Слънчеви панели с висока ефективност. Ефективността на слънчевите панели от различни видове и начините за нейното повишаване. зависи от много фактори

Сега ще научите това, което продавачите никога няма да ви кажат слънчеви панели.

Точно преди година, през октомври 2015 г., като експеримент реших да се присъединя към редиците на „зелените“, които спасяват нашата планета от преждевременна смърт, и закупих слънчеви панели с максимална мощност 200 вата и мрежов инвертор, предназначен за максимум 300 (500) вата генерирана мощност. На снимката можете да видите структурата на поликристален 200-ватов панел, но няколко дни след покупката стана ясно, че в една конфигурация той има твърде ниско напрежение, недостатъчно за правилна работамоя мрежов инвертор.

Затова трябваше да го сменя на два 100-ватови монокристални панела. На теория те трябва да са малко по-ефективни, но в действителност са просто по-скъпи. Това са висококачествени панели от руската марка Sunways. Платих 14 800 рубли за два панела.

Вторият разходен елемент е произведен в Китай мрежов инвертор. Производителят не се идентифицира по никакъв начин, но устройството е направено качествено, а при отваряне се вижда, че вътрешните компоненти са предназначени за мощност до 500 вата (вместо 300, изписани на кутията). Такава решетка струва само 5000 рубли. Решетката е гениално устройство. От една страна, към него се свързват + и - от слънчевите панели, а от друга, той се свързва към абсолютно всеки електрически контакт в дома ви с обикновен електрически щепсел. По време на работа мрежата се адаптира към честотата на мрежата и започва да „изпомпва“ променлив ток(преобразуван от DC) към вашата 220-волтова домашна мрежа.

Мрежата работи само при наличие на напрежение в мрежата и не може да се счита за резервен източник на захранване. Това е единственият му недостатък. И огромно предимство на мрежовия инвертор е, че по принцип не се нуждаете от батерии. В крайна сметка батериите са най-слабото звено в алтернативната енергия. Ако същият слънчев панел е гарантирано да работи повече от 25 години (т.е. след 25 години той ще загуби приблизително 20% от своята производителност), тогава експлоатационният живот на обикновена оловно-киселинна батерия при подобни условия ще бъде 3- 4 години. Гел и AGM батериите ще издържат по-дълго, до 10 години, но също така струват 5 пъти повече от конвенционалните батерии.

Тъй като имам електричество, не ми трябват батерии. Ако направите системата автономна, тогава трябва да добавите още 15-20 хиляди рубли към бюджета за батерията и контролера за нея.

Сега, що се отнася до производството на електроенергия. Цялата енергия, генерирана от соларни панели, влиза в мрежата в реално време. Ако в къщата има потребители на тази енергия, тогава цялата тя ще бъде изразходвана и броячът на входа на къщата няма да се „върти“. Ако моментното производство на електричество надвишава консумираното в момента, тогава цялата енергия ще бъде прехвърлена обратно към мрежата. Тоест броячът ще се „върти“ в обратна посока. Но тук има нюанси.

Първо, много съвременни електронни измервателни уреди отчитат тока, преминаващ през тях, без да вземат предвид неговата посока (тоест ще платите за електричеството, изпратено обратно в мрежата). и второ, руското законодателствоне позволява на частни лица да продават електроенергия. Това е разрешено в Европа и затова всяка втора къща там е покрита със слънчеви панели, което в комбинация с високите мрежови тарифи ви позволява наистина да спестите пари.

Какво да правим в Русия? Не инсталирайте слънчеви панели, които могат да произвеждат повече енергия от текущата дневна консумация на енергия в къщата. Поради тази причина имам само два панела с обща мощност 200 вата, които, като се вземат предвид загубите на инвертора, могат да доставят приблизително 160-170 вата към мрежата. И къщата ми постоянно консумира около 130-150 вата на час денонощно. Тоест, цялата енергия, генерирана от слънчевите панели, ще бъде гарантирано консумирана вътре в къщата.

За контрол на произведената и консумирана енергия използвам Smappee. Вече писах за него миналата година. Има два токови трансформатора, които ви позволяват да следите както мрежовото електричество, така и електричеството, генерирано от слънчеви панели.

