Физики из России улучшили КПД солнечных батарей на 20%

Солнечный свет в настоящее время считается одним из наиболее эффективных альтернативных источников электроэнергии. Экономическую целесообразность использования таких систем определяет КПД солнечных батарей. Этот показатель включает в себя все затраты, направленные на преобразование одного вида энергии в другой. Эффективность данного процесса составляет в среднем 15-20%, то есть такое количество электричества получается от общей массы солнечного излучения, попадающего на фотоэлементы.

Эти показатели получены в наиболее благоприятных условиях эксплуатации, а в реальной жизни они могут быть еще меньше. Поэтому для получения нужного количества электроэнергии приходится значительно увеличивать площадь солнечных батарей.

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».

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.

Использование

Портативная электроника

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

Электромобили

Для подзарядки электромобилей.

Авиация

Одним из проектов по созданию самолёта, использующего исключительно энергию солнца, является Solar Impulse.

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.

Энергообеспечение населённых пунктов

Солнечно-ветровая энергоустановка

Дорожное покрытие

Солнечные батареи как дорожное покрытие:

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.

От чего зависит эффективность работы солнечных батарей?

На эффективность работы солнечных батарей оказывают влияние несколько факторов:

• Температура;
• Угол падения солнечных лучей;
• Чистота поверхности;
• Отсутствие тени;
• Погода.

В идеале угол падения солнечных лучей на поверхность фотоэлемента должен быть прямым. При прочих равных в этом случае будет максимальная эффективность. В некоторых моделях для увеличения КПД в солнечных батареях устанавливается система слежения за солнцем. Она автоматически меняет угол наклона панелей в зависимости от положения солнца. Но это удовольствие не из дешёвых и поэтому встречается редко.

При работе фотоэлементы нагреваются, и это отрицательно сказывается на эффективности их работы. Чтобы избежать потерь при преобразовании энергии следует оставлять пространство панелями и поверхностью, где они закреплены. Тогда под ними будет проходить поток воздуха и охлаждать их.

Монтаж солнечных батарей

Несколько раз в год обязательно нужно мыть и протирать панели. Ведь КПД фотоэлектрических панелей прямо зависит от падающего света, а значит, от чистоты поверхности. Если на поверхности есть загрязнения, то эффективность солнечных батарей будет снижаться.

Важно сделать правильную установку батарей. Это означает, что на них не должна падать тень. Иначе эффективность системы в целом будет сильно снижаться. Крайне желательно устанавливать фотоэлементы на южной стороне.

Что касается погоды, то от неё также зависит очень многое. Чем ближе ваш регион к экватору, тем большая плотность излучения будет попадать солнечного излучения на панели. В нашем регионе зимой эффективность может упасть в 2─8 раз. Причины как в уменьшении солнечных дней так и в снеге, попадающим на панели.



 

Эффективность фотоэлементов и модулей

Мощность потока солнечного излучения на входе в атмосферу Земли (AM0), составляет около 1366 ватт на квадратный метр (см. также AM1, AM1.5, AM1.5G, AM1.5D). В то же время, удельная мощность солнечного излучения в Европе в очень облачную погоду даже днём может быть менее 100 Вт/м². С помощью распространённых промышленно производимых солнечных батарей можно преобразовать эту энергию в электричество с эффективностью 9—24 %. При этом цена батареи составит около 1—3 долларов США за Ватт номинальной мощности. При промышленной генерации электричества с помощью фотоэлементов цена за кВт·ч составит 0,25 долл. По мнению Европейской Ассоциации Фотовольтаики (EPIA), к 2020 году стоимость электроэнергии, вырабатываемой «солнечными» системами, снизится до уровня менее 0,10 € за кВт·ч для промышленных установок и менее 0,15 € за кВт·ч для установок в жилых зданиях.

Фотоэлементы и модули делятся в зависимости от типа и бывают: монокристалические, поликристалические, аморфные (гибкие, пленочные).

В 2009 году компания Spectrolab (дочерняя фирма Boeing) продемонстрировала солнечный элемент с эффективностью 41,6 %. В январе 2011 года ожидалось поступление на рынок солнечных элементов этой фирмы с эффективностью 39 %. В 2011 году калифорнийская компания Solar Junction добилась КПД фотоэлемента размером 5,5×5,5 мм в 43,5 %, что на 1,2 % превысило предыдущий рекорд.

В 2012 году компания Morgan Solar создала систему Sun Simba из полиметилметакрилата (оргстекла), германия и арсенида галлия, объединив концентратор с панелью, на которой установлен фотоэлемент. КПД системы при неподвижном положении панели составил 26—30 % (в зависимости от времени года и угла, под которым находится Солнце), в два раза превысив практический КПД фотоэлементов на основе кристаллического кремния.

В 2013 году компания Sharp создала трёхслойный фотоэлемент размером 4×4 мм на индиево-галлий-арсенидной основе с КПД 44,4 %, а группа специалистов из Института систем солнечной энергии общества Фраунгофера, компаний Soitec, CEA-Leti и Берлинского центра имени Гельмгольца создали использующий линзы Френеля фотоэлемент с КПД 44,7 %, превзойдя своё собственное достижение в 43,6 % . В 2014 году Институт солнечных энергосистем Фраунгофер создали солнечные батареи, в которых благодаря фокусировке линзой света на очень маленьком фотоэлементе КПД составил 46 %.

