Як підрахувати ККД сонячних батарей за формулою? Рекорди показників в світі

ККД сонячних батарей фото та інструкція
Як підрахувати ККД сонячних батарей за формулою? Рекорди показників в світі

Геліосистеми – найперспективніший на сьогодні напрямок альтернативної енергетики. І головна проблема, яка стоїть перед науковцями, полягає в пошуку способів збільшення ККД сонячних батарей. Станом на 2019 рік в панелях для масових споживачів він не перевищує 25%.

Необхідність таких економічно вигідних рішень пов’язана з прямою залежністю ціни електроенергії від коефіцієнта корисної дії пристрою-перетворювача. Але з моменту отримання першого патенту в 1954 році даний показник виріс лише в 4 рази – хоча теоретичні межі ККД сонячних батарей близький до 90%.

Ця стаття – про правила розрахунку ККД, технологічні складнощі його підвищення, а також досягнуті і потенційні рекорди.

Що таке ККД сонячної панелі? Сучасні показники

Чисельно ККД сонячної батареї – це процентне співвідношення згенерованої енергії системою до кількості енергії променистого потоку, падаючого на робочу площу панелей.

Величина втрат пов’язана:

  • з фізичними принципами функціонування напівпровідників;
  • з матеріалами, які використовуються для сприймання максимально широкого спектра випромінювання;
  • з особливостями зовнішніх природних умов.

За перерахованих причин ККД сонячних панелей навіть у 2018 році становив всього:

  • для дешевих плівок на аморфному кремнії – близько 5%;
  • для сучасних гібридних плівкових варіантів на комбінації двох і більше рідкоземельних елементів – від 10 до 18%;
  • у модулів на полі і монокристалічному кремнії – від 16 до 25%;
  • у екзотичних і дорогих багатошарових прототипах сонячних батарей з додатковими пристроями концентрації сонячного потоку ККД дорівнює майже 50%.

Взаємозв’язок ККД з матеріалами і технологіями – від чого залежить ефективність?

Напівпровідникові матеріали, що є основою будь-якої геліосистеми, використовують фізичні принципи ph-переходу. Електричний струм в замкнутому ланцюзі СЕС виникає за рахунок електронів, вибитих з зовнішніх орбіт атомів частинками світла. Але ККД більшості сучасних сонячних батарей – кремнієвих – не перевищує і чверті потенційно можливого.

Причина в тому, що цей матеріал працює тільки з інфрачервоною частиною спектра, а енергія УФ-випромінювання йому недоступна. Але поки в масовому виробництві саме кремній лідирує через свою дешевизну.

Інші фактори (так, ККД сонячної панелі взимку набагато відрізняється від її ж ефективності в літній час), що впливають на ККД, не пов’язані прямо з фізичними законами, і тому їх негативний вплив намагаються по можливості зменшити. Це:

  1. кут розташування панелей щодо вектора падіння світла (в ідеалі ≈ 90 ° ± 15 °);
  2. погодні умови (день/ніч, зима/літо, ясно/похмуро);
  3. стан поверхні панелей (установка зазвичай проводиться під кутом, щоб вода, сніг і бруд не накопичувалися природним чином, і не відбувалося падіння ККД сонячних панелей з цих причин);
  4. тінь (якщо елементів багато, то їх завжди розташовують так, щоб тінь не падала на сусідній ряд).

Наскільки сильний вплив перерахованих факторів?

  1. Промені, які падають під великим кутом, а також розсіяне світло краще вловлюється сучасними тонкоплівковими панелями на базі різноманітних хімічних елементів. Попри те, що кремнієві сонячні батареї з великим ККД ефективніші в ідеальних умовах, при їх відсутності втрати у «класики» вищі, ніж у гібридних батарей.
  2. Опади теж знижують ефективність роботи. Так, ККД сонячних батарей в похмуру погоду знижується на 10-25% (роль відіграє щільність хмар). Набагато гірше тінь будь-яких предметів – дерев, веж, стовпів, сусідніх будівель тощо. Встановлювати панелі в таких місцях не рекомендується.
  3. ККД сонячних батарей взимку також залежить від освітленості більше, ніж від температури повітря або кількості снігу.
  4. Єдиний непереборний фактор – нічний час. Без сонячного потоку генерація електроенергії не відбувається, і навіть сонячні панелі з найвищим ККД вимушено простоюють, а власники переходять на живлення від мережі або акумуляторів.

Теоретично, високі показники генерації можна отримати не удосконалюючи матеріали і не підбираючи певного місця для установки електростанцій, а кратно збільшивши потужність самого потоку. Щоправда, на Землі це зробити неможливо, але в космосі даний факт успішно використовується.

Так, попри те, що ККД сонячних батарей в космосі дорівнює такому ж на поверхні планети, потужність променів світила на орбіті досягає 1,37 кВт/м2. Це в 2-3 рази більше, ніж в самих сонячних регіонах, і тому навіть легкі плівкові панелі з ККД 10-12% на космічних апаратах досить ефективні.