Да започнем с теорията и да преминем към практиката.

В интернет има много калкулатори за слънчева енергия. От първоначалните ми данни, според калкулатора, следва, че средногодишното производство на електроенергия от моите слънчеви панели ще бъде 0,66 kWh/ден, а общото производство за годината ще бъде 239,9 kWh.

Тези данни са за идеални метеорологични условия и не отчитат загубите при преобразуване постоянен токв променливо напрежение (няма да преобразувате захранването на вашето домакинство на постоянно напрежение?). В действителност получената цифра може безопасно да бъде разделена на две.

Нека сравним с действителните производствени данни за годината:

2015 г. - 5.84 kWh
октомври - 2,96 kWh (от 10 октомври)
ноември - 1,5 kWh
декември - 1,38 kWh
2016 - 111.7 kWh
януари - 0,75 kWh
февруари - 5,28 kWh
март - 8,61 kWh
април - 14 kWh
май - 19,74 kWh
юни - 19,4 kWh
юли - 17,1 kWh
август - 17,53 kWh
септември - 7,52 kWh
октомври - 1,81 kWh (до 10 октомври)

Общо: 117,5 kWh

Ето графика на производството и потреблението на електроенергия в селска къща през последните 6 месеца (април-октомври 2016 г.). През април-август лъвският дял (повече от 70%) от електрическата енергия се генерира от слънчеви панели. През останалите месеци от годината производството беше невъзможно главно поради облачност и сняг. Е, не забравяйте, че ефективността на мрежата за преобразуване на постоянен ток в променлив ток е приблизително 60-65%.

Слънчевите панели са инсталирани в почти идеални условия. Посоката е строго южна, наблизо няма високи сгради, които да хвърлят сянка, ъгълът на монтаж спрямо хоризонта е точно 45 градуса. Този ъгъл ще даде максималното средногодишно производство на електроенергия. Разбира се, беше възможно да се закупи ротационен механизъм с електрическо задвижване и функция за проследяване на слънцето, но това щеше да увеличи бюджета на цялата инсталация почти 2 пъти, като по този начин избута периода на изплащане до безкрайност.

Нямам въпроси относно генерирането на слънчева енергия в слънчеви дни. Напълно отговаря на изчислените. И дори намаляването на производството през зимата, когато слънцето не се издига високо над хоризонта, не би било толкова критично, ако не беше... облачността. Облачността е основният враг на фотоволтаиците. Ето почасовата продукция за два дни: 5 и 6 октомври 2016 г. На 5 октомври слънцето грееше, а на 6 октомври небето беше покрито с оловни облаци. Слънце, о! къде се криеш

През зимата има още един малък проблем - сняг. Има само един начин да решите това: инсталирайте панелите почти вертикално. Или ръчно да ги почиствате от снега всеки ден. Но снегът е глупост, важното е слънцето да грее. Дори да е ниско над хоризонта.

Така че, нека изчислим разходите:

Мрежов инвертор (300-500 вата) - 5000 рубли
Монокристален слънчев панел (клас A - най-високо качество) 2 броя от 100 вата - 14 800 рубли
Проводници за свързване на слънчеви панели (напречно сечение 6 mm2) - 700 рубли
Общо: 20 500 рубли.
През изминалия отчетен период са генерирани 117,5 kWh; текущата дневна тарифа (5,53 рубли/kWh), това ще бъде 650 рубли.
Ако приемем, че цената на мрежовите тарифи няма да се промени (всъщност те се променят нагоре 2 пъти годишно), тогава ще мога да върна инвестициите си в алтернативна енергия само след 32 години!