В 2014 году испанские учёные разработали фотоэлектрический элемент из кремния, способный преобразовывать в электричество инфракрасное излучение Солнца.

Перспективным направлением является создание фотоэлементов на основе наноантенн, работающих на непосредственном выпрямлении токов, наводимых в антенне малых размеров (порядка 200—300 нм) светом (то есть электромагнитным излучением частоты порядка 500 ТГц). Наноантенны не требуют дорогого сырья для производства и имеют потенциальный КПД до 85 %.

Также, в 2018 году, с открытием флексо-фотовольтаического эффекта, обнаружена возможность увеличения КПД фотоэлементов., а также за счёт продления жизни горячих носителей (электронов) теоретический предел их эффективности поднялся с 34 сразу до 66 процентов.

В 2019 году российские учёные из Сколковского института науки и технологий (Сколтеха), Института неорганической химии им. А.В. Николаева Сибирского отделения Российской академии наук (СО РАН) и Института проблем химической физики РАН получили принципиально новый полупроводниковый материал для солнечных батарей, лишённый большинства недостатков материалов, применяемых сегодня. Группа российских исследователей опубликовала в журнале Journal of Materials Chemistry A результаты работы по применению для солнечных батарей нового разработанного ими полупроводникового материала — комплексного полимерного йодида висмута ({} и {}), структурно подобного минералу перовкситу (природному титанату кальция), который показал рекордный коэффициент преобразования света в электроэнергию. Та же группа учёных создала второй аналогичный полупроводник на основе комплексного бромида сурьмы с перовкситоподобной структурой.

Экономическая целесообразность использования солнечных систем

В солнечных системах отсутствуют какие-либо подвижные узлы и детали, что в значительной степени повышает их долговечность. Минимальный срок службы, заявленный производителями, составляет 25 лет. При условии своевременного обслуживания и соблюдения правил эксплуатации, этот срок может быть увеличен до 50 лет.

Данные устройства не подвержены серьезным поломкам и неисправностям. Все обслуживание заключается в периодической очистке фотоэлементов от загрязнений, налипшего снега и т.д. Своевременный уход существенно увеличивает коэффициент полезного действия и эффективность всей системы. Во многих случаях решение о покупке и установке батарей принимается именно по причине их долговечности. После того как устройство окупит себя, получаемое электричество будет фактически бесплатным.

Полная окупаемость панелей наступает задолго до окончания срока их службы. Единственным серьезным препятствием в использовании этих устройств становится высокая стоимость. Учитывая низкий КПД, многие люди начинают сомневаться в экономической целесообразности такого способа получения электроэнергии. В связи с этим, принимая решение, нужно учитывать все факторы, характерные для данного региона.

Окупаемость и эффективность солнечных батарей зависит от следующих факторов и условий:

• Тип солнечных панелей и оборудования, величина их КПД, начальная цена фотоэлементов.
• Региональные климатические условия. С увеличением интенсивности солнечного излучения, срок окупаемости заметно снижается за счет большего количества произведенной электроэнергии.
• Стоимость оборудования и монтажных работ. Региональная цена электроэнергии.

Специалисты в данной области постоянно работают над повышением эффективности и КПД солнечных панелей. Постепенно снижается и себестоимость фотоэлементов. В перспективе это значительно снизит срок окупаемости и сделает гелиосистемы доступными для широких слоев населения.

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.

Исследования и новейшие разработки в области повышения КПД

Стоит отдельно остановиться на новейших достижениях в области повышения КПД и рассмотреть самые эффективные солнечные батареи. Многие из них еще находятся в стадии теоретических разработок и не прошли полных испытаний в реальных условиях эксплуатации.

Экспериментальные модели представлены следующими производителями:

• Фирма Sharp подготовила образцы продукции с КПД порядка 44,4%. Ее изделия до сих пор занимают лидирующее место во всем мире. Новейшие разработки отличаются сложным устройством, состоят из трех слоев, а на разработку и испытания было затрачено несколько лет. Более простые модели все равно работают с эффективностью 37,9%, что в сравнении с обычными системами является серьезным технологическим прорывом.
• Солнечные панели, разработанные в испанском исследовательском институте – IES. В ходе испытаний они показали эффективность в пределах 32,6%. Такой высокий КПД удалось получить за счет использования двухслойных модулей. Стоимость изделий ниже, чем у других производителей, но на данном этапе использовать их в обычных жилых домах экономически невыгодно и нецелесообразно.

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.

Производство солнечных модулей

Очень часто одиночные фотоэлементы не вырабатывают достаточной мощности. Поэтому определённое количество фотоэлементов соединяется в так называемые фотоэлектрические солнечные модули и между стеклянными пластинами монтируется укрепление. Эта сборка может быть полностью автоматизирована.

Пятерка крупнейших производителей

Крупнейшие производители фотоэлектрических элементов (по суммарной мощности) в 2016 году.

1. Jinko Solar
2. Trina Solar
3. Hanwha QCELLS
4. Canadian Solar
5. JA Solar

Поделитесь в соц.сетях:

Оцените статью: (Пока оценок нет) Загрузка...

Читайте также:

Где можно помыться, когда отключают горя... Выбираем котел для частного дома: деталь... Установка вертикального полотенцесушител... Мангал из газового баллона своими руками...