Современные солнечные батареи с высоким кпд: Созданы солнечные батареи с максимальным КПД — Российская газета

Созданы солнечные батареи с максимальным КПД — Российская газета

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.

ТОП 10 солнечных батарей — Критерии выбора • solarpanel.today

Солнечные батареи, или по-другому — фотоэлектрические модули, либо солнечные панели, активно вошли в повседневный быт. Если в девяностые годы, когда они стали активно появляться в продаже, это было экзотикой, то сейчас это обычное явление и даже необходимая часть экстерьера частных и промышленных зданий. Многие предприниматели строят на этом бизнес — сооружают небольшие электростанции, обеспечивают свои потребности в электричестве, а излишки продают.

Если вы читаете эту статью, значит решили влиться в мировое сообщество производителей энергии, причем в самый престижный сегмент этой отрасли — в производство чистой энергии. И значит вы уже столкнулись с изобилием солнечных фирм и разнообразием моделей. Как не потеряться в этом развивающемся рынке и разобраться с техническими параметрами преобразователей светового излучения?

Для этого нужно определить для себя, какие параметры являются основополагающими, а какие второстепенными. Наиболее важная характеристика любого изделия, это, конечно же, соотношение цена-качество.

Цена у большинства солнечных батарей бытового класса на данный момент держится около соотношения 10 грн за один Ватт. Жесткая конкуренция держит всех массовых производителей примерно в одном ценовом промежутке, который колеблется в интервале плюс-минус 20 процентов.

Ввиду этой ситуации, цена не является главным критерием выбора солнечных батарей, что заставляет обратиться к рассмотрению их технических характеристик.

Солнечные панели отличаются друг от друга по мощности, по коэффициенту полезного действия, по типу кварцевых кристаллов, по виду токопроводящих шин, по конструкции ячеек, и очень важным фактором является производитель. Дело в том, что это производство — высокотехнологичное, и чем выше научная организация на производстве, тем качественнее продукция. А это означает, что и коэффициент полезного действия, и долговечность, примерно при той же цене, могут существенно отличаться.

Кроме того, у солнечных панелей разные значения напряжения. Здесь следует ориентироваться на ваши приборы потребления. Например, вам нужна солнечная батарея для зарядки вашего автомобильного аккумулятора на природе. В этом случае вам достаточно небольшой панели на 12 вольт. Но, если вам потребуется суммарное напряжение, к примеру, 200 вольт, то целесообразно применить панели с более высоким напряжением, например, 30 вольт и больше, чтобы достичь высокого напряжения при соединении меньшего количества батарей. 

Также следует обратить внимание на мощность панели. Мощность солнечной батареи или системы батарей должна быть больше, чем мощность вашей нагрузки. Мощность указывается в ваттах.

Выбор по мощности заключается в оптимизации заполнения площади, которую вы отвели под вашу солнечную министанцию. То есть, вы рассчитываете, сколько панелей можно на ней разместить для получения необходимой производительности. К примеру, десять трехсотваттных батарей вырабатывают примерно такую же мощность, как и восемь четырехсотваттных, но занимают большую площадь.  

Теперь перейдем к производителям.

В мире существуют три основных группы производителей солнечных панелей. Они подразделяются на три уровня (Tier), то есть на три категории.

Tier 1

Первая, самая качественная группа, она занимает менее пяти процентов рынка. В нее входят несколько десятков производителей. Это, как правило, предприятия, которые давно занимаются научными разработками в этой отрасли, они постоянно ведут исследования в этой области, совершенствуют технологию, модернизируют производство и исключают факторы ошибки, внедряя роботизацию производства. Они удержались в конкурентной борьбе путем инноваций и успешной маркетинговой политики. К первой группе относятся примерно тридцать брендов. Однако, если вы откроете топ производителей солнечных батарей, там, скорее всего, будут указаны китайские бренды и не учтены немецкие или, скажем, японские фирмы, а также всемирно известные фирмы, которые также занимаются этой тематикой.

Это такие фирмы, как Jinko Solar, Canadian Solar, JA Solar, Risen Energy, Trina Solar и другие, которые вы легко можете найти в топе производителей.

Tier 2

Вторая группа — также вполне качественные фирмы, недавно созданные, которые еще не довели свое производство до уровня первой группы, у них еще нет достаточной автоматизации, и они частично используют разработки предприятий первой группы. В их техпроцессе присутствует ручной труд, и обычно нет самых передовых разработок. Предприятия второй группы занимают около десяти процентов рынка солнечной энергетики.

Tier 3

Третья группа фирм самая многочисленная и разномастная. Здесь могут встретиться и неплохие изделия, если комплектующие были закуплены у качественной фирмы, и подделки и брак, при той же примерно цене, как и у ведущих производителей. Поэтому третья группа — группа риска. Учитывая, что срок службы солнечной батареи составляет до 25 лет, продукция компаний третьей группы может сильно повредить рентабельности вашей энергетической системы, вследствие преждевременного падения мощности или вообще выхода из строя.

Далее следует рассмотреть характеристики солнечных батарей.

Характеристики

Светочувствительные элементы существуют двух типов — монокристаллические и поликристаллические. Есть еще пленочные, правда они редко используются в бытовой продукции. Технология производства монокристаллических элементов сложнее и дороже. Но она позволяет повысить производительность солнечных элементов почти на двадцать процентов. Это позволяет делать солнечные батареи меньшего размера. Кроме того, из-за того, что более чистые монокристаллы медленнее стареют, это повышает эффективность работы в течение всего срока службы на сорок процентов. Теоретически срок службы монокристаллических панелей может достигать пятидесяти лет, в то время, как поликристаллических — только около двадцати пяти лет.

Таким образом, первоначальные более высокие затраты на приобретение монокристаллических панелей со временем окупятся, и их эксплуатация выйдет выгоднее, чем поликристаллических. Однако для местности, где количество солнечных дней в году преобладает, нет особой необходимости в высокой чувствительности элементов солнечной батареи, поэтому имеет смысл использовать более дешевые поликристаллические.

В маркировке солнечных батарей присутствуют буквы BB с цифрами, например, BB4 или BB9. Это обозначение количества соединительных проводников между ячейками. Ранние солнечные батареи имели один соединительный проводник, потом их количество стало увеличиваться. Чем больше проводников, тем эффективнее работает ячейка, тем меньше ток в каждом проводнике, а, следовательно, меньше перегрев. Общее сопротивление батареи падает, что также увеличивает ее производительность на несколько процентов

Кроме того, в случае механического повреждения одного или даже нескольких проводников, остальные продолжают передавать ток, а это значит, чем большее число проводников, тем выше надежность и коэффициент полезного действия. На данный момент разработаны двенадцатипроводные ячейки. 

Обозначение MBB — мультибар, то есть многошинный проводник, означает, что проводников более 9, например 12. В мультишинных устройствах используются проводники круглого сечения, а не прямоугольного, как в предыдущих моделях, что меньше затеняет светопоглотительные элементы и поэтому повышает коэффициент полезного действия.

Кроме вышеперечисленных основных различий, существуют еще интересные технологические особенности, которые упоминаются в паспорте солнечных батарей.

Например, если указано применение технологии PERC, то это означает, что задняя сторона ячейки работает более эффективно за счет микроотверстий, изготовленных с применением лазера. Это дает прирост производительности солнечной панели порядка полутора процентов. На стоимости это почти не отражается. Технологию PERC применяют и на монокристаллических и на поликристаллических панелях. Это увеличивает чувствительность ячеек, в результате они начинают лучше работать при слабом освещении. Технология PERC хороша для местности с недостатком солнечных дней.

Half Cell — это технология которая снижает внутреннее сопротивление элементов, благодаря разделению их на две половинки, что поднимает КПД.  Кроме того, это повышает надежность.

Теперь возьмем десяток наиболее продаваемых моделей на текущий момент и проанализируем их характеристики.

1. EverExceed ESM155-156

• Напряжение 12 Вольт
• Мощность 155 Ватт
• Поликристаллическая
• Шина 5BB
• КПД 15,63%

Сделана в Гонконге из немецких и японских элементов.

Цена ~ $75

Соотношение мощность-цена составляет примерно 12 грн за Ватт. Шина неплохая, но не самая современная. КПД средний.  Относится к категории Tier2

2. Axioma energy AX-50M

• Напряжение 12 вольт
• Мощность 50 Вт
• Монокристаллическая
• Тип шины не указан
• КПД не указывают

Цена ~ $45

Соотношение мощность-цена составляет 24 грн за Ватт. Очень невыгодно. Производитель малоизвестный. Не самый лучший выбор. Спрос явно продиктован просто невысокой ценой.

3. Axioma energy AX-30P

• Напряжение 12 Вольт
• Мощность 30 Ватт
• Поликристаллическая
• Тип шины не указан
• КПД не указан
• Гарантия 25 лет

Цена ~ $34 

Соотношение мощность цена 30 грн за Ватт. Очень дорого. Так же, как и в предыдущей модели на спрос повлияла цена панели. Всего за 30 долларов можно получить почти трехамперный автономный источник питания для мелких бытовых приборов.