И ако добавите батерии, тогава цялата тази система никога няма да се изплати. Следователно слънчевата енергия при наличието на мрежово електричество може да бъде полезна само в един случай - когато нашият ток струва колкото в Европа. Ако 1 kWh мрежова електроенергия струва повече от 25 рубли, тогава слънчевите панели ще бъдат много печеливши.
Междувременно е изгодно да се използват слънчеви панели само там, където няма мрежово електричество, а внедряването им е твърде скъпо. Да приемем, че го имате Ваканционен дом, разположен на 3-5 км от най-близкия електрическа линия. Освен това е високоволтова (тоест ще трябва да монтирате трансформатор), а и нямате съседи (няма с кого да си поделите разходите). Тоест ще трябва да платите приблизително 500 000 рубли, за да се свържете с мрежата, а след това ще трябва да платите и мрежови тарифи. В този случай ще бъде по-изгодно за вас да закупите слънчеви панели, контролер и батерии за тази сума - в края на краищата, след пускането на системата в експлоатация, вече няма да е необходимо да плащате повече.
Междувременно си струва да разглеждате фотоволтаиците изключително като хоби.

Науката и технологиите не стоят неподвижни в използването на алтернативна енергия, а използването на слънчева енергия в ежедневието и индустрията ще продължи да се развива и подобрява, опитвайки се да измести традиционните източници на енергия. За съжаление глобалното господство на слънчевата енергия е все още далеч и причината за това е ниската ефективност слънчеви панели.

Фактори, влияещи върху ефективността на слънчевите панели

Ефективността на слънчевите панели се влияе от обективни и субективни фактори, като:

• използвани в производството материали,
• технологии,
• място на използване (географска ширина),
• ъгъл на падане на слънчевата светлина,
• запрашеност и повреди.

Нещо повече, всички тези фактори са свързани и зависими един от друг в влиянието си върху ефективността на слънчевите панели. Но първоначалният фактор, който определя ефективността, е цената на производството на елемент от слънчева батерия.

Лидери в слънчевата енергийна ефективност

Нека да разгледаме лидерите в производството на най-ефективните компоненти на слънчеви панели и да ги сортираме по тяхната ефективност:

• 44,7% ефективност от първия неуниверситетски изследователски институт в Германия. Резултатът е получен за концентратори с тройни преходи на слоеве със сложен полупроводников състав (Ga 0,35 V 0,65 P / Ga 0,83 V 0,17 As / Ge). Такива слънчеви клетки са сложни и не се използват за жилищни или търговски цели, защото са много скъпи. Използват се в космически технологиипроизводители като НАСА, където пространството е ограничено.
• 37,9% ефективност се получава от еднослоен полупроводников преходен модул (InGaP/GaAs/InGaAs). В този случай резултатът е получен изключително за 90° нормален спрямо Слънцето. Тези слънчеви клетки също са сложни и трудоемки за производство, но промишленото им производство изглежда по-обещаващо.
• 32,6% са постигнати от испански изследователи от института (IES) и университета (UPM). Те използваха мултимодули от полупроводникови хъбове с двоен преход. Отново, тези елементи все още далеч не са широко използвани за търговски или жилищни приложения.

Балансиране на ефективността на слънчевите панели

Има около дузина най-големите производители, произвеждащи слънчеви панели с относително добра ефективност и умерена цена. Най-много водещи компании, произвеждащи соларни панели модерни технологииможе индустриално да произвежда слънчеви клетки с ефективност близо до 25%. В същото време масовото производство на модули с ефективност на слънчевите клетки, което по правило не надвишава 14-17%, е добре установено. Основната причина за тази разлика в ефективността е, че изследователските методи, използвани в лабораториите, не са подходящи за търговско производство на фотоволтаични продукти и следователно по-достъпните технологии имат относително ниски производствени разходи, което води до намаляване на ефективността при използване.

За целта ще покажем на графика зависимостта на себестойността на готовия модул от себестойността на генерираната електроенергия за технологични серии слънчеви батерии с техните характерни показатели за ефективност.

Сравнителната графика ясно показва икономическата ефективност на соларните клетки с първоначални лабораторни показатели за ефективност, произведени по различни технологии, по отношение на оптималната цена на произведената електроенергия при 6 цента за kWh (3,4 рубли/kWh).

По този начин най-достъпните и евтини слънчеви клетки, направени от аморфен силиций под формата на тънък огъващ се филм, се изплащат при относително малки размери, но не са икономически ефективни за големи нужди от електроенергия. Намират широко приложение за преносимо зареждане на телефони, лампи и др.

Поликристалните силициеви батерии вече стават ефективни в жилищни сгради и малки оранжерии.

