Как подсчитать КПД солнечных батарей по формуле? Рекорды показателей в мире

КПД солнечных батарей фото и инструкция подсчета
Как подсчитать КПД солнечных батарей по формуле? Рекорды показателей в мире

Гелиосистемы – самое перспективное на сегодня направление альтернативной энергетики. И главная проблема современных инженеров заключается в поиске способов увеличить КПД солнечных батарей – на 2018 год для массовых потребительских вариантов не превышающий 25%.

Необходимость нахождения экономически выгодных решений связана с прямой зависимостью цены электроэнергии от коэффициента полезного действия устройства-преобразователя. Но с момента получения первого патента в 1954 году данный показатель вырос лишь в 4 раза – хотя теоретический предел КПД солнечных батарей близок к 90%.

Эта статья – о правилах расчета КПД, технологических сложностях его повышения, а также достигнутых и потенциальных рекордах.

Что такое КПД солнечной панели? Современные показатели

Численно кпд солнечной батареи – это процентное отношение выдаваемой системой энергии к полной энергии лучистого потока, падающего на рабочую площадь панелей.

Величина потерь связана:

  • с физическими принципами функционирования полупроводников;
  • особенностями материалов для улавливания максимально широкого спектра излучения;
  • внешними атмосферными условиями.

По перечисленным причинам кпд солнечных панелей даже в 2018 году составлял всего:

  • для дешевых пленок на аморфном кремнии – около 5%;
  • для современных гибридных пленочных вариантов на комбинации двух и более редкоземельных элементов – от 10 до 18%;
  • у модулей на поли- и монокристаллическом кремнии – от 16 до 25%;
  • у экзотических и дорогостоящих многослойных прототипов солнечных батарей с дополнительными устройствами концентрации солнечного потока кпд равен почти 50%.

Взаимосвязь КПД с материалами и технологиями – от чего зависит эффективность?

Полупроводниковые материалы, являющиеся основой любой гелиосистемы, используют физические принципы ph-перехода. Электрический ток в замкнутой цепи СЭС возникает за счет электронов, выбитых с внешних орбит атомов частицами света. Но кпд почти 80% современных солнечных батарей – кремниевых – не превышает и четверти потенциально возможного. Причина в том, что этот материал работает только с инфракрасной частью спектра, а энергия УФ-излучения ему недоступна. Но пока в массовом производстве именно кремний лидирует из-за своей дешевизны.

Прочие факторы (так, кпд солнечной панели зимой намного отличается от ее же эффективности в летнее время), влияющие на КПД, не связаны прямо с физическими законами, и потому их негативное влияние стараются по возможности уменьшить. Это:

  • угол расположение панелей относительно вектора падения света (в идеале ≈ 90°±15°);
  • погодные условия (день/ночь, зима/лето, ясно/пасмурно);
  • состояние поверхности панелей (установка обычно проводится под углом, чтобы вода, снег и грязь не накапливались естественным образом, и падения кпд солнечных панелей по этим причинам не происходило);
  • тень (если элементов много, то их всегда располагают так, чтобы тень не падала на соседний ряд).

Насколько сильное влияние перечисленных факторов?

  1. Лучи, падающие под большими углами, а также рассеянный свет лучше улавливается современными тонкопленочными панелями на базе, например, пары химических элементов теллур-кадмий. Несмотря на то, что кремниевые солнечные батареи с большим кпд эффективнее в идеальных условиях, при их отсутствии потери у «классики» выше, чем у гибридных батарей.
  2. Осадки снижают эффективность работы незначительно. Так, кпд солнечных батарей в пасмурную погоду снижается всего на 10-25% (роль играет плотность облаков). Намного хуже тень любых предметов – деревьев, вышек, столбов, соседних строений и пр. Устанавливать панели в таких местах не рекомендуется.
  3. КПД солнечных батарей зимой также зависит от освещенности больше, чем от температуры воздуха или количества снега.
  4. Единственный неустранимый фактор – ночное время. Без солнечного потока выработки электроэнергии не происходит, и даже солнечные панели с самым высоким кпд вынужденно простаивают, а владельцы переходят на питание от сети или аккумуляторов.

Теоретически, высокую выработку можно получить, не совершенствуя материалы и не подбирая определенные места для установки электростанций, а кратно увеличивая мощность самого потока. Правда, на Земле это сделать невозможно, но за ее пределами данный факт успешно используется.

Так, несмотря на то, что кпд солнечных батарей в космосе равен такому же на поверхности планеты, мощность лучей светила на орбите достигает 1,37 кВт/м2. Это в 2-3 раза больше, чем в самых солнечных регионах, и потому даже раскрывающиеся на космических аппаратах легкие пленочные панели с КПД 10-12% достаточно эффективны.