4. Trina Solar TSM-DE06M.08(II)340-120/9BB Half Cell PERC

• Напряжение 34 Вольт
• Мощность 340 Ватт
• Монокристаллическая
• Шина 9BB
• КПД 20 %

Цена ~ $112

Соотношение мощность-цена 9 грн за Ватт. Современная девятипроводная шина на монокристаллах, применены экономичные технологии ячеек PERC и Half Cell. Очень высокий коэффициент полезного действия.

Изготовлена одним из мировых лидеров Trina Solar, уверенно входящих в категорию Tier 1.  Отличный выбор.

5. JA Solar JAM72S09-385W 5BB

• Напряжение 40 Вольт
• Мощность 385 Ватт
• Монокристаллическая
• Шина 5BB
• КПД 20%

Цена ~ $185

Соотношение мощность-цена 13 грн за Ватт.   Хорошая панель, не передовая, но выпущена высококлассным производителем JA Solar из первой категории качества Tier 1. 

6. JA SOLAR JAP60S01-270SC

• Напряжение 38 Вольт
• Мощность 270 Ватт
• Поликристаллическая
• Шина 5BB
• КПД 16,7%

Цена ~ $112

Соотношение мощность-цена 11 грн за Ватт.

Средняя по характеристикам, не самая современная, но изготовлена качественным брендом JA Solar, категория Tier 1. 

7. Risen RSM 120-6-335M

• Напряжение 34 Вольта
• Мощность 335 Ватт
• Монокристаллическая
• Шина 9BB
• КПД 20%

Цена ~ $112

Соотношение мощность-цена 9 грн за Ватт. Передовая 9-проводниковая монокристаллическая панель с применением технологии Half-Cell, очень производительная, изготовлена Risen Energy — один из лидеров категории Tier 1.  Отличный выбор.

8.

Ulica Solar UL-350M-120 PERC

• Напряжение 40 Вольт
• Мощность 350 Ватт
• Монокристаллическая
• Шина 9BB
• КПД 20,5%

Цена ~ $118

Соотношение мощность-цена 9 грн за Ватт. Панель с великолепными данными, с технологиями PERC и Half-Cell, но изготовлена фирмой не из категории Tier 1. Китайское предприятие Ulica Solar. Сотрудничает с поставщиками Centrotherm ， Baccini и Gorosabel и скорее всего находится в категории Tier 2.

9. LG 320N1C NeON2 G4 320W «CELLO»

• Напряжение 24 Вольт
• Мощность 320 Ватт
• Монокристаллическая
• Шина 12BB
• КПД 19,5%

Цена ~$296

Соотношение мощность-цена 25 грн за Ватт. Инновационная панель с новейшими разработками известнейшего бренда LG. Цвет панели необычный — черный. Применены многошинные проводники круглого сечения. Батарея имеет усиленный корпус, рассчитанный на высокие атмосферные нагрузки. В батарее применены модули типа n, которые гораздо меньше подвержены выработке из-за воздействия светового излучения, чем обычно применяющиеся в более дешевых моделях. Ну и, конечно, бренд LG не может стоить столько же, сколько малоизвестная китайская фирма. К примеру, солнечные батареи японской фирмы Sharp, могут позволить себе только строители космических аппаратов. 

10. Amerisolar AS-6P30

• Напряжение 32 Вольта
• Мощность 285 Ватт
• Поликристаллическая
• Шина не указана
• КПД 17,5%

Цена ~ $112

Соотношение мощность цена 11 грн за Ватт. Параметры хорошие, но никаких передовых технологий. Фирма зарегистрирована в США. Вероятно, это критерий ее популярности среди покупателей, не доверяющих китайской продукции.

В завершение следует сказать, что в статье приведены только основные технические параметры солнечных панелей. В настоящее время этим направлением занимаются очень серьезные электронные фирмы и у каждой есть свои изобретения и обозначения. Но для того, чтобы сориентироваться в предложениях продавцов, вышеизложенной информации вполне достаточно.

КПД солнечных батарей • solarpanel.today

В последнее время все больше людей стали интересоваться солнечной энергетикой. Солнечные батареи стали общедоступными, из экзотических «крылышек» космических аппаратов они превратились в обычный товар, который можно в пару кликов приобрести в интернет-магазине, и покупатель, естественно, оказался перед непростой задачей — какую именно солнечную панель прибрести? Солнечные батареи отличаются размерами, конструкцией, цветом, а также десятками и даже сотнями логотипов изготовителей. Из этого многообразия данных необходимо в первую очередь выделить наиболее существенный фактор — коэффициент полезного действия (КПД).

Коэффициент полезного действия любого устройства — это отношение выделенной им энергии к поглощенной. Исходя из понимания этого, перед тем, как выбрать товар, ответственный покупатель захочет разобраться — чему вообще равен КПД современных солнечных батарей, какие существуют виды солнечных батарей и как отличается их КПД, меняется ли КПД солнечных батарей в пасмурную погоду, есть ли способы повышения КПД солнечных батарей и так далее.

Для начала немного разберемся с солнечными батареями — что это вообще такое?

Солнечная батарея по своей конструкции аналогична транзистору. Как известно из простых опытов по электронике, если с транзистора снять защитную крышку, и осветить его, он начнет вырабатывать напряжение. А если такие транзисторы расположить рядами на плоской поверхности, то получится простейшая панель солнечных элементов. На этом принципе устроены солнечные батареи, имеющие в своей основе кристаллы кремния, аналогичные кристаллам кремния в традиционных полупроводниковых элементах. 

С течением времени, солнечные панели совершенствовались, их относительная цена уменьшалась, а коэффициент полезного действия вырастал. КПД лучших современных солнечных батарей составляет порядка 20 процентов. Кажется, что это немного, чуть больше коэффициента полезного действия двигателя внутреннего сгорания, но не стоит забывать, что у первых солнечных батарей, которые были разработаны еще в середине прошлого века, коэффициент полезного действия был от одного до пяти процентов, поэтому современные двадцать процентов, это не так уж и мало.

КПД солнечной батареи — это отношение энергии, попадающей на ее поверхность, к энергии на ее выходных клеммах. Рассмотрим конкретный пример. Допустим, имеется солнечная батарея площадью 1,6 квадратных метра, которая облучается светом мощностью 500 Ватт на квадратный метр, и у нее на выходе вырабатывается 100 Ватт электроэнергии.

Коэффициент полезного действия такой батареи рассчитывается следующим образом: выходную мощность делим на суммарную входную мощность (1,6 кв.м х 500 Ватт/кв.м = 800 Ватт) и умножаем на 100 процентов, в итоге получаем 100Ватт: 800Ватт х 100% = 12,5 %. Вот это и будет ее коэффициент полезного действия солнечной панели при инсоляции мощностью полкиловатта. 

Но КПД может меняться и от интенсивности облучения и от угла, с которым попадают солнечные лучи на поверхность солнечной батареи, и от рассеянности света, и от температуры самой солнечной батареи.

Поэтому возникает вопрос — от чего в первую очередь зависит КПД солнечных батарей? Коэффициент полезного действия солнечных панелей зависит от двух основных факторов — от правильного ориентирование на максимальную радиацию солнца, и от качества самой панели.

Кроме качества изготовления, классифицирующимся по четырем ступеням, о чем будет сказано ниже, имеет значение и технология, которая заложена в конструкцию самих солнечных элементов.

Например, солнечная батарея на аморфном кремнии не выдаст и десяти процентов. Но вовсе это не значит, что она однозначно плохая. Числовое значение КПД солнечных батарей не говорит еще обо всех свойствах батареи. В некоторых случаях солнечные батареи с низким КПД незаменимы, ввиду их некоторых особенностей. Но следует заметить, что оптимальное значение КПД современных солнечных панелей хорошего качества находится в интервале между пятнадцатью и двадцатью процентами.

КПД солнечных батарей зависит также и от климата конкретной точки земли и от погоды в ней в расчётный момент времени. В местности с большим количеством пыли в атмосфере, солнечные батареи быстро загрязняются и это, конечно же, приводит к снижению эффективности их работы. Снег тоже может снизить КПД солнечных батарей практически до нуля, если они установлены слишком полого.

В пасмурную погоду коэффициент полезного действия солнечных батарей конечно же уменьшается. Однако здесь есть нюансы, связанные с конструкцией. Например поликристаллические солнечные батареи не так снижают эффективность при облачности, нежели монокристаллические. Также хороший КПД солнечных батарей в пасмурную погоду обеспечивает антибликовое покрытие элементов. Оно позволяет не терять излучение при рассеянном свете. 

Очень большая помеха для нормальной работы гелиостанции — тень. Тень может свести на нет технические показатели самой лучшей солнечной батареи и снизить ее коэффициент полезного действия в разы. При проектировании и установке солнечных батарей необходимо следить, чтобы солнечные батареи не затеняли друг друга и не попадали в тень зданий и деревьев.

В настоящее время существуют различные виды солнечных батарей, отличающихся КПД, сроком службы и конструктивными особенностями. Но поскольку в данном обзоре нас интересует прежде всего КПД современных солнечных батарей, остановимся на них более детально.

Самые распространенные солнечные панели созданы на основе кремниевых элементов. Они подразделяются на три типа — монокристаллические, поликристаллические и аморфные.

