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).
Идея использовать солнечную энергию для отопления дома или на другие нужды - не нова, разработаны устройства, которые позволяют это сделать любому человеку. Во многих странах, солнечные батареи на крыше скорее правило, чем исключение. Наша страна, к ним пока не относится, но и у нас уже подобные установки можно увидеть все чаще. Солнечные системы для дома могут быть двух видов. Первый - солнечные коллекторы, которые нагревают протекающий в них теплоноситель. Второй - солнечные батареи, которые вырабатывают электричество. О них и будем говорить ниже.
Солнечные батареи преобразуют солнечный свет в электрическую энергию. Батарея состоит из некоторого количества фотоэлектрических преобразователей, которые чаще называют фотоэлементами. Количество преобразователей в батарее произвольное, соединение последовательно-параллельное. Чем определяется количество фотоэлементов? Необходимой силой тока и напряжением. Располагают преобразователи на какой-либо плоской поверхности один возле другого. Из-за внешнего вида такие конструкции часто называют «солнечные панели».
Солнечные батареи для частного дома в некоторых странах — обычное явление
Слишком большие по площади солнечные батареи в быту использовать неудобно, а если не хватает мощности самой большой, несколько устройств соединяют в каскад. Если мощность требуется большая, может понадобиться значительная площадь: может быть занята вся крыша, иногда стены дома и часть придомовой территории. Потому чаще применяют солнечные батареи для частного дома: там есть где разместить и большое их количество. Владельцы квартир могут занять только окна и балконы.
Возможности использования
Как можно использовать солнечные батареи для отопления дома? Только для уменьшения счетов за электроэнергию, а также в качестве резервного источника на случай отключения. Это поможет добиться той самой энергонезависимости, и не заморозить систему отопления при отсутствии централизованного электропитания.
Насколько реально солнечная батарея может обеспечит потребности в электричестве? Если говорить о водяном отоплении, то это реально: для поддержания работоспособности системы потребуется максимум 200-300 Вт/ч. Столько в среднем «тянут» электроника котла + циркуляционный насос + возможные управляющие устройства и контролеры. Если система у вас больше, возьмите паспорта и посчитайте необходимую мощность. Для 300 Вт/ч будет достаточно двух солнечных панелей средней мощности (их суммарная производительность должна немного превышать потребность).
И не нужно думать, что при отсутствии солнца электричества не будет. В систему входят обязательно аккумуляторы и инвертор. Правильно подберите мощность аккумуляторов, и их заряда даже при самых плохих погодных условиях вам хватит на несколько дней работы системы.
Кстати, многие европейские производители отопительного оборудования предусматривают совместную работу своей техники с солнечными преобразователями (например, газовые котлы и ). Но работают они с гелиоколлекторами (греют воду) или с солнечными батареями, нужно смотреть по каждому виду оборудования.
Если , все серьезнее. Мощность большинства таких обогревателей исчисляется киловаттами. Для выработки такого количества энергии потребуется много панелей для переработки энергии солнца. Устройство системы солнечных батарей для отопления частного дома электрическими полами, может вылиться в очень приличную сумму. Но система хороша тем, что ее мощность можно наращивать постепенно. Будете по возможности увеличивать количество панелей и количество вырабатываемого электричества.
При желании можно сэкономить: . Такие самодельные варианты обойдутся в разы дешевле заводских. И это притом, что покупать фотопреобразователи придется готовые: их изготовление в кустарных условиях - нереальная задача. Поэтому - только готовые. Эффективность самодельных солнечных панелей будет ниже заводских, но и цена в разы ниже.
Расчет солнечных батарей для дома
Инсоляция (количество солнечной энергии) в разные месяцы сильно изменяется. Потому сначала нужно определиться с тем, какую часть электроэнергии и на какой период вы собираетесь вырабатывать. Если вы хотите все 100% в любое время года вырабатывать самостоятельно, считать придется по самому плохому месяцу с минимальным количеством солнечных дней. Но тогда возникнет вопрос: что делать с избыточным количеством электроэнергии, которая будет вырабатываться в другие месяца. Если проживание планируется только в огородный сезон, считаете по самой низкой инсоляции в этот период. В общем, принцип понятен.
