КПД у разных типов солнечных панелей

Существует несколько разновидностей солнечных модулей, которые изготавливаются по собственным технологиям и обладают определенными параметрами. КПД солнечных панелей определяет их способность преобразовать солнечную энергию в электрический ток. Расчет производится путем деления мощности энергии, вырабатываемой панелью, на мощность потока света, падающего на рабочую поверхность.

Показатели панелей изначально определялись при стандартных лабораторных условиях (STS):

• уровень инсоляции — 1000 вт/ м2
• температура — 25°

Большинство современных производителей производят тестирование каждой собранной батареи и прилагают результаты к документации при продаже. Это дает более полную и корректную информацию о каждой панели, поскольку в процессе изготовления возможны некоторые отклонения от технологических нормативов. Поэтому сравнение любых двух (или более) панелей всегда выявляет небольшое расхождение демонстрируемых параметров.

Практически любые отклонения в первую очередь отражаются на эффективности, т. е. на КПД солнечной батареи. Из-за этого все разновидности не имеют четко определенного значения. Обычно указывают довольно широкий диапазон, который может давать заметную разницу параметров солнечных модулей, изготовленных по одинаковой технологии.

Все виды фотоэлементов обладают определенными свойствами, определяющими эффективность солнечных батарей. Каждая разновидность имеет свои пределы возможностей, обусловленные строением и составом полупроводников.

Виды солнечных фотоэлементов и их КПД

Существуют разные виды солнечных батарей:

• кремниевые
• теллур-кадмиевые
• из арсенида галлия
• из селенида индия
• полимерные
• органические
• комбинированные, многослойные

Самые эффективные солнечные панели из тех, что находятся в серийном производстве — кремниевые.

Их выпускают в двух видах:

• монокристаллические. Изготавливаются из тонких пластинок, срезанных с цельного (монолитного) кристалла кремния. Считается, что это — лучшие солнечные панели, демонстрирующие КПД от 17 до 22 %
• поликристаллические. Заготовкой для этих элементов является брикет кремния, который был расплавлен и разлит по формам. Такие панели обладают немного сниженными показателями по всем позициям, чем монокристаллические. Их КПД находится в диапазоне 12-17 %

Есть еще одни современные солнечные батареи с высоким КПД — это панели на основе селенид-индия. Они способны выдать КПД 15-20 %. Несколько меньшими качествами обладают элементы из теллурида кадмия — не более 10-12 %.

Остальные виды значительно уступают лидерам — аморфные и полимерные элементы демонстрируют КПД не более 5-6 %. Необходимо учитывать, что приведенные показатели — усредненные. У разных производителей есть образцы, превышающие обычные нормы эффективности. Это не меняет общей картины, но демонстрирует необходимость совершенствования технологий, разработки новых методов производства фотоэлементов.

От чего зависит эффективность?

КПД солнечных фотоэлектрических установок составляет лишь малую часть от теоретически возможных показателей. Расчетный КПД доходит до 80-87 %, но изъяны технологии, недостаточная чистота материалов и неточность сборки элементов существенно снижают эти значения. Основная проблема кремниевых элементов заключается в способности поглощать лучи только инфракрасного спектра, а энергия ультрафиолетовых участков остается неиспользованной.

Проблема состоит в дороговизне процессов очистки, выращивания кристаллов и прочих тонких процедур, без которых ожидаемого эффекта не удастся добиться. Все солнечные панели с высоким КПД отличаются высокой стоимостью, что делает их недоступными для массового пользователя.

Необходимо учитывать также погодные и климатические условия. Самая производительная система не сможет демонстрировать высокие результаты, если источник энергии скрыт за тучами, или находится низко над горизонтом. Этот фактор не подлежит регулированию, единственным способом борьбы с ним может стать повышенная эффективность солнечных панелей.

Некоторые разновидности фотоэлементов способны вполне стабильно вырабатывать энергию в пасмурную погоду, например, тонкопленочные виды. Однако, их производительность невысока и не дает нужного количества энергии. Чем выше КПД батарей, тем сильнее падает количество вырабатываемой энергии при появлении облачности.

