- Види сонячних фотоелементів і їх ККД
- Від чого залежить ефективність роботи сонячних батарей?
- Термін служби і окупність сонячних панелей
- Розробки, спрямовані на збільшення ККД сонячних батарей
Сьогодні йде багато розмов навколо такого поняття, як ККД геліосистем. Це один з ключових критеріїв при оцінці ефективності роботи сонячних батарей. Збільшення цього показника є головним завданням на шляху зниження витрат на перетворення сонячної енергії та розширення використання геліосистем. Низький ККД сонячних батарей є їх основним недоліком. Квадратний метр сучасних фотоелементів забезпечує вироблення 15─20 відсотків від потужності сонячного випромінювання, що потрапляє на нього. І це при найсприятливіших умовах експлуатації. В результаті для забезпечення необхідного енергопостачання потрібна установка безлічі сонячних панелей великої площі. Наскільки ефективно таке обладнання і від чого залежить його ККД, постараємося розібратися в цій статті. А також поговоримо про термін служби і окупності сонячних панелей.
Зміст статті
Види сонячних фотоелементів і їх ККД
В основі функціонування сонячних панелей лежать властивості напівпровідникових елементів. Падаючий на фотоелектричні панелі сонячне світло фотонами вибиває з зовнішньої орбіти атомів електрони. Утворилося велика кількість електронів забезпечує електричний струм в замкнутому ланцюзі. Однієї або двох панелей для нормальної потужності недостатньо. Тому кілька штук об'єднують в сонячні батареї. Для отримання необхідного напруги і потужності їх підключають паралельно і послідовно. Більше число фотоелементів дають велику площу поглинання сонячної енергії і видають велику потужність.
фотоелементи
Тепер безпосередньо про сам ККД. Ця величина обчислюється діленням потужності електроенергії на потужність сонячної енергії, що потрапляє на панель. У сучасних сонячних батарей ця величина лежить в інтервалі 12─25 відсотків (на практиці не вище 15%). Теоретично можна підняти ККД до 80─85 відсотків. Така різниця існує через матеріалів для виготовлення панелей. В основі лежить кремній, який не поглинає ультрафіолет, а лише інфрачервоний спектр. Виходить, що енергія ультрафіолетового випромінювання марнується.
Одним з напрямків підвищення ККД є створення багатошарових панелей. Такі конструкції складаються з набору матеріалів, розташованих шарами. Підбір матеріалів здійснюється так, щоб можна було вловити кванти різної енергії. Шар з одним матеріалом поглинає один вид енергії, з другим - інший і так далі. В результаті можна створювати сонячні батареї з високим ККД. Теоретично такі багатошарові панелі можуть забезпечити ККД до 87 відсотків. Але це в теорії, а на практиці виготовлення подібних модулів проблематично. До того ж вони виходять дуже дорогі.
На ККД геліосистем також впливає тип кремнію, використовуваного в фотоелементах. Залежно від отримання атома кремнію їх можна розділити на 3 типи:
- монокристалічні;
- полікристалічні;
- Панелі з аморфного кремнію.
Фотоелементи з монокристалічного кремнію мають ККД 10─15 відсотків. Вони є найефективнішими і мають вартість вище за інших. Моделі з полікристалічного кремнію мають найдешевший ват електроенергії. Багато що залежить від чистоти матеріалів і в деяких випадках полікристалічні елементи можуть виявитися ефективніше монокристалів.
Панель з аморфного кремнію
Існують також фотоелементи з аморфного кремнію, на базі яких виготовляють тонкоплівкові гнучкі панелі. Їх виробництво простіше, а ціна нижча. Але ККД значно нижче і становить 5─6 відсотків. Елементи з аморфного кремнію з плином часу втрачають свої характеристики. Для збільшення їх продуктивності додають частинки селену, міді, галію, індію.
Від чого залежить ефективність роботи сонячних батарей?
На ефективність роботи сонячних батарей впливають кілька факторів:
- температура;
- Кут падіння сонячних променів;
- Чистота поверхні;
- Відсутність тіні;
- Погода.
В ідеалі кут падіння сонячних променів на поверхню фотоелемента повинен бути прямим. За інших рівних в цьому випадку буде максимальна ефективність. У деяких моделях для збільшення ККД в сонячних батареях встановлюється система стеження за сонцем. Вона автоматично змінює кут нахилу панелей в залежності від положення сонця. Але це задоволення не з дешевих і тому зустрічається рідко.
При роботі фотоелементи нагріваються, і це негативно позначається на ефективності їх роботи. Щоб уникнути втрат при перетворенні енергії слід залишати простір панелями і поверхнею, де вони закріплені. Тоді під ними буде проходити потік повітря і охолоджувати їх.