Затем необходимо рассчитать какую суммарную мощность должна выдавать ваша солнечная система для дома. Для этого в таблицу вписываете все электроприборы, и из их паспортов вносите данные по мощности, потребляемому току и ваттную нагрузку. Подбив колонки, узнаете, сколько электроэнергии в час нужно всей вашей аппаратура и приборам. Понятно, что все они вряд ли включаются одновременно. Можете попытаться высчитать, какие из них работают одновременно, и по этой цифре подбирать солнечные панели.
Как считать количество солнечных батарей разберем на примере. Пусть потребность в электроэнергии 10 кВт/ч, инсоляция в расчетном месяце 2 кВт/ч. Мощность батареи, которую собрались покупать, 250 Вт (0,25 кВт). Теперь считаем 10 / 2 / 0,25 = 20 шт. То есть понадобится 20 солнечных панелей.
Для уменьшения потребления электроэнергии нужно заменить все лампы накаливания на светодиодные, а всю старую неэкономную технику на энергосберегающую - тогда вам понадобится не такое уже и большое количество солнечных панелей.
Виды солнечных батарей
Фотоэлектрические преобразователи существуют разные. Причем отличается и материал, из которого они изготавливаются, и технологии. От всех этих факторов напрямую зависит производительность этих преобразователей. Некоторые фотоэлементы имеют КПД 5-7 %, а самые удачные последние разработки показывают 44 % и выше. Понятно, что от разработок до бытового использования расстояние огромное, и по времени, и по деньгам. Зато можно представить, что ждет нас в ближайшем будущем. Для получения лучших характеристик используют другие редкоземельные металлы, но с улучшением характеристик имеем приличное повышение цены. Средняя же производительность относительно недорогих солнечных преобразователей составляет 20-25 %.
Самые распространенные кремниевые солнечные батареи. Этот полупроводник недорог, его производство освоено давно. Но они имеют не самый высокий КПД - те самые 20-25%. Потому при всем разнообразии сегодня преимущественно используются три вида солнечных преобразователей:
- Самые дешевые - тонкопленочные батареи. Они представляют собой тонкий налет кремния на несущем материале. Кремниевый слой покрыт защитной пленкой. Плюс этих элементов в том, что работают они даже в рассеянном свете, а, следовательно, есть возможность устанавливать их даже на стены зданий. Минусы - низкая эффективность 7-10%, а также, несмотря на защитный слой, постепенная деградация кремниевого слоя. Тем не менее заняв большую площадь, можно получить электричество даже в пасмурную погоду.
- Поликристаллические солнечные батареи изготавливают из расплава кремния, медленно его охлаждая. Отличить эти элементы можно по ярко-синему цвету. Эти солнечные батареи имеют лучшую продуктивность: КПД 17-20%, но в рассеянном свете малоэффективны.
- Самые дорогие из всей троицы, но при этом довольно широко распространенные - монокристаллические солнечные батареи. Они получаются путем разделения одного кристалла кремния на пластины и имеют характерную геометрию со скощенными углами. У этих элементов КПД от 20% до 25%.
Теперь, видя надписи «солнечная панель моно» или «поликристаллическая солнечная батарея», вы будете понимать, что речь идет о способе производства кремниевых кристаллов. Также вы будете знать, какой эффективности от них можно ожидать.
Батарея с монокристаллическими преобразователями
Эффективность солнечных батарей зимой
Вы, наверное, удивитесь, но зимним днем на вертикальную поверхность падает всего в 1,5-2 раза меньше энергии, чем летом. Это данные для средней полосы России. За сутки картина хуже: за этот период летом получаем в 4 раза больше энергии. Но обратите внимание: на вертикальную поверхность. То есть на стену. Если говорить о горизонтальной поверхности, тут разница уже в 15 раз.