Ежегодно появляются заявления от различных компаний или групп ученых о разработке высокоэффективных образцов солнечных панелей, стабильно работающих в сложных условиях. Однако, в продаже до сих пор есть только привычные кремниевые или пленочные разновидности, а новинок не видно. Причиной этого является слишком высокая себестоимость производства и нестабильность результатов технологий, вынуждающие изготовителей пока отказываться от недоработанных новшеств.

Срок службы и окупаемость

Большинство солнечных панелей способны работать по 25 лет и более. Однако, первоначальные характеристики со временем ухудшаются, происходит падение производительности и, как следствие, уменьшение КПД. Факторы, влияющие не длительность эксплуатации фотоэлементов:

• тип конструкции. Чем выше изначальная производительность, тем более высокие результаты панель будет показывать после многолетней службы
• условия эксплуатации. В регионах с сильными среднесуточными и среднегодовыми перепадами температур ресурс панелей быстро уменьшается. Происходит физический износ полупроводников, нарушается прочность соединения слоев, образующих p-n переход. Все эти факторы отрицательно влияют на КПД солнечных модулей

Окупаемость панелей в первую очередь зависит от инсоляции — количества солнечной энергии, доступной фотоэлементам. Здесь необходимо учитывать следующие факторы:

• продолжительность светового дня
• положение солнца над горизонтом
• погодные условия в регионе

Практика показывает, что средний процент деградации солнечных батарей составляет 0,6 % в год. Однако, к естественным процессам прибавляются внешние воздействия — температурные, механические и т.п. Поэтому производители обычно гарантируют, что в течение 10 лет эксплуатации производительность не упадет больше, чем на 10 %.

Вопрос окупаемости солнечных панелей всерьез никем не рассматривается. Существуют приблизительные расчеты, показывающие количество выработанной энергии и ее среднюю стоимость в течение 10, 25 лет. Эти данные не способны показать реальной картины, поскольку все комплексы работают в собственных условиях, подвергаются тем или иным воздействиям и не могут гарантировать заданной производительности.

Специалисты утверждают, что для некоторых регионов окупаемость солнечных батарей никогда не наступает, в других местностях она составляет около 10 или 15 лет.

Подробные исследования не производятся, или ведутся только для данного района. Если необходимо узнать технико-экономические показатели СЭС, приходится каждый раз производить индивидуальный расчет для данных условий, моделей солнечных модулей и прочих факторов воздействия.

Самые эффективные солнечные батареи

Обычный пользователь не старается глубоко вникнуть в теорию, поэтому он чаще всего задает вопрос — хочу купить солнечные панели, какие лучше? Вопрос простой, но ответить на него однозначно крайне сложно. Все зависит от возможностей и потребностей покупателя.

Споры о том, какие солнечные батареи самые эффективные ведутся с самого начала их использования. Несмотря на приоритет кристаллических кремниевых конструкций, нередко впереди оказываются другие виды панелей. Есть рекордсмены в этой области, например, фирма Sharp объявила о создании панелей с КПД 44 %. Эта же фирма создала модули с эффективностью 37,9 %. Есть образцы от других разработчиков с КПД около 32 %. Все эти модели весьма дороги и в массовое производство пока не поступают. Нерентабельность — основная проблема развития солнечных модулей.

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.

Разработка рабочей конструкторской документации завершена. Изготовлением элементов планера первой машины займется один из авиазаводов в структуре Объединенной авиастроительный корпорации. Более того, в настоящее время уже ведется изготовление кабины самолета. Окончательная сборка всего самолета должна завершиться в 2021 году. Об этом сообщило информагентство ТАСС со ссылкой на свои источники в оборонно-промышленном комплексе.

Работы идут под грифом «совершенно секретно», поэтому подробности того, как будет выглядеть наш бомбер будущего, не разглашаются. Тем не менее о нем — изделии 80 проекта ПАК ДА — уже кое-что известно.