Монтаж сонячних батарей
Декілька разів на рік обов'язково потрібно мити і протирати панелі. Адже ККД фотоелектричних панелей прямо залежить від падаючого світла, а значить, від чистоти поверхні. Якщо на поверхні є забруднення, то ефективність сонячних батарей буде знижуватися.
Важливо зробити правильну установку батарей. Це означає, що на них не повинна падати тінь. Інакше ефективність системи в цілому буде сильно знижуватися. Вкрай бажано встановлювати фотоелементи на південній стороні.
Що стосується погоди, то від неї також залежить дуже багато чого. Чим ближче ваш регіон до екватора, тим більша щільність випромінювання буде потрапляти сонячного випромінювання на панелі. У нашому регіоні взимку ефективність може впасти в 2─8 раз. Причини як в зменшенні сонячних днів так і в снігу, що потрапляють на панелі.
Термін служби і окупність сонячних панелей
У геліосистемах немає ніяких рухомих механічних частин, що робить їх довговічними і надійними. Термін експлуатації подібних батарей 25 років і довше. Якщо їх правильно експлуатувати і обслуговувати, то вони можуть прослужити і 50 років. Крім цього, в них не буває якихось серйозних поломок і від власника вимагається лише періодично чистити фотоелементи від бруду, снігу і т. П. Це потрібно для збільшення ККД і ефективності геліосистеми. Тривалий термін служби часто стає визначальним при вирішенні купувати чи ні сонячні батареї. Адже після проходження терміну окупності, електроенергія від них буде безкоштовною.
Установка сонячних батарей на даху
А термін окупності значно менше, ніж термін служби. Але багатьох зупиняє первісна вартість батарей. Укупі з низьким ККД у багатьох людей це викликає сумніви у вигідності придбання геліосистем. Тому рішення тут потрібно приймати з урахуванням погоди і клімату в вашому регіоні, умов використання і т. П.
На термін окупності впливають такі чинники:
- Тип фотоелементів і обладнання. На окупність впливає як величина ККД, так і первісна вартість фотоелементів;
- Регіон. Чим вище інтенсивність сонячного світла у вашій місцевості, тим менше термін окупності;
- Ціна обладнання та монтажу;
- Ціна електроенергії у вас в регіоні.
В середньому термін окупності по регіонах становить:
- Південна Європа ─ до 2 років;
- Середня Європа - до 3,5 років;
- Росія ─ в більшості регіонів до 5 років.
Ефективність сонячних колекторів для збору тепла і батарей для отримання електричної енергії постійно збільшується. Правда не так швидко, як хотілося б. Фахівці галузі займаються підвищенням ККД і зниженням собівартості фотоелементів. У підсумку все це повинно привести до зменшення терміну окупності і широкому поширенню сонячних батарей.
Розробки, спрямовані на збільшення ККД сонячних батарей
В останні роки вчені по всьому світу заявляють про розробку технологій, що збільшують ККД сонячних модулів. Не всі з них є застосовними до реальних умов експлуатації, але деякі з них заслуговують на увагу. Так, в минулому році фахівці Sharp розробили фотоелектричні елементи з ефективністю 43,5 відсотка. Таке збільшення було отримано завдяки установці лінзи, яка фокусує одержувану енергію прямо в елементі.
Пристрій фотоелементів Sharp
Фізики з Німеччини 3 роки тому розробили фотоелемент, площа якого всього кілька квадратних міліметрів. Він складається з чотирьох шарів напівпровідників. Отриманих ними ККД склав 44,7 відсотка. Тут ефективність була збільшена за рахунок розміщення в фокус увігнутого дзеркала.
У Стенфорді був отриманий жароміцний композит, який може бути використаний для збільшення продуктивності фотоелектричних панелей. В теорії можна отримати ККД близький до 80 відсотків. Цей композитний матеріал може перевести високочастотне випромінювання в інфрачервоний спектр, за рахунок чого різко збільшується ефективність.
Інші британські фахівці розробили технологію, яка збільшує ефективність фотоелементів на 22 відсотки. На гладкій поверхні гнучких панелей вони завдали алюмінієві шипи нанорозміру. Алюміній розсіює сонячне світло, тому був обраний він. В результаті збільшується кількість енергії сонця, яке поглинається фотоелементом. За рахунок цього вдалося домогтися збільшення ефективності.
Так, що фахівці в області сонячних батарей б'ються за кожен відсоток і, можливо, в найближчому майбутньому вони отримають широке поширення. Якщо стаття виявилася для вас корисною, розповсюдьте посилання на неї в соціальних мережах. Цим ви допоможете розвитку сайту. Голосуйте в опитуванні нижче і оцінюйте матеріал! Виправлення і доповнення до статті залишайте в коментарях.