Формула КПД солнечной батареи

На практике вычисление КПД фотоэлектрических модулей производится следующим образом.

  1. На опытный образец направляется поток света от источника (например, галогенной лампы).
  2. С помощью люксметра производится уровень интенсивности излучения на поверхности каждого отдельного модуля, входящей в состав панели.
  3. Вычисляется среднее арифметическое значение и с помощью коэффициента перевода (например, для «галогенок» он равен 30 Люкс*м2/Вт) фотометрические величины переводятся в энергетические.
  4. Полученное значение Eср. (например, 200 Вт/м2) фиксируется.
  5. Далее измеряют площадь поверхности модульного «кирпичика». Если принять длину за 25 см, а ширину – 40 см, то по формуле S = a*b получим S = 0,25 * 0,40 = 0,1м2.
  6. Умножив площадь на среднее значение падающей на квадрат энергии, получают общее для всего модуля значение падающей энергии: W = S* Eср., или 20 Вт.
  7. Далее для включенной в сеть батареи производят замеры уже выдаваемой мощности солнечной батареи. В зависимости от того, насколько высокотехнологичным является изделие, получают разные значения «на выходе» и, как следствие, эффективность (например, для солнечных батарей с кпд 40% выдача в приведенном примере будет равна 8 Вт).

В виде таблицы это выглядит следующим образом:

Мощность светопотока, Вт Выдаваемая мощность, Вт КПД
20 2 10%
20 4 20%
20 8 40%
20 18 90%

Очевидно, что последняя строка в таблице – солнечные панели с 90% кпд – приведена только в качестве теоретически допустимого предела.

Разработки новых типов фотоэлементов и их КПД

Независимо от того, последовательно или параллельно соединяются вместе отдельные элементы (это делается для получения на выходе заранее заданного напряжения или силы тока) кпд современных солнечных батарей от метода компоновки деталей не меняется. Поэтому главные направления повышения их эффективности – поиск новых материалов и вспомогательного оборудования.

В настоящий момент проводятся успешные эксперименты с многослойными конструкциями, где каждый слой улавливает излучение волн различной длины. На практике это уже привело к созданию солнечных батарей с кпд более 40%, и цифра приближается к 50%. Однако только использование в конструкции соединений редкоземельных галлия, индия, а также меди и некоторых видов сульфидов недостаточно. Дополнительными условиями являются:

  • фокусирование света на каждую панель с помощью специальных линз;
  • внедрение в конструкцию отражающих мини-зеркал;
  • создание отдельных диэлектрических прослоек между полупроводниками и т.д.

Но даже с помощью таких сложных схем до теоретического предела пока еще далеко.

Рекорды показателей солнечных батарей

Фотоэлементами-рекордсменами на сегодня считаются любые солнечные панели с кпд выше 40%.

В их числе можно отметить:

1. Продукция компании Sharp (43,5%). Рост эффективности достигнут за счет фокусирования прямо на элемент пучка света так называемой линзой Френеля. Панели – пятислойные:

  • индия арсенид;
  • слой диэлектрика;
  • галлия арсенид;
  • слой диэлектрика;
  • индий фосфид.

2. Панели «Soy-Tech» (44,7%). Увеличение кпд солнечных панелей достигнуто за счет концентрация излучения на фотоэлемент по принципу лазера, с применением вогнутого зеркала. Конструкция – четырехслойная, медь/индий/галлий/сульфид (CIGS).

3. Элементы от института Фраунхофера, Германия (47,0%). Применили ту же технологию, что и их коллеги из «Шарпа» — фокусировка пучка с помощью линзы. На данный момент это солнечные батареи с самым высоким кпд.

Отдельно следует упомянуть британских специалистов, нашедших способ не разработки гелиоустановки-рекордсмена, а метод повышения отдачи энергии вообще любыми многослойными конструкциями.

Метод решения – напыление на гибкие солнечные батареи алюминиевых «шипов» размером всего в несколько нанометров. За счет рассеивания излучения они повышают кпд в среднем на 20%.

Из более доступных и массовых вариантов лидирует пока продукция от «Solar Sity» Илона Маска – 24%.

Варианты экономически выгодных панелей на украинском рынке

Очень высоким потенциалом в повышении эффективности сегодня считается комбинация кадмий — теллур (Cd-Te). В Украине установкой солнечных батарей занимается компания Green Tech Trade. Кроме того, в наличии тонкопленочные конструкции фирмы First Solar, которые хорошо улавливают энергию рассеянного света и лучей с широким диапазоном углов падения.