного им вопроса, мне пришлось немного попотеть, и вот что из этого вышло.

Кремниевые кристаллические фотомодули

Коэффициент полезного действия ячеек кремниевых модулей на сегодня порядка 15 – 20% (поликристаллы — монокристаллы). Этот показатель скоро может быть увеличен на несколько процентов. Например, компания SunTech Power, один из крупнейших мировых производителей модулей из кристаллического кремния, заявила о своем намерении в течение двух лет выпустить на рынок фотомодули с КПД 22%.

Существующие же лабораторные образцы монокристаллических ячеек показывают производительность 25%, поликристаллических – 20,5%. Теоретический максимальный КПД у кремниевых однопереходных (p-n) элементов – 33,7%. Пока он не достигнут, и основная задача производителей, кроме увеличения эффективности ячеек – усовершенствование технологии производства, удешевление фотомодулей.

Отдельно позиционируются фотомодули компании Sanyo, произведенные по технологии HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin layer) с использованием нескольких слоев кремния, аналогично тандемным многослойным ячейкам. КПД таких элементов из монокристаллического C-Si и нескольких слоев нано кристаллического nc-Si — 23%. Это самый высокий на сегодня КПД ячеек серийных кристаллических модулей.

Тонкопленочные солнечные батареи

Под таким названием разработано несколько различных технологий, о производительности которых можно сказать следующее.

Сегодня существует три основных типа неорганических пленочных солнечных элементов – кремниевые пленки на основе аморфного кремния (a-Si), пленки на основе теллурида кадмия (CdTe) и пленки селенида меди-индия-галлия (CuInGaSe2, или CIGS).

КПД современных тонкопленочных солнечных батарей на основе аморфного кремния около 10%, фотомодулей на основе теллурида кадмия — 10-11% (производитель компания First Solar), на основе селенида меди-индия-галлия – 12-13% (японские солнечные модули SOLAR FRONTIER). Показатели эффективности серийных элементов: CdTe имеют КПД 15.7% (модули MiaSole), а CIGS элементов, производимых в Швейцарии — 18,7% (ЕМРА).

КПД отдельных тонкопленочных солнечных батарей значительно выше, например, данные по производительности лабораторных образцов элементов из аморфного кремния – 12,2% (компания United Solar), CdTe элементов – 17,3% (First Solar), CIGS элементов – 20,5% (ZSW). Пока солнечные преобразователи на основе тонких пленок аморфного кремния лидируют по объемам производства среди других тонкопленочных технологий – объем мирового рынка тонкопленочных Si элементов около 80%, солнечных ячеек на основе теллурида кадмия – около 18% рынка, и селенид меди-индия-галлия – 2% рынка.

Это связано, в первую очередь, со стоимостью и доступностью сырья, а так же более высокой стабильностью характеристик, чем в многослойных структурах. Отметим, что кремний – один из самых распространенных элементов в земной коре, индий же (элементы CIGS) и теллур (элементы CdTe) рассеяны и добываются в малом количестве. Кроме того, кадмий (элементы CdTe) токсичен, хотя большинство производителей таких солнечных панелей гарантируют полную утилизацию своей продукции.

Дальнейшее развитие фотоэлектрических преобразователей на основе неорганических тонких пленок связано с усовершенствованием технологии производства и стабилизации их параметров.

И все-таки, исходя из стабильности характеристик и относительно недорогой цены, предпочтение отдается солнечным батареям, изготавливаемые на основе аморфного кремния. Но КПД как мы видим, у них не более 12,2%.

Более высокие результаты достигнуты пока в лабораторных условиях. В качестве примера можно привести разработку инженеров из Швейцарской национальной лаборатории материалов, наук и технологий EMPA, которым удалось достигнуть высокого показателя КПД (20,4%) работая с новым поколением тонкопленочных солнечных панелей. В основе новых панелей лежат гибкие полимеры из комплексного соединения CIGS или copper indium gallium (di)selenid (медь-индий-галлий-(ди) селенид).