Первая открытая информация о перспективном авиационном комплексе дальней авиации появилась в марте 2017 года. И сообщил об этом опять же ТАСС. Тогда заявлялось, что построен первый полноразмерный макет перспективного авиационного комплекса Сделали его из дерева на фирме «Туполев», которая, как сообщалось, является основным разработчиком этого комплекса, создаваемого для ВКС России. Тогда уточнялось, что построено несколько макетов ПАК ДА из композитных материалов, а также полноразмерный макет из дерева. При этом особо обговаривалось, что макеты выполнены по схеме «летающее крыло». Появились даже фотографии одной из версий перспективного самолета. Сообщалось, что работы над бомбардировщиком будущего начались на «Туполеве» еще в 2009 году.

В ноябре 2018 года появилась новая информация. Сайт госзакупок опубликовал объявление о тендере на опытно-конструкторские работы по двигателю для перспективного авиационного комплекса дальней авиации. Кто в нем победил — позже не объявлялось.

Та публикация позволила более точно представить характеристики новой машины.

По заявленным требованиям, основная и дублирующая электронные системы двигателя должны обеспечить полет бомбардировщика продолжительностью до 30 часов. Системы топливопитания и гидромеханического регулирования должны работать при околонулевых и отрицательных перегрузках до 2,7 g и при температурах от минус 60 до плюс 50 градусов Цельсия. Минимальный срок службы изделия должен составлять 12 лет с возможностью продления срока эксплуатации до 21 года. Отдельно отмечено, что двигатель должен быть устойчив к воздействию поражающих факторов ядерного оружия.

Сегодня о ПАК ДА можно сказать следующее. Построят его по схеме «летающее крыло» с максимальным использованием технологий невидимости «стелс». При этом угловатые обводы, как в американских самолетах, уменьшающие так называемую эффективную отражающую поверхность, но ухудшающие аэродинамические характеристики, не станут играть основной роли. Невидимость обеспечит специальное радиопоглощающее покрытие, кстати, отечественное ноу-хау, и максимально возможное применение композитных материалов. Свою роль сыграют и новейшие средства радиоэлектронной борьбы.

Все ракетно-бомбовое оружие разместят внутри фюзеляжа и крыльев, что тоже снизит вероятность обнаружения нового бомбардировщика радарами противника.

Российский ПАК ДА, скорее всего, в своем проекте будет иметь открытую платформу, что позволит оперативно перестраивать уже выпущенные самолеты под решение новых задач, которые могут возникнуть даже в отдаленном будущем. Скорость ПАК ДА, в отличие от Ту-160, станет дозвуковой, как у Ту-95. Это позволит существенно увеличить дальность полета и время нахождения самолета в воздухе.

Существенное отличие перспективного российского бомбардировщика от американских аналогов, как утверждают эксперты, в том, что он может выполнять функции космического перехватчика. Его предполагается вооружить гиперзвуковыми ракетами, которые смогут не только наносить неотразимые удары по наземным целям и авианосным группировкам, но и по всему, что находится в ближнем космосе. В перспективе, и в дальнем. Он сможет уничтожать как военные спутники, так и боеголовки стратегических ракет. Вполне возможно, что основной задачей ПАК ДА станет не классическая — бомбежка вражеских территорий, а новая — перехват космических целей.

В качестве основного оружия, как утверждают специалисты, пока рассматриваются высокоточные ракеты Х-102. Они способны поражать наземные и морские цели, могут оснащаться ядерной боевой частью, имеют дальность полета 5500 км. Хотя более вероятно, что основным станет все-таки гиперзвуковое оружие.

Если проект ПАК ДА состоится, то наша страна первой в мире сможет поставить в строй бомбардировщики-ракетоносцы действительно нового поколения.

Ученые Национальной лаборатории по изучению возобновляемой энергии (США) разработали солнечные батареи с максимальным на сегодняшний момент КПД. Он составляет 39,2 процента при естественной освещенности солнцем, и при концентрированном солнечном свете — более 47 процентов. Оба показателя побили мировой рекорд для солнечных батарей. Сообщение об этом появилось в издании Nature Energy.