Аморфные солнечные элементы представляют собой эластичную основу с напыленным на нее кремниевым слоем. КПД аморфных солнечных батарей невелик — порядка шести процентов, но зато эти солнечные батареи могут вырабатывать электроэнергию при очень слабом освещении, которого для функционирования монокристаллических и поликристаллических солнечных панелей недостаточно. Есть еще одно достоинство аморфных панелей — ввиду их тонкости и эластичности, они изгибаются под различными углами, что в случаях, если поверхность, которую они огибают, расположена под выгодными углами, позволяет захватывать больше солнечной радиации, чем на это способны жесткие плоские панели. Также их можно располагать на сложных криволинейных поверхностях  сооружений, что не только повысит суммарный КПД этих солнечных батарей, но и даст простор для фантазии архитекторов и дизайнеров. Еще очень важное достоинство аморфных элементов — это их способность работать при высокой температуре, там, где монокристаллические и поликристаллические батареи выходят из режимов, что приводит к снижению КПД или они вообще перестают функционировать. При изготовлении аморфных солнечных панелей расходуется  гораздо меньшее количество кремния, чем используется для монокристаллических и поликристаллических солнечных батарей, так как он напыляется тонким слоем, и это способствует снижению их себестоимости.

Поликристаллические кремниевые панели обладают вдвое и даже втрое большим коэффициентом полезного действия, чем аморфные, и их КПД достигает 18 процентов. Они простые в производстве и недорогие, так как для них не требуется выращивания монокристаллов. Они обладают лучшим КПД в пасмурную погоду, чем у монокристаллических солнечных элементов. Их кристаллы ориентированы хаотично, поэтому они лучше функционируют в пасмурную погоду, когда свет на них направлен не из одной точки, а со всех сторон.

Монокристаллические солнечные батареи изготовлены на основе монокристаллов, как понятно из их наименования, и отлично приспособлены для взаимодействия с точечным источником света, ввиду одинаковой ориентации кристаллов. Коэффициент полезного действия монокристаллических солнечных батарей может достигать 23 процентов.

Также существуют современные солнечные батареи, разработанные не на основе традиционного кремния. Например, пленочные солнечные батареи сделаны из целого букета различных химических веществ — соединений галлия, индия, меди, кадмия. КПД пленочных солнечных элементов не очень большой, примерно 12 процентов, но зато эти солнечные батареи работают практически во всем солнечном спектре. Правда, они не получили широкого распространения из-за дефицитности вышеперечисленных химических элементов.

С целью удешевить производство солнечных батарей были предприняты попытки создания элементов на основе синтетических веществ. В результате возник еще один тип солнечных панелей — полимерные. Они гибкие, как и аморфные кремниевые панели, и сравнимы с ними по КПД — тоже примерно 6 процентов, и тоже могут работать при слабой освещенности.

Из промышленно выпускающихся солнечных батарей рекорд по КПД — за монокристаллическими солнечными элементами, но следует заметить, что это справедливо только при прямом ярком солнечном свете.

Повышение КПД солнечных батарей возможно также за счет коммутационных, накопительных и преобразовательных устройств, которые вместе с солнечными панелями образуют гелиосистему.

Коэффициент полезного действия напрямую связан с качеством материалов, а также самого качества сборки. Существуют четыре класса качества сборки, определяемые термином GRID с литерами от A до D.

Grid A — солнечные батареи высшего квалитета, собираемые, как правило, на роботизированных линиях, из элементов высшего качества. Конечно же, и коэффициент полезного действия у них максимальный.

Grid B — это тот же Grid A, но это солнечные батареи, отбракованные из-за незначительных дефектов, не влияющие на работоспособность.

Grid C — солнечные панели, обычно собранные из отбраковки. Они работают, но коэффициент полезного действия может отличаться от заявленного.

Grid D — солнечные панели, собранные неизвестными мелкими производителями, из элементов непрогнозируемого качества. Как правило, отличаются низким КПД и недолговечностью.

Увеличение КПД современных солнечных батарей — одна из основных забот их разработчиков. Ввиду нарастающей популярности и востребованности солнечной энергии, специалисты научных институтов, предприятий и лабораторий постоянно заняты поиском новых технологий и усовершенствованием имеющихся изделий.

Одна из ведущих китайских фирм, занимающихся солнечной энергетикой, Jinko Solar предоставила серийную современную солнечную батарею, с коэффициентом полезного действия 21 процент. Она идет под маркой Tiger Pro и выпускается в разных модификациях средней мощностью 400 Ватт. В своих исследовательских лабораториях Jinko Solar почти достигла рекорда 25 процентов КПД. Высокие показатели эффективности были достигнуты за счет использования технологии TOPCon, и совершенствования стандартных методов производства солнечных батарей.

Инженеры из немецкой фирмы HZB добились повышения коэффициента полезного действия солнечных батарей почти до 30 процентов. Это стало возможно благодаря комбинации традиционного для полупроводников материала — кремния с новым материалом, который представляет собой соединения титана с кальцием. Этот эффект основан на том, что кремниевые элементы трансформируют в электричество инфракрасную зону солнечного спектра, а новое соединение способно работать с остальным спектром, внося свою лепту в суммарное напряжение на выходе солнечных элементов. Существенным плюсом данной инновации является то, что внедрение нового соединениея почти не повышает себестоимость солнечных батарей.

Швейцарские исследователи из Insolight также заявляют о приближении к тридцатипроцентной отметке КПД солнечных батарей. Их изобретение заключается в использовании особых стеклянных элементов, которые установлены над светопоглощающими ячейками солнечных элементов. Эти стеклянные концентраторы собраны в сотоподобные конструкции, что позволяет им эффективно собирать свет с разных направлений. Кроме этого, стеклянная «крышка» дополнительно защищает солнечную батарею от неблагоприятных воздействий окружающей среды, продлевая срок ее эксплуатации. Insolight планирует запустить панели на основе этой разработки в течение двух лет.

В Германии для исследования методов повышения коэффициента полезного действия солнечных панелей объединились сразу несколько ведущих организаций. В объединение вошли четыре производственные компании и три научных института. Заявленный КПД разработанной ими солнечной батареи составляет 33 процента, который теоретически позволят достичь их разработки, но программа минимум пока составляет 27 процентов. Суть их изобретения состоит в более рациональном использовании солнечного спектра, который меняется в зависимости от времени дня и времени года. Новые комбинированные ячейки позволят выжать из солнца больше киловатт, что, конечно же, снизит стоимость электроэнергии.

Американские ученые из штата Калифорнии разработали новый способ преобразования солнечного излучения в электричество. Как известно, наиболее широко распространенные кремниевые солнечные элементы плохо работают при высокой температуре. Известно, что если солнечная батарея под воздействием солнечного излучения нагреется до температуры кипения воды, она потеряет работоспособность.

Получается парадокс — с одной стороны, для генерации электротока нужно много солнечного излучения, поскольку логика подсказывает, что чем больше света, тем больше тока, но с другой стороны, солнце выдает не только свет, но и тепло, а тепло плохо влияет на работу полупроводниковых приборов, которые во всех приборах обычно защищают от перегрева радиаторами и кулерами. Но национальный университет Стэнфорда решил эту проблему.  Их новый элемент для ячейки, под названием PETE рассчитан на работу при температурах свыше двухсот градусов Цельсия, что для жаркой засушливой Калифорнии является большим преимуществом. При испытаниях новых ячеек сразу были достигнуты показатели КПД свыше двадцати процентов, что на данный момент является лучшим показателем для серийных солнечных панелей, а в теории новая технология позволит достигнуть почти пятидесятипроцентного коэффициента полезного действия! Это стало возможным ввиду особенности работы PETE-ячейки.  В них избыточное тепло не гасит фотоэффект, а стимулирует. PETE-ячейки в своей основе состоят из традиционного кремния, но добавление покрытия из цезия и придает им эти новые уникальные свойства.

А американские исследователи из Лаборатории «Энергия Природы» поставили задачу достичь максимального КПД солнечных батарей. Они изобрели шестиконтурные солнечные элементы с коэффициентом полезного действия 47 процентов. Многослойное пленочное покрытие из соединений на основе индия и галлия позволяют охватить различные энергетические уровни фотонов. А всего в этой пленке более сотни всевозможных слоев.

На сегодняшний день разработки американских ученых — это рекорд КПД солнечных батарей.

В процессе борьбы с избыточным теплом, мешающим функционированию традиционных кремниевых конструкций, был предложен простой, но оригинальный способ —  отводить тепло от панелей и направлять его на нагрев какого-либо теплоносителя, например, воды, после чего направлять пар в паровую турбину, которая будет вырабатывать дополнительную электроэнергию. Этот метод позволит поднять общий КПД гелиостанции выше, чем у любых современных солнечных батарей.

Однако почти во всех инновационных проектах есть свои подводные камни. За высокими рекордами кроется неприятный сюрприз — это и очень дорогие либо редкие материалы, и сложность технологических процессов, и слишком высокая себестоимость электроэнергии. В 2016 году международный консорциум разработчиков, в который вошли американская лаборатория изучения возобновляемых источников энергии и швейцарские политехническая школа с микротехнологическим электронным центром разрабатывали новые ячейки на основе соединений индия и галлия. Им удалось достичь коэффициента полезного действия более 32 процентов. Но цена электроэнергии оказалась в 4-6 раза выше, чем у серийных солнечных батарей. Для снижения ее себестоимости до экономически обоснованных величин необходимо создавать большие производственные мощности, однако это тоже вызывает проблемы, так как распространенность галлия и индия в миллионы раз меньше, чем кремния, поскольку, как известно, кремний — это песок.