Самая печальная картина по выработке электроэнергии солнечными батареями ожидает вас не зимой, а осенью: в пасмурную погоду их эффективность ниже в 20-40 раз, в зависимости от плотности облачного покрова. Зимой же, после того выпал снег, инсоляция (количество света, падающего на батареи) в солнечные дни может приближаться к летним значениям. Потому зимой солнечные системы для дома вырабатывают больше электроэнергии, чем осенью.
Получается, чтобы зимой добиться близкой к максимальной эффективности, нужно располагать солнечные батареи вертикально или почти вертикально. И, если их вешать на стены, то желательно на юго-восточные: утром по статистике чаще бывает ясная погода. Если юго-восточной стены нет, или ничего на ней установить невозможно, выйти из положения можно сделав специальные подставки. Тогда ставят солнечные батареи на крыше. Так как угол падения солнечных лучей в зависимости от сезона меняется, желательно сделать подставку с регулируемым углом наклона. Есть возможность — разверните солнечные панели «лицом» на юго-восток, нет такой возможности, пусть «смотрят» на юг.
Правила установки
Эффективность работы кремниевых солнечных батарей зависит от количества попадающей на них энергии солнца (всего спектра излучения). Факторы, на которые мы можем каким-то образом повлиять, это:
На работоспособность многих типов преобразователей влияют температурные показатели: диапазон использования кремниевых элементов от -40 o C до +50 o C. Негативно на работоспособности сказываются как более низкие, так и более высокие температуры. Если летом у вас солнце активное, важно не допустить перегрева. Для этого под панель можно положить белую ткань или фольгу (более эффективно). Если это не помогает и панель перегревается, поверните ее, или перевесьте. Нужно будет выбрать такое положение, при котором будет соблюдаться тепловой режим, а производительность останется довольно высокой.
Максимальную свою продуктивность эти устройства показывают, если солнечные лучи падают под углом 90 o . К сожалению, такое возможно далеко не весь день, а лишь короткий промежуток времени. Есть специальные системы слежения, изменяющие угол наклона панели так, чтобы свет падал постоянно под желаемым углом, но это дорогие установки.
И все же, можно найти оптимальный угол установки солнечных батарей. Просто при незначительном отклонении от идеала (менее 50 o) производительность падает мало, примерно на 5 %. Фактическое подтверждение этому можете увидеть в видео.
Для каждого региона угол установки солнечных батарей свой. Его можно определить экспериментально (как - вы видели), а можно выставить исходя из географической широты - этот наклон принято считать самым лучшим. Многое зависит от ориентации панели: если вы развернули ее на север или восток, оптимальный угол будет меньше.
Солнечные батареи на крыше
Прежде всего, нужно выяснить, выдержит ли кровля дополнительную нагрузку. Один-два модуля выдержит любая, а для большего количества придется считать.
Для надежной фиксации они должны крепиться как минимум в четырех точках. Причем, если вы монтируете панели заводского изготовления, не поленитесь изучить инструкцию по установке: при нарушении хотя бы одного из пунктов, оборудование снимается с гарантии. В большинстве случаев требования такие:
Системы крепления солнечных панелей могут быть разными. Есть готовые (продаются там же, где и сами панели), но вполне можно использовать и сделанные собственноручно. Важно только использовать надежные, стойкие к коррозии материалы. Толщина реек и крепежа должна быть большой: выдерживать должны они и ветровые нагрузки, и массу панелей с самым толстым снежным покровом.
Один из методов крепления солнечных батарей на крыше частного дома можно увидеть в видео.
Теперь немного об электрической сборке. Схема подключения солнечной батареи, кроме самих преобразователей, предусматривает наличие:
- контроллера заряда с подключенными аккумуляторными батареями;
- преобразователя (инвертора), который преобразует постоянный ток в переменный;
- предохранителей для защиты от короткого замыкания (повысят безопасность и вашу и системы).
Контроллер и преобразователь имеют ограничения по току и напряжению. Суммарные параметры подключаемой для вашего дома солнечной системы не должны их превышать. Для электрического соединения батарей в единую систему, использовать нужно только те провода, которые выведены наружу.