Формула ККД сонячної батареї

На практиці обчислення ККД фотоелектричних модулів проводиться таким чином.

  1. На дослідний зразок направляється потік світла від джерела (наприклад, галогенної лампи).
  2. За допомогою люксометра фіксують рівень інтенсивності випромінювання на поверхні кожного окремого модуля, що входить до складу панелі.
  3. Обчислюється середнє арифметичне значення і за допомогою коефіцієнта переводу (наприклад, для «галогенок» він дорівнює 30 Люкс * м2/Вт) фотометричні величини переводяться в енергетичні.
  4. Отримане значення Eср. (Наприклад, 200 Вт/м2) фіксується.
  5. Далі вимірюють площу поверхні окремого фотоелемента панелі. Якщо прийняти його довжину за 25 см, а ширину – 40 см, то за формулою S = a*b отримаємо S = 0,25*0,40 = 0,1м2.
  6. Помноживши площу на середнє значення падаючої на квадрат енергії, отримують загальну для всього модуля значення падаючої енергії: W = S * Eср., або 20 Вт.
  7. Далі для підключеної в мережу батареї роблять заміри потужності сонячної батареї. Залежно від того, наскільки високотехнологічним є виріб, отримують різні значення «на виході» і, як наслідок, ефективність (наприклад, для сонячних батарей з ККД 40% видача в наведеному прикладі буде дорівнює 8 Вт).

У вигляді таблиці це виглядає наступним чином:

Потужність потоку світла, Вт Потужність генерації, Вт ККД
20 2 10%
20 4 20%
20 8 40%
20 18 90%

 

Очевидно, що останній рядок в таблиці – сонячні панелі з 90% ККД – приведений тільки в якості теоретично допустимого рівня.

Розробки нових типів фотоелементів і їх ККД

Незалежно від того, послідовно або паралельно з’єднуються разом окремі елементи (це робиться для отримання на виході заздалегідь заданої напруги або сили струму) ККД сучасних сонячних батарей не змінюється від методу компонування деталей. Тому головні напрямки підвищення їх ефективності – пошук нових матеріалів і допоміжного обладнання.

На даний момент проводяться успішні експерименти з багатошаровими конструкціями, де кожен шар уловлює випромінювання хвиль різної довжини. На практиці це вже дало можливість створити сонячні батареї з ККД понад 40%, і ця цифра наближається до 50%. Однак тільки використання в конструкції з’єднань рідкоземельних галію, індію, а також міді і деяких видів сульфідів недостатньо. Додатковими умовами є:

  • фокусування світла на кожну панель за допомогою спеціальних лінз;
  • впровадження в конструкцію відбиваючих міні-дзеркал;
  • створення окремих діелектричних прошарків між напівпровідниками і т.д.

Але навіть за допомогою таких складних схем до теоретичної межі поки ще далеко.

Рекорди показників сонячних батарей

Фотоелементами-рекордсменами на сьогодні вважаються будь-які сонячні панелі з ККД вище 40%.

До таких відносять:

1. Продукцію компанії Sharp (43,5%). Такий рівень ефективності досягнуто шляхом фокусування прямо на елемент пучка світла так званої лінзою Френеля. Панелі – пятишарові:

  • індію арсенід;
  • шар діелектрика;
  • галію арсенід;
  • шар діелектрика;
  • індія фосфід.

2. Панелі «Soy-Tech» (44,7%). Збільшення ККД сонячних панелей досягнуто шляхом концентрації випромінювання на фотоелемент за принципом лазера, із застосуванням увігнутого дзеркала. Конструкція – чотиришарова, мідь / індій / галій / сульфід (CIGS).
3. Елементи від інституту Фраунхофера, Німеччина (47,0%). Застосували ту ж технологію, що і їхні колеги з «Шарпа» – фокусування пучка за допомогою лінзи. На даний момент це сонячні батареї з найвищим ККД.

Окремо слід згадати британських фахівців, які пішли шляхом не розробок геліоустановки-рекордсмена, а пошуку методів підвищення віддачі енергії будь-якими багатошаровими конструкціями.

Метод вирішення – напилення на гнучкі сонячні панелі алюмінієвих «шипів» розміром всього в декілька нанометрів. Шляхом розсіювання випромінювання вони підвищують ККД в середньому на 20%.

З більш доступних і масових варіантів лідирує поки продукція від «Solar Sity» Ілона Маска – 24%.

Варіанти економічно вигідних панелей на українському ринку

Варіантом підвищення ефективності роботи сонячних електростанцій є комбінація кадмій-телур (Cd-Te). В Україні установкою сонячних батарей займається компанія Green Tech Trade. Крім того, в наявності тонкоплівкові конструкції фірми First Solar, які добре вловлюють енергію розсіяного світла і променів з широким діапазоном кутів падіння.