Вывод

Так какие же все-таки выбрать солнечные батареи? И с каким КПД? — спросит себя потенциальный энергетический магнат, собравшийся переоборудовать свою кооперативную дачу в могучую гелиостанцию. Какие современные солнечные батареи смогут выдать наилучший КПД при всех разновидностях погоды и в разные периоды года? К сожалению, пока еще не придумана идеальная солнечная батарея, обладающая высоким КПД и при ярком прямом свете, и при пасмурной погоде, и при слабом освещении. Поэтому ответ подсказывает логика: по-видимому, только совокупность разных типов батарей может охватить максимальное разнообразие всех видов солнечного излучения. Если подойти к задаче творчески и не забывать о всех правилах рационального ориентирования солнечных панелей, то можно повысить общий КПД вашей гелиосистемы, несмотря на то, что КПД отдельных панелей будет не дотягивать до максимального в данный момент времени либо при данной погоде.

Современные солнечные элементы и модули • Ваш Солнечный Дом

Автор: Каргиев В.М., к.т.н. ©

Технологии производства солнечных элементов и панелей постоянно развиваются и совершенствуются. Производители и исследователи постоянно ищут пути увеличить эффективность солнечных панелей, повысить количество вырабатываемой энергии с единицы площади, улучшить их работы при различных уровнях освещенности, температуры и повысить стойкость к воздействию факторов окружающей среды.

За последние 15 лет мы видели прогресс в развитии технологий кристаллических солнечных элементов. Кроме улучшения качества  изготовления солнечных элементов изменялась и технология их производства. Эффективность солнечных элементов существенно выросла благодаря улучшениям в технологии производства солнечных фотоэлектрических элементов.

На настоящий момент можно выделить следующие новейшие технологии солнечных элементов (поли- и монокристаллы), которые мы рассмотрим ниже или в отдельных статьях (см. наличие ссылок на названии технологии):

Статья дополняет предыдущие материалы по теме (рекомендуется ознакомиться перед дальнейшим чтением):

• Multi Busbar — солнечные элементы с множеством токосъемных шин

• Split cells — разрезанные пополам и на 1/3 солнечные элементы

• Shingled — «чешуйчатые» элементы

• Bifacial — двусторонние панели и элементы (перейдите по ссылке для подробной информации)

• HJT — Heterojunction cells — гетероструктурные элементы. В России такие делает завод Хевел

• IBC — Interdigitated Back Contact cells — такие элементы делает компания SunPower и некоторые другие, в них токосъем осуществляется контактными «столбиками», соединяющими лицевую и тыльную части солнечного элемента

• TOPCon — Tunnel Oxide Passivated Contact

Как изменялась технология производства солнечных элементов?

1.

Размеры солнечных элементов

Развитие массового производства кремния для солнечных батарей привело к увеличению размера солнечных элементов. Если в конце  прошлого века наиболее популярными были солнечные элементы размером 100 и менее миллиметров, то в конце 90-х годов стандартом стали элементы размером 125*125 мм. Примерно в середине 2000-х начался переход на солнечные элементы размером 156х156 мм. Начиная с 2018 года все больше и больше производится элементов размером 158-158 и 166*166 мм. Это стало возможным благодаря повышению стабильности параметров выращиваемых кристаллов и внедрению в производство оборудования для выращивания кристаллов таких размеров.

Увеличение размера элементов позволяет снизить удельные затраты на производство единицы мощности солнечных панелей.

2.

Количество токосъемных шин солнечных ячеек

Это количество влияет на эффективность сбора свободных электронов, выбиваемых фотонами солнечного света, с поверхности солнечного элемента. Чем меньше расстояние между токосъемными шинами и чем они ýже, тем лучше эффективность сбора электронов. Это приводит к постоянному увеличению КПД солнечных элементов, который у элементов с 9 токосъемными шинами (busbars, далее bb) увеличился в 1,5-2 раза по сравнению элементами с 2bb (c примерно 11-12% до 22-24%).

Первые массово производимые солнечные элементы имели всего 2 токосъемные шины при размере 125*125 мм. До сих пор на рынке можно встретить солнечные модули из таких элементов, которые собираются из старых складских запасов. При покупке таких модулей будьте готовы к тому, что модули или произведены давно (лет 10-15 назад), или в них используются старые неэффективные солнечные элементы. Более того, недавно произведенные модули из элементов такого размера с 2 bb могут быть сделаны из отбракованных остатков, которые были проданы производителями как брак за бесценок мелким сборщикам.

В начале 2010-х годов стандартом стали солнечные элементы  размером 156-156 мм с 3-мя, а потом и с 4-мя токосъемными шинами. Примерно в 2015 году стандартом стали солнечные элементы с 5 шинами. Они являются наиболее распространенными и сейчас (на начало 2021 года)

Однако примерно с 2017 года все больше производителей стало предлагать солнечные элементы с 7, 9, 12, 15 и даже 18 токосъемными шинами. Меняется и сама конструкция шин — если раньше они были плоскими полосками, которые затеняли часть солнечного элемента, то в мультишинных элементах шины делают круглыми и более тонкими. Т.к. длина тонких токосъемных полосок стала меньше, то и сопротивление их снизилось. Поэтому в мультишинных солнечных элементах меньше сопротивление токосъемных контактов, что повысило КПД солнечных элементов.

Еще одно преимущество MBB солнечных элементов — бóльшая стойкость к микротрещинам. Если солнечный элемент, вследствие воздействия удара или давления (например, очень большой град или на модуль наступил человек) получает микротрещину, то элемент с мультишинами будет меньше терять мощность, потому что в нем есть множество обходных путей для протекания тока по элементу.

Применение солнечных модулей с солнечными элементами с 9 токосъемными шинами по сравнению со стандартными на сегодняшний день элементами с 5 шинами помогает: уменьшить общую стоимость солнечной энергосистемы, улучшить её окупаемость, уменьшить риск микротрещин, хотспотов и LID (light induced degradation) эффекта при увеличении общего КПД и выработки энергии солнечной батареей.

На настоящий момент наиболее экономически обоснованными являются солнечные элементы с 9 bb. Стоимость таких элементов в последний год существенно снизилась и превышает стоимость стандартных солнечных элементов с 5 bb всего на 10-12%. При этом разница в КПД может доходить до 15-20%.

3. Солнечные элементы без токосъемных шин на лицевой поверхности. Еще одним методом улучшения эффективности солнечных элементов стала разработка солнечных элементов вообще без токосъемных шин на лицевой поверхности. Такие элементы производит американская компания SunPower (см. про IBC ниже). Несколько лет назад такие элементы имели самый высокий КПД (примерно 22%), при этом также стоили дороже всего. Токосъем как «+», так и «-» происходит за счет «столбиков», которые выходят своими вершинами на лицевую поверхность. Подробнее см. на сайте Sunpower.

В последние годы Sunpower близок к банкротству, т.к. такая технология намного дороже, но преимущества в КПД уже практически не осталось. Единственно, где еще нельзя заменить элементы Sunpower — это псевдогибкие солнечные панели. Это связано с тем, что элементы Sunpower практически нечувствительны к микротрещинам и сохраняют свою работоспособность при небольших изгибах солнечных элементов.

Стремление убрать с площади лицевой поверхности солнечных панелей токопроводящие шины и увеличить заполняемость солнечной панели солнечными элементами привело к изобретению так называемых «чешуйчатых» (shingled) солнечных панелей. На настоящий момент эти панели имеют наибольший КПД среди кристаллических солнечных панелей с шинными токосъемами. В нашем ассортименте есть такие модули мощностью 340-345 Вт в размере стандартных 60-элементных модулей. См. ниже для более подробной информации про «чешуйчатые» модули.

Разделенные (split) солнечные панели с половинными элементами

Особенности и преимущества солнечных батарей из резанных элементов

Раньше, если солнечную панель делали из нецелых элементов, это говорило о том, что эта панель сделана из отбракованных солнечных элементов со сколами и трещинами. Обычно такие панели делали мелкие производители, которые покупали отбраковку солнечных элементов, нарезали куски из неповрежденных частей и соединяли их в солнечные панели.  Такие бракованные элементы также имели и другие дефекты, приводящие к снижению срока службы и эффективности. Поэтому, если вам предлагали солнечную панель с количеством элементов больше, чем стандартное (36/60/72), да еще и дешевле обычной цены, то с большой долей вероятности вы могли получить модуль из отбракованных солнечных элементов Grade C или D. Такими модулями «грешили» поставщики под одной популярной до недавнего времени российской торговой маркой. К счастью, сейчас такие модули практически  не встречаются на российском рынке. 

Ситуация кардинально изменилась в последние пару лет. Появилась технология производства, при которой солнечные элементы специально режут на 2 или даже на 3 части. При этом сам модуль тоже делится на 2 равные части, которые работают практически независимо друг от друга. Это сделано по 3 основным причинам:

• уменьшаются токи, протекающие по солнечным элементам, что уменьшает резистивные потери
• при затенении одной части такого модуля вторая половина работает без потери мощности (как известно, при частичном затенение стандартного модуля, его мощность падает практически до 0 — для компенсации этого эффекта и применяются шунтирующие диоды в клеммной коробке солнечных панелей).
• улучшается заполняемость площади солнечной панели солнечными элементами, что также приводит к увеличению КПД солнечной панели.