Для соединения панелей применяют медный проводник в стойкой к ультрафиолету изоляции. Если провода в подходящей изоляции не нашли, спрячьте его в гофрированный шланг для наружных работ. Толщина жил провода зависит от предполагаемой силы тока в системе и от длины линии, но минимальное сечение 4 мм 2 . Соединение проводников желательно делать при помощи коннекторов, а не на скрутках. Рекомендуют МС4 потому что проводники, выходящие из большинства солнечных батарей, оконечены именно такими разъемами. Эти разъемы хороши тем, что обеспечивают герметичное соединение, что на крышах немаловажно. Но не все фирмы устанавливают разъемы этого стандарта. В дешевых моделях (особенно китайских) может стоять что-либо иное, так что уточняйте при покупке.
Теперь о последовательности подключения оборудования в систему. Для безопасного подключения соблюдайте очередность такую:
- К контроллеру подключаются аккумуляторы с соблюдением полярности. Провода - медь, сечение выбирается в зависимости от мощности контроллера.
- К контроллеру подключаются солнечные батареи. Также необходимо соблюдать полярность.
- К контроллеру через предохранитель подключается 12 В потребители.
- К аккумуляторам подключается инвертор (через предохранитель), а к его выходу уже потребители 220 В. Подключение инвертора напрямую к контроллеру исключено: придется покупать новые устройства. А это приблизительно 600-1000$ в зависимости от фирмы и мощности.
Не пренебрегайте последовательностью подключения - это наиболее безопасный алгоритм, гарантирующий (при соблюдении полярности) рабочее состояние системы.
Напоследок, еще один вариант установки на крыше дачи с регулируемым углом наклона. Возможно, вам видео будет полезным.
Солнечные батареи - уникальный преобразователь энергии световых лучей в электричество с неограниченным внешним источником. Постоянно растущий спрос на данную продукцию обусловлен доступностью и экологичностью энергоснабжения без расхода теплоносителя, а также экономической окупаемостью за 2 года при минимальном сроке службы панелей в 25 лет.
Основой служат полупроводники или пленочные полимеры, пластина из слоев разной полярности преобразует свет в направленное движение электронов - это физическое явление неизменно для всех солнечных батарей. Вместе с тем такое исполнение ограничивает эффективность фотопреобразователей, часть энергии фотонов неизбежно теряется при прохождении границы p-n перехода. На практике на коэффициент полезного действия батарей влияют многие факторы: материал, площадь, расположение, интенсивность светового потока, что учитывается при покупке и эксплуатации.
Зависимость КПД от вида фотопреобразователей
Данный показатель определяется как процентное отношение вырабатываемой электрической энергии к мощности падающего солнечного света. На величину влияет чистота пластины и ее структура: пленочная, поли- или монокристаллическая. Последние виды относятся к самым дорогим и долго окупаемым, доступные солнечные батареи с высоким КПД для дома пока что производят только из слоев кремния разной полярности. Менее эффективными являются панели из террурида кадмия и CIGS, выпускаемые на основе пленочной технологии. КПД кадмиевых батарей составляет всего 11 %, но они дешевы и достаточно надежны в эксплуатации. Чуть выше показатель у пленки с нанесенными частицами галлия, меди, индия и селена, фотоэлементы CIGS эффективны на 15 %.
Для сравнения: КПД кремниевых преобразователей монокристаллического типа - 25 %, а у тонкопленочных или аморфных субмодулей из того же материала - максимум 10, устройства на основе органических полимеров имеют минимальное значение - 5 %. Многое зависит от площади панели, одиночные фотоэлементы ограничены в генерировании электричества.
Величина КПД маленьких солнечных батарей не позволяет использовать их для полноценного энергоснабжения, но их достаточно для запуска некоторых видов электроники. В любом случае, повышение эффективности устройств и минимизация их себестоимости является приоритетной задачей современной энергетики.