Наука и технологии не стоят на месте в сфере использования альтернативной энергетики, а использование солнечной энергии в быту и промышленности будет дальше развиваться и совершенствоваться, пытаясь вытеснить традиционные источники энергии. К сожалению, до глобального доминирования гелиоэнергетики пока далеко и виной тому низкий КПД солнечных батарей.

Факторы влияющие на эффективность солнечных батарей

На эффективность работы солнечных батарей влияют объективные и субъективные факторы, такие как:

материалы, используемые в изготовлении,
технологии,
место использования (широта),
угол падения солнечных лучей,
запыленность и повреждения.

Причем все эти факторы связаны и зависимы между собой по влиянию на КПД солнечных батарей. Но начальным фактором, который определяет КПД является себестоимость изготовления элемента солнечной батареи.

Лидеры энергоэффективности солнечных батарей

Рассмотрим лидеров в изготовлении наиболее эффективных компонентов солнечных панелей и отсортируем по их эффективности:

44,7% КПД от первого из неуниверситетских научно-исследовательских институтов Германии. Результат получен для концентраторов тройного перехода слоев сложного состава полупроводника (Ga 0,35 В 0,65 P / Ga 0,83 В 0,17 As / Ge). Такие солнечные элементы сложны, не используются в жилых или коммерческих целях, потому что они очень дороги. Они используются в космической технике таких производителей, как NASA, где мало пространства.
37,9% эффективности получено из однослойного модуля полупроводникового перехода (InGaP / GaAs / InGaAs). При этом результат получен исключительно для 90° нормали к Солнцу. Эти солнечные элементы также сложны и трудоемки в изготовлении, но их промышленное производство видится более перспективным.
32,6% добились испанские исследователи с института (IES) и университета (UPM). Они использовали мульти-модули из концентраторов с двумя переходами полупроводников. Опять же, эти элементы еще далеки от широкого использования для коммерческих или жилых объектов.

Баланс эффективности солнечных батарей

Есть около десятка крупнейших производителей, выпускающих солнечные батареи со сравнительно неплохим КПД и умеренной стоимостью. Ведущие компании производящие солнечные батареи при самых современных технологиях могут промышленно изготавливать солнечные элементы с эффективностью близкой к 25%. При этом хорошо налажено массовое производство модулей с КПД солнечных батарей, как правило, не превышающих показатель 14-17%. Главной причиной этой разницы в эффективности является то, что методы исследования, используемые в лабораториях, не подходят для коммерческого производства фотоэлектрической продукции и, следовательно, более доступные технологии имеют сравнительно низкие затраты в производстве, что и приводит к понижению показателя КПД в использовании.

Для этого покажем на графике зависимость стоимости готового модуля к стоимости произведенной электроэнергии для технологических серий солнечных батарей с характерными для них показателями КПД.

На сравнительном графике хорошо видна экономическая эффективность солнечных батарей с начальными лабораторными показателями КПД, изготовленных по разным технологиям, в отношении оптимальной стоимости произведенной электроэнергии в 6 центов за кВт-час (3,4 руб/кВт-ч).

Таким образом, самые доступные и недорогие в изготовлении солнечные элементы из аморфного кремния в виде тонкой гнущейся пленки окупают себя при сравнительно небольших размерах, но экономически не эффективны при больших потребностях в электроэнергии. Они широко применяются для переносных зарядок телефонов, светильников и т. д.

Батареи из поликристаллического кремния уже становятся эффективны при применении для жилых домов и небольших теплиц.

Элементы опытных солнечных электростанции изготовлены на основе монокристаллов кремния высокой степени очистки (99,999). Обладают оптимальными показателями эффективности и имеют экономически обоснованный срок окупаемости.

Новейшие научные разработки фотоэлементов, имеющие, самый высокий КПД применяются исключительно в тех отраслях науки и промышленности, где стоимость не является основным критерием выбора.

Применение солнечных батарей все больше входит в различные сферы нашей жизни, но к сожалению, из-за несовершенства технологии производства (и как следствие достаточного низкого КПД) при значительной стоимости не имеет широко применения.