Большинство крупных производителей в настоящее время перешли на изготовление солнечных панелей из разрезанных наполовину солнечных элементов (half-cut), которые пришли на замену стандартным квадратным солнечным элементам. Это позволило разделить солнечную панель на 2 независимо работающие половины. Мощность панели также разделена пополам. Это имеет несколько преимуществ, включая улучшенную производительность за счет снижения резистивных потерь в токосъемных полосках и шинах. Более  того, некоторые производители стали делать экстра-большие солнечные элементы размером 210*210 мм, которые разрезаются на 3 части. Такие солнечные элементы используются в солнечных модуля высокой мощности — до 600Вт.

Солнечная панель из половинных солнечных элементов

1. Размеры солнечного элемента больше в split солнечных модулях 

Бóльшие размеры солнечного элемента увеличивают площадь солнечных элементов в солнечной панели. Это позволяет делать солнечные панели большей мощности (до 600Вт) и увеличить КПД модуля до 22%.

2. Меньше расстояние между токосъемными шинами и более тонкие шины

Уменьшение расстояние между токосъемными шинами уменьшает интенсивность тока между ними и, следовательно, потери в солнечном элементе.  Площадь токосъемных шин в элементе в 9 шинами меньше на 22% по сравнению с элементов с 5 шинами. Увеличение полезной световоспринимающей площади солнечного элемента позволяет увеличить мощность и выработку энергии солнечным модулем.

Дополнительно, меньшее расстояние от краев солнечной панели до клеммной коробки, которая располагается в середине сплит-панели снижает потери в проводниках и повышает полезную мощность до 20Вт в сравнении с обычной панелью аналогичного размера.

Уникальная клеммная коробка сплит солнечной панели состоит из 3 частей для того, чтобы уменьшить эффект частичного затенения. В модуле есть 6 отдельных цепочек солнечных элементов (но только 3 шунтирующих диода), что обеспечивает меньшие потери мощности при частичном затенении модуля.

Клеммная коробка обычного и half-cut солнечного модуля

Так как каждый элемент — всего половина от стандартного элемента, то он производит в 2 раза меньший ток при том же напряжении. Это значит, что ширина токосъемных полосок может быть уменьшена в 2 раза, и это означает меньшее затенение полезной площади солнечного элемента и, как следствие, увеличенный КПД. Меньшие токи также приводят к меньшему нагреву солнечных элементов и панели в целом (а, как известно, при нагреве эффективность фотоэлектрических элементов падает). Также, меньшие температуры элементов снижают риск появления хотспотов (точек локального перегрева), которые не только снижают эффективность солнечного модуля, но и уменьшают срок его службы. Этот риск существует при частичном затенении модуля — как внешними предметами (ветки, облака), так и из-за пятен грязи на самих панелях. Резистивные потери в проводниках и шинах уменьшаются на 75%, мощность модуля возрастает на 4%.

3. Уменьшение эффектов затенения солнечных модулей

Эффект затенения для стандартного и half-cut солнечных модулей

На рисунке выше показано типичное соединение солнечных элементов в солнечном модуле. Элементы в стандартных модулях по 60 и 72 шт. обычно соединяются в 3 последовательные цепочки. При затенении нижней части солнечной панели (а обычно бывает именно такое затенение, особенно если панели в солнечной батарее располагаются рядами) из работы исключается весь солнечный модуль. У модуля с половинными элементами будет продолжать работать половина модуля. 

Солнечные модули с половинными элементами дороже в производстве, поэтому при их изготовлении обычно используются самые качественные элементы. В последнее время все больше модулей с половинными элементами делаются из элементов с 9 токосъемными шинами.

Половинные солнечные элементы позволяют снизить токи между солнечными элементами, что приводит к снижению потерь и увеличению КПД. Снижается риск микротрещин, увеличивается стойкость к хот-спотам (локальным перегревам) и снижается LID-деградация.

Резаные элементы применяются только в модулях малой мощности (в настоящее время менее 160-170Вт), потому что для получения стандартного напряжения солнечного модуля нужно определенное количество солнечных элементов (для 12В модуля — 36 шт. в последовательной цепочке).

 

Чешуйчатые (Shingled) солнечные модули — конструкция и преимущества

Еще одим способом увеличить эффективность солнечных модулей является уникальная технология, при которой солнечные элементы разрезаются на несколько частей и склеиваются. Такие солнечные модули дороже обычных, потому что для их производства необходимы дополнительные технологические операции. Солнечные элементы режутся на 5 частей примерно по токосъемным шинам, а затем склеиваются как черепица в ряды из 18 и более шт. «Чешуйчатые» солнечные панели обычно на 15-20% дороже стандартных с последовательно соединенными целыми солнечными элементами.

Для «склеивания» цепочек солнечных элементов применяются ECAs (electrically conductive adhesives) — специальные токопроводящие клеи. Такая технология позволила полностью отказаться от токосъемных шин. Внешний вид такого модуля показан на фотографии ниже.

Цепочки из склееных кусочков солнечных элементов могут располагаться как вдоль, так и поперек модуля (обычно). Солнечные элементы разрезаются при помощи лазера и затем склеиваются с небольшим перекрытием (отсюда еще одно их название — Overlapping cells), под которым скрываются токосъемные шины. При таком расположении можно использовать практически всю площадь солнечной панели, токосъемные шины не забирают полезную площадь модуля и не затеняют его, что приводит к увеличению КПД. Это очень похоже на эффект, которые достигается в другой технологии солнечных элементов  IBC (см. ниже).

Другое преимущество — длинные цепочки склеенных элементов обычно соединяются параллельно, и это сильно снижает эффект от затенения части солнечного модуля. Каждая цепочка работает независимо, и поэтому в этом отношении «чешуйчатые» солнечные модули гораздо лучше даже по сравнению с half-cut (половинными) модулями, потому что в них в 2 раза больше независимых по напряжению цепочек (12 против 6 у half-cut и 3 у модулей из целых элементов).

Напряжение у «чешуйчатых» солнечных модулей выше, чем у стандартных, поэтому их можно соединять в солнечной батарее как последовательно, так и параллельно. Это также снижает эффект затенения уже на уровне солнечной батареи (см. тут, если вы не знаете, чем отличаются солнечные модули и панели от солнечной батареи).

Преимущества shingled солнечных модулей

3 основные преимущества «чешуйчатых» модулей следующие:Essentially the three key advantages of the shingled solar panel design are they produce more power, improve reliability and are aesthetically pleasing.

1. Увеличение выработки электроэнергии на единицу площади

Чешуйчатые солнечные элементы не имеют токосъемных шин, нет токопроводящих шин, почти нет пустых от солнечных элементов участков на поверхности модуля. Наглядная демонстрация показана на фотографии ниже.

Преимущества чешуйчатых солнечных элементов в заполнении площади солнечного модуля

2. Меньше потери вследствие частичного затенения

В обычных солнечных модулях солнечные элементы соединены все последовательно, поэтому при частичном затенении их мощность очень сильно падает. В «чешуйчатом» солнечном модуле есть от 9 до 12 параллельных цепочек, и при частичном затенении солнечная панель практически теряет мощность только затененной части. Это в несколько раз снижает потери мощности солнечной батареи от частичного затенения модулей.

Распределение путей для тока в стандартном и «чешуйчатом» солнечном модуле

На рисунке ниже показаны различные случаи частичного затенения солнечного модуля и примерные потери мощности от затенения. Серым обозначена — обычная панель, зеленым — «чешуйчатая». У чешуйчатого модуля эффект гораздо ниже в большинстве случаев, исключение составляет вертикальное затенение модуля.

Практическая эксплуатация солнечных батарей из чешуйчатых модулей показала, что они вырабатывают на 37-45% больше энергии по сравнению с обычными солнечными модулями (см. ссылку №2 списка источников ниже).

3. Надежность лучше

Shingled модули имеют низкую вероятность выхода из строя токопроводящей шины. У обычных модулей есть около 30 метров токопроводящих шин и множество точек спайки, которые являются потенциальным местом повреждения при длительной эксплуатации в тяжелых климатических условиях.

Лучшее механическое исполнение. Статические и динамические тесты показали, что чешуйчатые модули лучше противостоят поломкам вследствие приложения внешней силы, по сравнению с обычными солнечными панелями.

4.

Привлекательный внешний вид

Технологии солнечных элементов и модулей улучшаются, и чешуйчатые модули в настоящее время представляют из себя одну из наиболее продвинутых технологих изготовления солнечных модулей.

В нашем ассортименте представлены несколько моделей чешуйчатых солнечных панелей. Производители — Tongwei Solar и Seraphim. 

Модули с высокой плотностью заполнения

Еще одним способом повысить полезное использование площади модулей стало технология «уплотнения» солнечных элементов. Такие модули получили название High-Density. В стандартном модуле расстояние между элементами составляет до 2 мм. Современные производители добились уменьшения этого расстояния до 0,5мм. Это может показаться довольно простым улучшением, но оно позволило уменьшить расстояние между солнечными элементами за счет того, что контакты на верхней поверхности одного элемента напрямую соединяются с контактом на нижней поверхности соседнего элемента (см. рисунок). Это позволило несколько процентов повысить эффективность солнечной панели.  