Такого эффекта разработчикам удалось достигнуть за счет инновационной конструкции пластин. Фотоэлемент представляет собой слоеный пирог из шести слоев, каждый их которых изготовлен из отдельного материала. Это фосфид алюминия-галлия-индия, арсенид алюминия-галлия, арсенид галлия и три разновидности арсенидов галлия-индия. Подобное разнообразие материалов позволяет использовать для выработки электричества фотоны с самой разной энергией.

Помимо этого, между слоями размещены прослойки вспомогательных веществ. В итоге всего в «слоеном пироге» 140 уровней. Любопытно, что сама батарея при этом втрое тоньше человеческого волоса.

Подобные фотоэлементы имеют высокую стоимость из-за сложности их производства. Однако авторы разработки имеют ответ и на этот вопрос. Стоимость, считают они, можно существенно снизить, если уменьшить площадь фотоэлемента. Сделать это можно, фокусируя свет с помощью вогнутых зеркал.

Подобная разработка имеет перспективное значение как для энергетики в целом, так и для космической промышленности. Сейчас в космических аппаратах используются кремниевые фотоэлементы, КПД которых составляет всего около 20 процентов. Поэтому на спутниках для выработки энергии применяются фотопанели большой площади. Новые компактные и эффективные батареи — будущее космической отрасли.

Кстати, уже изобретен фотоэлемент, устойчивый к космической радиации. КПД у него невысокий, 24,1 процента, но состав — перовскит, соединения меди, индия, галлия и селена придает устойчивость перед протонным облучением, что важно в условиях космоса для межпланетных зондов, не защищенным магнитным полем Земли.

Распространенность систем генерации «зеленой» энергии с каждым годом растет, и на установку солнечной электростанции решается все большее количество людей. Преимущества этих технологий очевидны, а при проведении реальных расчетов становится ясно, что переход на потребление энергии из возобновляемых источников может быть не только выгоден, но и весьма прибылен. Рынок стремительно развивается, и цена солнечных батарей в Киеве и Украине становится все демократичней.

Какие преимущества дает солнечная электростанция для дома?

Для того, чтобы оборудовать свой участок полноценной солнечной электростанцией, необходимы определенные финансовые вложения. Однако, подобные затраты правильнее рассматривать как инвестицию в будущее — со временем система полностью себя окупает и дает хозяину многочисленные преимущества:

• Автономность
• Независимость от веерных отключений
• Отсутствие скачков напряжения, приводящих к порче домашней электротехники
• Не нужно платить за энергоснабжение
• Ресурс неисчерпаем
• Бесшумность
• Высокая надежность
• Экологичность

В том случае, если домашняя солнечная электростанция позволяет вырабатывать электричества больше, чем в хозяйстве потребляется, существует возможность продавать электроэнергию, полученную из возобновляемых источников, государству. Т.к. в зимний период выработка электроэнергии от солнца минимальна, прибыль, полученная от продажи избыточной энергии в летний сезон, покрывает все расходы.

Что включает в себя комплект солнечных батарей для дома?

Для полноценной автономной работы типовая солнечная станция для дома должна содержать следующий перечень оборудования:

• Панели. Основной элемент системы, отвечающий за выработку энергии. Применяются панели преимущественно поликристаллического или монокристаллического типов. Существуют альтернативные варианты, однако ввиду низкого КПД они не получили в бытовом секторе широкого распространения.
• Накопитель. Ночью система не вырабатывает энергию, хотя именно в вечернее время необходимо освещение и работает большинство бытовых электроприборов, поэтому солнечная электростанция должна оснащаться системой аккумуляторов для накопления и сохранения энергии, сгенерированной за день.
• Контроллер. Предназначен для управления процессом зарядки. В тот момент, когда уровень заряда аккумулятора достигает 100%, контроллер отключает батареи. При небольшом объеме аккумуляторов наличие контроллера особенно критично. Существует несколько типов контроллеров: MPPT и PWM.
• Инвертор. Солнечные панели могут вырабатывать лишь постоянное электричество, поэтому для запитки домашней сети необходимо преобразование напряжения до стандартных параметров.