Факторы, влияющие на эффективность солнечных батарей
Коэффициент полезного действия зависит не только от применяемого материала и технологии, но и от целого комплекса внешних условий:
1. Интенсивности светового потока. В свою очередь этот показатель связан с географическими координатами расположенной батареи, в частности - с широтой.
2. Угла наклона конструкции. В идеале следует установить солнечные батареи, меняющие его, исходя из градиента падения лучей. Такая система стоит дороже, но она позволяет аккумулировать внушительное количество электричества (до 40–60 %) и меньше зависеть от сезона и времени суток.
3. Температуры окружающей среды. Нагрев плохо влияет на фотоэффект, вентилируемые батареи имеют очень высокий КПД. Как ни парадоксально, но в морозную ясную погоду они вырабатывают больше энергии, чем в жару (хотя общий кумулятивный эффект снижается из-за короткого светового дня).
4. Времени года. На практике КПД солнечных панелей зимой уменьшается в 2–8 раз, но это не связано с выпадением снега: на темной поверхности он быстро тает, кроме того - фотопреобразователи отлично воспринимают рассеянный свет.
5. Запыленности. Чем чище внешняя часть солнечных батарей, тем большее количество фотонов будет преобразовано, поэтому для повышения КПД рабочие поверхности рекомендуется протирать как минимум раз в два года.
6. Тени. Не секрет, что коэффициент полезного действия для солнечных батарей в пасмурную погоду значительно снижается, в туманных и дождливых районах их нет смысла ставить, то же относится и к затененным участкам. Панели нежелательно монтировать в тени высоких деревьев или соседних домов, при выборе месторасположения приоритет отдается южной стороне.
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.
Достигнуть впечатляющих для сегмента фотоэлектрических элементов успехов удалось стартапу Инновационного парка EPFL в Германии.
Согласно опубликованной пресс-службой учебного заведения информации, команде студентов Института Фраунгофера во главе с руководителем проекта Лораном Кулотом удалось модернизировать применяемые в космической сфере технологии, существенно удешевив производство и повысив эффективность солнечных батарей. Показатели КПД прототипа будущей массовой фотоэлектрической панели, которую создатели рассчитывают превратить в серийный продукт после разрешения технологических вопросов и поиска инвесторов, вдвое превышают стандартные для отрасли. Напомним, что КПД имеющихся в продаже солнечных батарей в большинстве случаев достигает 15-20%, что является пределом для применяемых сегодня технологий «улавливания» солнечных лучей с последующим преобразованием этой энергии в электрическую. Полученные в ходе тестирования панели-прототипа результаты показали эффективность выработки электроэнергии на уровне 36,4%, что в случае перехода на массовый выпуск источников преобразования энергии Солнца в электричество позволит достичь выдающегося показателя — 30-32%.
Создатели принципиально нового и сверхэффективного типа солнечной батареи рассказали о примененной ими методике повышения КПД батареи, для чего специалисты EPFL воспользовались оптическими линзами. Применяемые в космосе панели для преобразования солнечной энергии в электрическую изготавливаются с применением сверхдорогих материалов, помогающих улучшить свойства «улавливания» лучей Солнца в специальных мини-ячейках. Немецкие специалисты из независимой лаборатории Института Фраунгофера применили этот же принцип, максимально уменьшив площадь очень дорогого слоя высокопроизводительных ячеек. Вместо «растянутого» на всю площадь панели слоя фотоэлементов из дорогостоящих материалов разработчики взяли маленький кусочек высокопроизводительных ячеек, сконцентрировав на нем весь поступающий на поверхность элемента солнечный свет. Верхний слой поверхности батареи состоит из микроскопических линз, установленных на механической основе, при помощи маленьких сервомоторов смещающей фокусируемый свет точно на фотоподложку в зависимости от расположения земного светила.