Jinko Solar использует технологию, которая похожа на «чешуйчатую». Её Tiling Ribbon (TR) технология позволила вообще исключить расстояние между модулями. Также, используется меньше серебра в припое для пайки, что снижает стоимость производства.

Двусторонние солнечные модули

Одними из первых модули с двусторонней чувствительностью разработал российский производитель в Краснодаре — завод «Солнечный Ветер». Мы продавали двусторонние модули еще 15-20 лет назад. К сожалению, в 2012 году завод закрылся, и с тех пор в России двусторонние модули больше не выпускаются. Но последние несколько лет все больше производителей стало выпускать такие (Bifacial) модули. В основном они изготавливаются из элементов n-типа («Солнечный ветер» был одним из первых в мире, кто освоил производство солнечных элементов n-типа). 

Двусторонние модули становятся все более популярными потому, что стоимость производства высокоэффективных и высококачественных солнечных элементов постоянно снижается. Для производства bifacial элементов нужны монокристаллы высшего качества. Двусторонние элементы могут преобразовывать солнечную энергию с обеих сторон. При правильной установке такие модули могут производить до 27% больше энергии по сравнению с обычными односторонними модулями. 

По конструкции такие модули могут отличаться по исполнению задней защитной части. Это может быть или прозрачная EVA пленка, или стекло (double glass). Модули с двойным стеклом имеют лучшую надежность и больший срок службы по сравнению со стандартными модулями с защитной пленкой. Модули могут быть с алюминиевой рамой и безрамными.

Как отличить по настоящему двусторонние модули от односторонних с прозрачной задней пленкой или двойным стеклом (такие тоже есть на рынке)? Настоящие двусторонние модули имеют токосъемную сетку с обеих сторон солнечного элемента.

Двусторонние солнечные модули на трекере

Традиционно двусторонние модули использовались только при установке на земле в таких условиях, когда отраженных от земли солнечный свет мог попадать на заднюю поверхность солнечной батареи. Например, при отражении от снега, от светлого песка и т.п. Даже при установке на светлых крышах достигалась добавка к выработке энергии (в среднем +10% по сравнению с односторонними модулями). 

Учитывая, что чувствительность задней стороны в таких модулях идет бонусом и ничего не стоит, применение двусторонних модулей может быть привлекательным даже при том, что задняя поверхность не освещается. Они часто используются при строительстве навесов и полупрозрачных крыш, потому что свет проникает через незаполненные солнечными элементами промежутки. 

Еще одним преимуществом двусторонних солнечных модулей является меньший температурный коэффициент из-за того, что такие модули меньше нагреваются на солнце. 

Как устанавливать двусторонние модули?

Способ установки bifacial модулей зависит от их конструкции. Рамные модули обычно легче устанавливать потому, что традиционные монтажные конструкции больше адаптированы именно к рамным модулям. Многие производители двусторонних модулей снабжают своими специальными креплениями, это облегчает установщикам их работу. Безрамные модули крепятся с помощью специальных креплений с резиновыми прокладками (они есть у нас в ассортименте), и нужно быть аккуратными при затяжке болтов, чтобы не расколоть стекло.

Количество энергии, которое генерируется тыльной стороной модуля, зависит от угла наклона солнечной батареи. Нужно обеспечивать попадание отраженного от поверхностей света на заднюю часть модуля. Несмотря на то, что в двусторонних фотоэлектрических модулях используются специальные тонкие клеммные коробки, которые практически не затеняют тыльную сторону элементов, сама монтажная конструкция может частично затенять тыльную часть солнечного модуля. В идеале нужно проектировать монтажную конструкцию с учетом используемых модулей с двусторонней чувствительностью, чтобы она минимально затеняла тыльную сторону солнечной батареи от отраженного света.

Вот некоторые производители, которые делают двусторонние модули:  LG, LONGi, Lumos Solar, Prism Solar, Silfab, Sunpreme, Trina Solar и Yingli Solar. С увеличением количества производителей двусторонние модули переходят из нишевого продукта в майнстрим. Думаю, мы увидим через несколько лет, что bifacial модули занимают существенную долю рынка солнечных модулей.

Видео от JA Solar, в котором рассказано о технологиях, применяемых в  современных солнечных модулях

В рекламируемом модуле применены технологии:

1. PERC (пассивированный задний контакт)
2. Half-cut cells (половинные солнечные элементы)
3. Multi busbars (увеличенное количество токосъемных шин — 9 в данном случае)
4. bifacial cells (двусторонная чувствительность элементов), даны цифры по увеличению выработки солнечными панелями за счет двусторонней чувствительности
5. double glass panels (двойное защитное стекло) увеличивает срок службы и выработку солнечных панелей за счет уменьшения деградации с течением времени.

Гетероструктурные HJT солнечные элементы

Гетероструктурные HJT солнечные элементы в основе имеют обычные кристаллические элементы, покрытые дополнительными тонкопленочными слоями аморфного кремния на каждой стороне. Эти пленки формируют так называемые гетеропереходы, в дополнение к основному переходу в кристаллическом элементе. Известно, что разные типы переходов преобразуют разные участки спектра солнечного света  в электричество. За счет этого эффекта достигается повышение общего КПД преобразования солнечной энергии в гетероструктурном солнечном элементе. 

Сейчас HJT элементы на основе обычных солнечных элементов с токосъемными шинами имеют КПД 22-23%. Ожидается, что максимальный КПД может быть повышен до 26,5% за счет комбинации гетероструктуры с IBC технологией формирования токосъемных контактов (см. ниже). Конечно же, перечисленные выше технологии улучшения токосъема (half-cut, multibusbar, shingled) также позволяют повысить КПД гетероструктурных элементов. 

К преимуществам HJT технологии также относится малый температурный коэффициент. Они меньше нагреваются при работе и меньше теряют мощность при нагреве. Температурный коэффициент в лучших HJT элементах улучшен на 40% по сравнению с обычными поликристаллическими и монокристаллическими модулями. Для лучших HJT модулей температурный коэффициент мощности составляет 0.26%/°C (против 0.38% … 0.42% /°C для обычных модулей). Это приводит к тому, что в жаркий безветренный солнечный день HJT солнечные батареи могут вырабатывать дополнительно до 20% электроэнергии. 

Улучшенный температурный коэффициент позволяет получать больше энергии от HJT солнечной батареи

Примечание: температура солнечной панели и солнечных элементов также зависит от цвета крыши под ними, угла наклона и скорости ветра. Поэтому при монтаже модулей на темной крыше вплотную к поверхности без вентиляционного зазора для обдува ветром температура модулей может быть существенно выше, а общая выработка в жаркую погоду сильно снизиться. 

В России гетероструктурные элементы производит завод Хевел, они есть в нашем ассортименте.

IBC технология солнечных элементов

Вид на тыльную поверхность IBC элемента

В IBC (Interdigitated Back Contact)  солнечных элементах создается сетка из 30 и более проводников, которые соединяются с задней частью солнечного элемента. В отличие от обычных солнечных элементов, в которых есть видимые токосъемные шины и токосъемная сетка, в IBC элементах передняя поверхность солнечного элемента полностью свободна. За счет этого достигается улучшение КПД солнечного элемента. IBC технология является одной из перспективных технологий производства современных солнечных элементов. Пока ее распространение сдерживается высокой ценой производства -солнечные IBC модули получаются по цене примерно 1 доллар за ватт (для сравнения, обычные модули стоят сейчас 0,2-0,25 доллара за пиковый ватт), цены не включают налоги, пошлины и доставку.

IBC элементы не только самые эффективные, но и самые механически прочные, потому что задняя контактная поверхность создает дополнительную жесткость и поддержку кремниевому элементу. 

Но высокая цена несколько лет назад была и у самых распространенных сейчас PERC элементов, и у гетероструктурных элементов. Мы видим сейчас, что эти технологии постепенно вытесняют другие, менее эффективные, хотя и более дешевые технологии производства. Рынок предпочитает более эффективные солнечные батареи самым дешевым. Поэтому скорее всего, IBC технология также скоро выйдет на массовый рынок солнечных батарей. 

Среди самых эффективных современных солнечных модулей, использующих эту технологию можно назвать произведенные SunPower и LG монокристаллические кремниевые IBC N-type модули. Эти модули также имеют гарантию на 90-92% мощности через 25 лет, что существенно больше стандартной для остальных модулей гарантии в 80% через 25 лет.  

• SunPower — Maxeon 3 — имеет 22.6% КПД

• LG energy — Neon R — имеет 21.7% КПД

Смотрите полный список наиболее эффективных солнечных панелей по состоянию на 2021 год.

TOPCon солнечные элементы

TOPCon означает Tunnel Oxide Passivated Contact и в настоящее время это наиболее продвинутая технология для солнечного элемента N-типа. Технология позволяет уменьшить рекомбинационные потери в переходе, что ведет к повышению эффективности. Вследствие различных причин, в солнечном элементе часть электронов рекомбинируется с дырками, что ведет к потерям тока. Ультратонкий слой TOPCon помогает уменьшить эти потери при минимальной цене в производстве. Впервые концепция TOPCon была предложена немецким институтом  Fraunhofer ISE в 2014 году, но до 2019 года она не получила значимого распространения. Только после того, как ее начали использовать такие крупные производители, как Trina Solar, JA Solar и Longi Solar, были получены в серийном производстве солнечные панели с КПД выше 22%.