Елементите на експерименталните слънчеви електроцентрали са направени на базата на високо пречистени силициеви монокристали (99.999). Те имат оптимални показатели за ефективност и имат икономически обоснован период на изплащане.

Най-новите научни разработки на фотоклетки, които имат най-висока ефективност, се използват изключително в онези отрасли на науката и индустрията, където цената не е основният критерий за избор.

Използването на слънчеви панели става все по-често част от различни областиживота ни, но за съжаление, поради несъвършенството на производствената технология (и като следствие от доста ниската ефективност) при значителна цена, тя не се използва широко.

Постоянно изследвайки нови граници, слънчевата енергия върви напред, повишавайки ефективността на слънчевите панели до нови нива. Не е тайна, че производителността, която осигуряват слънчевите панели, не може да се конкурира с установените енергийни източници. Обвинявай всичко ниска производителностсъществуващи панели.

Влияние на различни фактори върху производителността

Повишаването на ефективността на соларните модули е главоболие за всички изследователи, работещи в тази посока. Днес ефективността на такива устройства варира от 15 до 25%. Процентът е много нисък. Слънчевите батерии са изключително взискателно устройство, чиято стабилна работа зависи от много причини.

Основните фактори, които могат да повлияят на ефективността по два начина, включват:

• Основен материал за слънчеви клетки. Най-слаби в това отношение са поликристалните соларни клетки, които имат ефективност до 15%. Модули на базата на индий-галий или кадмий-телур с производителност до 20% могат да се считат за обещаващи.
• Ориентация на приемника на слънчевия поток. В идеалния случай слънчевите панели с работната си повърхност трябва да са обърнати към слънцето под прав ъгъл. Те трябва да останат в това положение възможно най-дълго. За да се увеличи продължителността на правилното позициониране на модулите на слънце, по-скъпите аналози имат в арсенала си устройство за проследяване на слънцето, което върти батериите след движението на осветителното тяло.
• Прегряване на инсталации. Повишените температури имат отрицателно въздействие върху производството на електроенергия, така че панелите трябва да бъдат правилно вентилирани и охладени по време на монтажа. Това се постига чрез инсталиране на вентилирана междина между панела и монтажната повърхност.
• Сянката, хвърлена от всеки обект, може значително да се развали показатели за ефективностцялата система.

Изпълнявайки всички изисквания и по възможност монтирайки панелите в желаната позиция, можете да получите слънчеви панели с висока ефективност. Точно високо, не максимално. Факт е, че изчислената или теоретичната ефективност е стойност, получена в лабораторни условия, със средни параметри за продължителността на дневните часове и броя на облачните дни.

На практика, разбира се, процентът на полезните ефекти ще бъде по-нисък.

Когато избирате слънчеви панели за вашия дом, по-добре е да се съсредоточите върху долната граница на производителност, а не върху горната граница. След така избраните соларни модули и всички необходими за работа компоненти, можете да сте сигурни, че инсталираната инсталация е с достатъчна мощност. Избирайки долната граница на производителност в изчисленията, можете да спестите от закупуването на допълнителни панели, които се закупуват за презастраховане в случай на липса на мощност.

Насърчаване на перспективите за развитие

Днес абсолютният рекорд за ефективност в слънчевата енергия принадлежи на американските разработчици и е 42,8%. Тази стойност е с 2% по-висока от предишния рекорд през 2010 г. Рекордно количество енергия беше постигнато чрез подобряване на слънчева клетка, изработена от кристален силиций. Уникалността на такова изследване е фактът, че всички измервания са извършени изключително при работни условия, тоест не в лабораторни и оранжерийни помещения, а в реални места на предложената инсталация.

Зад кулисите на същите технически лаборатории продължава работата по увеличаване на последния рекорд. Следващата цел на разработчиците е да ограничат ефективността на соларните модули до 50%. Всеки ден човечеството се приближава все повече и повече до момента, в който слънчевата енергия напълно ще замени използваните в момента вредни и скъпи източници на енергия и ще се изравни с такива гиганти като водноелектрическите централи.