Такая методика обеспечивает максимальную эффективность преобразования энергии на протяжении всего светового дня при сохранении низкой стоимости производства. Цена выпуска вдвое более эффективных солнечных элементов после налаживания серийного производства основанных на разработанных специалистами EPFL принципах батарей превысит себестоимость имеющихся на рынке только панелей на 10-15% при стопроцентном наращивании показателя КПД. Говорить о сроках выпуска перспективной разработки в массовых масштабах создатели очень дешевого в сравнении с выпускающимися для применения в космосе образцами решения говорят пока неохотно, ссылаясь на необходимости отработки технологического базиса для налаживания крупносерийного выпуска недорогих в изготовлении, но крайне эффективных солнечных панелей с КПД 36%. Ожидается, что первые мелкосерийные образцы таких элементов появятся не раньше, чем через 2-3 года, когда себестоимость выпуска фотоэлектрических панелей сможет установить новый ценовой рекорд. Сегодня приобретение и установка подобных батарей на загородных участках для вырабатывания электрической энергии «из воздуха» обходится многократно дороже подключения к электросетям — окупать дорогостоящую покупку приходится в буквальном смысле десятилетия.
По этой причине активно продвигаемые на Западе «солнечные плантации» из сотен и тысяч отдельных фотоэлементов продолжают субсидироваться за счет государственных программ стимулирования сферы альтернативной энергетики. Только за счет вложения миллиардов долларов и евро в развитие этой области Европе и США удалось добиться внушительных и внушающих оптимизм экономических показателей, на бумаге выглядящих настоящим прорывом в сфере получения экологически чистой электроэнергии. На деле каждый выработанный из Солнца Киловатт обходится значительно дороже, чем разведка, добыча и последующее извлечение из недр земли углеводородов, продолжающих составлять основу общемировой энергетики. Единственной альтернативой «бесплатной» электроэнергии остается атомная энергетика, категорически вычеркнутая Евросоюзом и большинством других мировых держав из списка доступных источников электричества. Причиной становится опасность повторения трагических событий 1986-го и 2011 годов в советском Чернобыле и японской Фукусиме, когда на эксплуатируемых СССР и Японией соответственно атомных электростанциях фиксировались радиационные аварии предельного по Международной шкале ядерных событий седьмого уровня.
Именно поэтому Запад продолжает рассматривать солнечную энергетику в качестве самого перспективного направления при формировании базы для создания «энергетического задела» будущим поколениям, которым очень скоро придется столкнуться с полным отсутствием легкоизвлекаемых запасов углеводородов — нефти, газа и угля. Уже сегодня запасы расположенных на доступной для современных буровых установок глубине энергетических ресурсов эксперты называют «близкими к истощению», что вынуждает ученых и исследователей энергично перебирать новые варианты для сохранения текущего уровня потребления электричества мировой промышленностью. Потенциально выгодными с технологической точки зрения пока остаются только два направления — ядерная энергетика и фотоэлементы, преобразующие «добирающийся» по поверхности планеты свет галактического светила в нужную для жизнедеятельности человека электрическую энергию. Искусственный отказ от атома оставляет западным державам, в первую очередь Евросоюзу и Соединенным Штатам Америки, только один путь для дальнейшего развития и модернизации собственной энергетики.
По мнению главного операционного директора стартапа EPFL Флориана Герлиха, созданные немецкими специалистами батареи позволят снизить цену за вырабатываемый Киловатт-час электроэнергии для потребителей до приемлемого уровня, когда покупка дорогой солнечной панели даже без привлечения государственных субсидий окупится после непродолжительной эксплуатации. Увеличение КПД до 36% — многообещающий прорыв, способный «встряхнуть» мировую энергетическую систему в рамках общемирового проекта по поиску наиболее выгодных с финансовой точки зрения и показателей экологичности способов получения электричества. На последнее, например, активно «переезжают» выпускаемые крупнейшими автоконцернами автомобили, доля которых с установленными под капотом электродвигателями к 2030-2035 годам достигнет, по предварительным подсчетам экспертов, серьезных 10-12% в масштабе всего автопарка на планете. Активное содействие этому окажут и разработки ученых, на протяжении последних десятилетий продолжающих биться за каждый процент эффективности выработки электроэнергии, добиваясь достижения предельно допустимых значений в гонке за «бесплатными» киловаттами.