Для понимания преимуществ этих элементов приведем сравнение характеристик двусторонних TopCon модулей производителя Jolywood (Китай)

Параметр	P-type	N-TOPcon
Мощность с обратной стороны, % от передней	70%	80%
Деградация в первый год эксплаутации	2%	1%
Ежегодная деградация	0.7%	0.4%
Гарантия на выработку, лет	25	30
Температурный коэффициент мощности	-0.37%	-0.32%

 

Ссылки на использованные материалы

1. Top 10 Solar Panels — Latest Technology 2021
2. What are shingled solar panels?

3. Best Solar Panels 2021

4. pv-manufacturing. org

Перейти к покупке современных солнечных модулей

Эта статья прочитана 3531 раз(а)!

Продолжить чтение

• 10000

  Как работают солнечные фотоэлектрические элементы? Структура солнечного элемента Солнечные элементы (СЭ) изготавливаются из материалов, которые напрямую преобразуют солнечный свет в электричество. Большая часть из коммерчески выпускаемых в настоящее время СЭ изготавливается из кремния (химический символ Si). Кремний это полупроводник. Он…

• 10000

  Фотоэлектрические системы. Перспективы. Состав. Параметры С. Карабанов, Ю. Кухмистров. Солнечное излучение — один из наиболее перспективных источников энергии будущего. Предлагаем Вашему вниманию обзор возобновляемых источников энергии (и их сравнение по технико-экономическим параметрам с остальными). Большая часть материала посвящена типам и…

• 10000

  Тонкопленочные фотоэлектрические модули из аморфного кремния Тонкопленочные технологии часто рассматривают как будущее фотоэлектрической энергетики, несмотря на то, что в настоящее время более 90% всех производимых в мире солнечных модулей — кристаллические. Тем не менее, технологии тонкопленочных модулей развиваются очень быстро,…

• 10000

  Фотоэлектрические модули (солнечные панели) Солнечные панели состоят из солнечных элементов. Так как один солнечный элемент не производит достаточного количества электроэнергии для большинства применений, солнечные элементы собираются в солнечных модулях для того, чтобы производить больше электричества. Модули производятся из псевдоквадратных или…

• 10000

  Как работают солнечные элементы? Что такое ВАХ? Для генерации электричества от солнца вам нужен солнечный модуль, который состоит из одного или многих солнечных фотоэлектрических элементов. Когда на солнечный элемент падает солнечных свет, материал солнечного элемента поглощает часть солнечного света (фотоны).…

• 10000

КПД солнечных батарей. Какая эффективность солнечных панелей? Eco-Tech.com.ua

Всегда ли КПД стоит любых затрат и как его можно улучшить экономно

КПД, или коэффициент полезного действия, является показателем эффективности, причем не только солнечных панелей, но и любых средств, что преобразуют один тип энергии в другой.  В случае КПД солнечных батарей, это превращение энергии лучей Солнца в электрическую энергию. Вполне понятно, что владельцы СЭС максимально заинтересованы в использовании компонентов, которые имеют высокий коэффициент полезного действия, чтобы иметь возможность получать большие прибыли.

Как определяется КПД?

В общем случае, коэффициент полезного действия является соотношением между полученной полезной энергией и общей потребленной энергией, выраженным в процентах. Для солнечных панелей это, соответственно, будет произведенная электроэнергия, деленная на энергию солнечных лучей, попадающих на панель при нормальных условиях, и умноженная на 100 процентов:

КПД = (Е эл / Е св ) ∙ 100%

За улучшение результатов этой совсем простой формулы постоянно бьются тысячи ученых по всему миру и особенно в исследовательских лабораториях главных производителей фотоэлектрических товаров. При этом, по состоянию на середину 2021, лучших результатов в крупносерийном производстве удалось достичь компании Trina — 23,03%, что является лучшим показателем в отрасли, доступным обычным потребителям.

Основные факторы влияния

Купить солнечные панели с высоким КПД желает каждый, поэтому для производителей этот показатель тоже очень важен. Конечно, позволять производителям подгонять условия эксперимента под собственные нужды было бы не лучшей идеей, поэтому для определения КПД были избраны стандартные лабораторные условия (STS), имеющие следующие основные параметры:

Именно при таких условиях измеряется мощность каждой модели солнечных панелей, их основные параметры по току и напряжению, и, соответственно, КПД. Именно благодаря такой стандартизации, мы можем объективно сравнивать между собой продукцию различных производителей.

Какие выводы можно сделать, взглянув на стандартные лабораторные условия? Прежде всего, о действительно значительном влиянии температуры на КПД. Посмотрите на спецификацию к любой панели (их всегда можно найти на нашем сайте для каждого товара) — там вы обязательно найдете такой интересный параметр, как температурные коэффициенты.  Они будут демонстрировать, как будут изменяться мощность, напряжение и ток, а соответственно, и эффективность, с каждым градусом отклонения от стандартных условий.

Каким может быть КПД?

Научные расчеты показывают теоретическую возможность получения КПД солнечной панели выше 80%. Почему же практика так сильно отстает от теории? Причины две:

• Технологии. Первым коммерческим образцам хотя бы относительно массовых солнечных панелей еще не исполнилось и 40 лет. С одной стороны, это достаточно большой срок, тем более, что от первоначального КПД в менее 10% к современным показателям была сделана огромная работа. С другой стороны, постоянно появляются новые технологии работы с солнечными панелями, часть из которых начинает использоваться в массовом производстве. Поэтому можно рассчитывать на то, что основные прорывы еще впереди.

• Материалы. Для теоретических расчетов стоимость материалов, используемых для панелей, не имеет особого значения.  Что совсем нельзя сказать о реальном производстве — кремний, служащий основой современного массового продукта, является относительно дешевым как по себестоимости, так и по технологии обработки, уже хорошо отработана и не требует слишком больших изменений. В то же время, экспериментальные материалы и их сочетания уже демонстрируют довольно неплохие показатели в КПД 50% и выше, но имеют абсолютно нерентабельную себестоимость и слишком дорогую технологию изготовления.

Конечно, КПД солнечных панелей в массовом производстве будет продолжать увеличиваться — достаточно хотя бы взглянуть на показатели новых моделей в 2018, 2019 или даже 2020 годах и сравнить с новинками этого года. Можно сразу заметить не только постепенное улучшение показателей, но и переход экспериментальных технологий в практическое использование. Поэтому максимальные показатели еще впереди!

Как контролировать и улучшать?

Несмотря на лучшие теоретические перспективы, практическое применение информации о коэффициенте полезного действия должно интересовать гораздо больше, ведь, фактически, является путем для приумножения доходов за генерацию.  Поэтому стоит выделить основные моменты, которые будут влиять на КПД панелей в течение времени использования:

• Старение. Обычно этот процесс называют деградацией солнечных панелей и его сущность заключается в постепенном уменьшении мощности. В среднем по всем производителям, эта деградация составляет от 0,5% до 1% в год. Такие показатели позволят производителям обещать не менее 25 лет эксплуатации до выхода на 80% от первоначального КПД — признанный в мире рубеж для работоспособности панелей. 

• Внешние факторы. Даже солнечные батареи с высоким КПД не будут демонстрировать хороших результатов, если регулярно находиться в частичном или полном затенении. Поэтому стоит сразу учитывать все окружающие здания, деревья и другие аналогичные объекты. Более того, вполне возможно, что для правильного размещения панелей с целью сохранения их КПД придется несколько проредить окружающую растительность. В то же время, даже когда речь идет не о бифациальных панелях, светлая окраску окружения также будет способствовать определенному повышению эффективности за счет отраженного света.

• Уход. Запыленные или покрытые грязью панели будут, очевидно, показывать значительно ниже уровни КПД. Есть разные мнения относительно того, мыть панели самостоятельно или ждать дождя, но мы рекомендуем все-таки проводить время от времени «водные процедуры» для СЭС, особенно, если рядом есть источник постоянного загрязнения — крупные предприятия, пахотные поля, морское побережье, и тому подобное. Конечно, при этом следует придерживаться стандартных рекомендаций — только мягкие щетки, никаких моющих средств и, желательно, только очищенная вода. Так вы сможете гарантировать соответствие результата работы вашей СЭС заявленному уровню КПД батарей, из которых она собрана. 

Среди средств контроля коэффициента полезного действия в гелиосистемах стоит отдельно выделить еще один, что имеет для нас значение только сезонно — температура. Когда перегреваются солнечные батареи, КПД у них начинает снижаться, о чем уже упоминалось выше. Для наших широт эта проблема актуальна, преимущественно, только в самые жаркие часы горячих месяцев лета, в то время как в другие сезоны, а тем более зимой, температура близка к STS или ниже.  

Когда же речь идет о более южном расположении солнечных электростанций, проблема перегрева становится актуальной едва ли не в течение всего года. В таких условиях становится экономически выгодным использование пассивного или, в случае действительно значительной жары, активного охлаждения, стоимость установки и использования которого должны компенсироваться приростом в генерации.

Еще один интересный момент, также связан со стандартными лабораторными условиями — зависимость между уровнем инсоляции и напряжением в точке максимальной мощности. Так, при изменении уровня инсоляции будет меняться и вольт-амперная характеристика панели, а с ней и напряжение в точке максимальной мощности, что соответствует самому высокому доступному уровню КПД. Именно поэтому обязательным элементом всех современных СЭС, отвечающим за получение наибольшего КПД, является МПП-трекер, который обычно входит в состав инвертора. 