Для обеспечения высокого уровня автономности некоторые потребители целесообразно заменить на энергоэкономные аналоги. Одна только замена ламп накаливания на светодиодные снижает расход энергии в несколько раз.

Критерии, с учетом которых должна проектироваться солнечная система для дома

Прежде, чем купить солнечные батареи для частного дома, необходимо провести глубокий расчет среднесуточного расхода электроэнергии, определить регулярные пиковые показатели потребления.

Большое значение имеет фактор инсоляции, определяющий уровень насыщенности конкретной местности лучами солнца. Чем севернее регион, тем уровень инсоляции меньше, и для достижения расчетной мощности потребуется большая площадь панелей.

Затененность площадки деревьями, либо иными объектами может существенно повлиять на производительность системы. Также следует учитывать, что у поликристаллических панелей при затенении производительность снижается пропорционально затененной площади, а некоторые монокристаллические солнечные панели для дома даже при частичном затенении могут отключиться полностью.

Основные схемы инсталляции

После проведения расчетов становится известно, какая площадь батарей потребуется для обеспечения хозяйства электроэнергией. Однако расчетная площадь покрытия может ограничиваться особенностями участка, поэтому в разных ситуациях солнечные батареи для дома могут компоноваться, образуя гибридную систему электроснабжения:

• Автономная система
• Совместимость с централизованным электроснабжением
• Совместимость с иными источниками энергии

Не всегда возможен переход на полную автономность. Это может быть вызвано ограниченным бюджетом, если цена солнечных батарей для дома с полным комплектом оборудования выходит за рамки бюджета заказчика. Также использование в хозяйстве промышленного оборудования с повышенным энергопотреблением чаще всего вынуждает использовать внешний ресурс.

Где выгодно заказать и установить солнечные электростанции в Украине?

Компания VINUR является ведущим специалистом по поставке и внедрению систем гарантированного энергообеспечения. Купить солнечные батареи в Киеве и Украине по лучшей цене Вы можете, обратившись в нашу компанию. Квалифицированные специалисты помогут подобрать оптимальные солнечные батареи для дачи, жилого дома или предприятия, а также осуществить доставку и монтаж всей системы. Компания VINUR выполняет полный спектр работ — сотрудничество начинается с разработки проекта и подбора оборудования, а завершается сдачей объекта под ключ.

Видео «Виды солнечных электростанций со схематическими примерами от компании Винур»

Солнечные батареи изнашиваются из-за слишком большого количества света, влажности или низкой температуры, отметили исследователи. Поэтому они разработали новый тип солнечных батарей, которые не разрушаются из-за воздействия окружающей среды и на 26,7% эффективнее. Результаты исследования появились в журнале Science.

Ученые под руководством профессора Корейского института передовых технологий Бюнги Шин сосредоточились на разработке нового класса светопоглощающего материала — широкополосного перовскита. Он имеет кристаллическую структуру, которая практически не реагирует на опасные факторы окружающей среды. Исследователи уже добились прогресса в повышении эффективности солнечных батарей на основе перовскита, но уверены, что материал обладает еще большим потенциалом.

Для достижения более высокой эффективности Син и его команда построили двухслойный солнечный элемент, в котором два или более светопоглотителя складываются вместе, чтобы эффективнее использовать солнечную энергию. Для использования перовскита в этих устройствах ученые модифицировали оптические свойства материала, что позволяет ему поглощать более широкий спектр солнечной энергии.

Разработка стала возможной благодаря инженерному методу, в котором тщательно контролируется соотношение смешивания молекул, образующих двухмерный слой. Согласно предварительным тестам, панель сохранила 80% своей первоначальной способности к преобразованию энергии даже после тысячи часов непрерывной работы.