Рекордьорът по ефективност сред предлаганите на пазара днес слънчеви батерии са слънчевите батерии, базирани на многослойни фотоклетки, разработени от Института за слънчеви енергийни системи Fraunhofer в Германия. От 2005 г. търговското им внедряване се осъществява от Soitec.

Размерът на самите фотоклетки не надвишава 4 милиметра, а фокусирането на слънчевата светлина върху тях се постига чрез използване на спомагателни концентриращи лещи, благодарение на които наситената слънчева светлина се преобразува в електричество с ефективност, достигаща 47%.

Батерията съдържа четири p-n преход, така че четири различни части на фотоклетката могат ефективно да приемат и преобразуват радиация с определена дължина на вълната, от слънчева светлина, концентрирана 297,3 пъти, в диапазона на дължина на вълната от инфрачервен до ултравиолетов.

Изследователите, ръководени от Франк Димирот, първоначално си поставиха задачата да отгледат многослоен кристал и беше намерено решение - те снадоха субстрати за растеж и резултатът беше кристал с различни полупроводникови слоеве, с четири фотоволтаични субклетки.

Многослойните фотоклетки отдавна се използват на космически кораби, но сега слънчеви станции, базирани на тях, са пуснати в 18 страни. Това става възможно благодарение на подобрената и по-евтина технология. В резултат на това ще се увеличи броят на страните, оборудвани с нови слънчеви станции, и има тенденция за конкуренция на пазара за индустриални слънчеви панели.

На второ място са слънчевите батерии, базирани на трислойни фотоклетки Sharp, чиято ефективност достига 44,4%. Индиево-галиевият фосфид е първият слой на слънчевата клетка, галиевият арсенид е вторият, а индиево-галиевият арсенид е третият слой. Трите слоя са разделени от диелектрик, който служи за постигане на тунелен ефект.

Концентрацията на светлината върху фотоклетката се постига благодарение на френелова леща, подобно на немските разработчици - светлината на слънцето се концентрира 302 пъти и се преобразува от трислойна полупроводникова фотоклетка.

Научните изследвания в развитието на тази технология се провеждат непрекъснато от Sharp от 2003 г. насам с подкрепата на NEDO, японска публична административна организация, насърчаваща научните изследвания и разработки, както и разпространението на индустриални, енергийни и екологични технологии. До 2013 г. Sharp постигна рекорд от 44,4%.

Две години преди Sharp, през 2011 г., американската компания Solar Junction вече пусна подобни батерии, но с ефективност от 43,5%, чиито елементи бяха с размери 5 на 5 mm, а фокусирането също се извършваше от лещи, концентриращи светлината на слънцето 400 пъти. Слънчевите клетки бяха базирани на германий клетки с три прехода и екипът дори планира да създаде слънчеви клетки с пет и шест прехода, за да улови по-добре спектъра. Проучванията продължават от компанията и до днес.

По този начин слънчевите панели, направени в комбинация с концентратори, които, както виждаме, се произвеждат в Европа, Азия и Америка, имат най-висока рекордна ефективност. Но тези батерии се произвеждат главно за изграждането на мащабни наземни слънчеви електроцентрали и за ефективно захранване на космически кораби.

Наскоро беше поставен рекорд в областта на конвенционалните потребителски слънчеви панели, които са достъпни за повечето хора, които искат да ги инсталират, например, на покрива на къща.

В средата на есента на 2015 г. компанията SolarCity на Илон Мъск представи най-ефективните потребителски слънчеви панели, чиято ефективност надхвърля 22%.

Този показател е потвърден от измервания, извършени от лабораторията на Renewable Energy Test Center. Заводът в Бъфало вече си поставя цел за дневно производство от 9 до 10 хиляди слънчеви панела, чиито точни характеристики все още не са съобщени. Компанията вече планира да снабдява най-малко 200 000 домове годишно със своите батерии.

Факт е, че оптимизираният технологичен процес позволи на компанията значително да намали производствените разходи, като същевременно увеличи ефективността с 2 пъти в сравнение с широко разпространените потребителски силициеви слънчеви панели. Мъск е уверен, че неговите слънчеви панели ще бъдат най-популярните сред собствениците на жилища в близко бъдеще.