В целом, в случае такого продукта, как солнечные панели, КПД имеет весьма важное значение.  Причем, как можно видеть, не столько его начальный уровень, сколько методы поддержки и увеличения. В любом случае, если ориентироваться на относительно новые модели солнечных панелей и придерживаться базовых рекомендаций по установке и уходу, можно легко получать достаточно приличный уровень КПД.

Солнечные панели с самым высоким кпд. Что же вердикт готов

Рекордсменом по КПД среди солнечных батарей, из числа так или иначе доступных на рынке сегодня, являются, разработанные Институтом гелиоэнергетических систем Общества имени Фраунгофера в Германии, солнечные батареи на базе многослойных фотоэлементов. Начиная с 2005 года, их коммерческим внедрением занимается компания Soitec.

Размер самих фотоэлементов не превышает 4 миллиметра, а фокусировка солнечного света на них достигается путем применения вспомогательных концентрирующих линз, благодаря которым насыщенный солнечный свет преобразуется в электричество с КПД достигающим 47%.

Батарея содержит четыре p-n перехода, чтобы четыре различные звена фотоэлемента могли эффективно принимать и преобразовывать излучение с конкретной длиной волны, из солнечного света, сконцентрированного в 297,3 раза, в диапазоне длин волн от инфракрасного до ультрафиолетового.

Исследователи под руководством Франка Димирота изначально поставили перед собой задачу вырастить многослойный кристалл, и решение было найдено, — они срастили подложки для выращивания, и в результате был получен кристалл с различными полупроводниковыми слоями, с четырьмя фотоэлектрическими подъячейками.

Многослойные фотоэлементы давно используются на космических аппаратах, но теперь на их основе запущены и солнечные станции уже в 18 странах. Это становится возможным благодаря совершенствованию и удешевлению технологии. В итоге, количество стран, снабженных новыми солнечными станциями, будет расти, и налицо тенденция к конкуренции на рынке промышленных солнечных батарей.

На втором месте — солнечные батареи на базе трехслойных фотоэлементов Sharp, КПД которых достиг 44,4%. Фосфид индия-галлия — первый слой фотоэлемента, арсенид галлия — второй, арсенид индия-галлия — третий слой. Три слоя разделены диэлектриком, который служит для достижения туннельного эффекта.

Концентрация света на фотоэлемент достигается благодаря линзе Френеля, как и у немецких разработчиков, — свет солнца концентрируется в 302 раза, и преобразуется трехслойным полупроводниковым фотоэлементом.

Научные исследования по развитию этой технологии непрерывно велись Sharp, начиная с 2003 года при поддержке NEDO — японской организации общественного управления, содействующей научным исследованиям и развитию, а также распространению промышленных, энергетических и экологических технологий. К 2013 году Sharp был достигнут рекорд в 44,4%.

За два года до Sharp, в 2011 году, американская компания Solar Junction уже выпустила аналогичные батареи, но с КПД 43,5%, элементы которых обладали размером 5 на 5 мм, и фокусировка также производилась линзами, концентрируя свет солнца в 400 раз. Фотоэлементы были трехпереходными на основе германия, и группа планировала даже создать пяти и шестипереходные фотоэлементы, чтобы лучше захватить спектр. Исследования ведутся компанией и по сей день.

Таким образом, максимально рекордным КПД обладают солнечные батареи, выполненные в сочетании с концентраторами, которые, как мы видим, производят и в Европе, и в Азии, и в Америке. Но эти батареи в основном изготавливаются для постройки наземных солнечных электростанций крупных масштабов и для эффективного электроснабжения космических аппаратов.

Недавно был поставлен рекорд в сфере обычных потребительских солнечных панелей, которые доступны большинству желающих снабдить ими, например, крышу дома.

В середине осени 2015 года компания Илона Маска «SolarCity» представила наиболее эффективные потребительские солнечные панели, КПД которых превышает 22%.

Этот показатель подтвердили замеры, проведенные лабораторией Renewable Energy Test Center. Завод в Баффало уже ставит план производства на каждый день — от 9 до 10 тысяч солнечных панелей, точные характеристики которых пока не сообщаются. Компания уже планирует снабжать своими батареями не менее 200000 домов ежегодно.

Дело в том, что оптимизированный технологический процесс позволил предприятию значительно снизить стоимость производства, при этом повысив КПД в 2 раза по сравнению с широко распространенными потребительскими кремниевыми солнечными панелями. Маск уверен, что именно его солнечные панели будут пользоваться наибольшей популярностью у домовладельцев в ближайшем будущем.

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).

Кристаллическая решетка перовскита Ch4Nh4PbI3

Wikimedia Commons

Американские исследователи показали, что в солнечных элементах на основе перовскитов носители заряда, обладающие избыточной энергией, способны преодолевать значительное расстояние, прежде чем рассеют ее в виде тепла. Это означает, что реализовать фотоэлектрические элементы на горячих носителях, для которых теоретический предел КПД вдвое выше, чем у обычных кремниевых, на практике вполне возможно. Исследование опубликовано в журнале Science
.

В самых распространенных на сегодняшний день солнечных
элементах, использующих в качестве полупроводника кремний, теоретически
возможный коэффициент полезного действия едва превышает 30 процентов. Это связано с тем, что кремниевые элементы
способны использовать спектр солнечного света только частично. Фотоны,
обладающие энергией ниже пороговой, просто не поглощаются, а обладающие слишком
высокой приводят к образованию в фотоэлементе так называемых горячих носителей
заряда (например, электронов). Время жизни последних составляет около пикосекунды (10 -12
секунды), потом они «остывают», то есть рассеивают избыточную энергию в виде
тепла. Если бы горячие носители удавалось собирать, это повысило бы теоретический
предел КПД до 66 процентов, то есть вдвое. Несмотря на то что в некоторых экспериментах
небольшое сохранение энергии удавалось наблюдать , элементы на горячих носителях
пока остаются скорее гипотетическими.

Ученые из Университета Пердью и Национальной лаборатории
возобновляемой энергетики (США) внесли вклад в изучение нового перспективного
класса фотоэлектрических элементов на основе перовскитов и продемонстрировали,
что в таких элементах горячие носители не только обладают повышенным временем
жизни (до 100 пикосекунд), но и способны «пробегать» значительные дистанции в
несколько сотен нанометров (что сопоставимо с толщиной слоя полупроводника).

Металлорганические перовскиты получили свое название благодаря кристаллической структуре. Она по сути повторяет структуру природного минерала — перовскита, или титаната кальция. Химически они представляют собой смешанные галогениды свинца и органических катионов. Авторы работы использовали распространенный перовскит на основе иодида свинца и метиламмония. Исходя из того, что в перовскитах время
жизни горячих носителей существенно увеличено по сравнению с другими
полупроводниками, авторы решили выяснить, на какое расстояние могут переноситься горячие носители за время их остывания. С использованием
ультраскоростной микроскопии исследователям удалось непосредственно
пронаблюдать транспорт горячих носителей в тонких пленках перовскита с высоким
пространственным и временным разрешением.

Транспорт горячих носителей в полупроводнике в течение первой пикосекунды после возбуждения

Guo et al / Science 2017

Оказалось, что медленное остывание в
перовскитах сопряжено с дальностью пробега, которая составила до 600 нанометров. Это означает, что носители заряда с избыточной энергией теоретически способны преодолевать слой полупроводника и достигать электрода, то есть их возможно собирать (правда, как это реализовать технически, авторы работы не обсуждают). Таким образом, солнечные элементы на горячих носителях, возможно, удастся
воплотить в жизнь, взяв за основу перовскиты.

К настоящему времени максимальный КПД, доходящий до 46%, был зарегистрирован для многослойных многокомпонентных фотоэлектрических элементов, в состав которых входит арсенид галлия, индий, германий со включениями фосфора. Такие полупроводники используют свет более эффективно, поглощая различные части спектра. Производство их очень дорого, поэтому такие элементы используются только в космической промышленности. Ранее мы писали также про элементы на основе теллурида кадмия, которые можно производить в виде гибких и тонких пленок.
Несмотря на то, что общий вклад в производство электроэнергии солнечной энергетики пока не превышает 1%, темпы роста можно назвать взрывными. Особенно заинтересованы в использовании возобновляемой энергии солнца такие страны как Индия и Китай. Компания Google в конце 2016 года заявила, что в этом году собирается полностью перейти на возобновляемую энергетику.

В настоящее время в быту используются в основном кремниевые фотоэлементы, реальный КПД которых составляет 10–20 процентов.
Элементы на основе перовскитов появились менее 10 лет назад и сразу вызвали к
себе заслуженный интерес (о них мы уже писали ). КПД таких элементов быстро увеличивается и практически доведен до 25 процентов, что сопоставимо с лучшими образцами кремниевых фотоэлементов. К
тому же они очень просты в производстве. Несмотря на технологический успех, физические принципы
работы перовскитовых элементов относительно мало изучены, поэтому обсуждаемая
работа ученых из США вносит важный вклад в фундаментальные основы
фотовольтаики и, конечно, влечет за собой перспективу дальнейшего увеличения КПД солнечных
элементов.

Дарья Спасская

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.

Я кричу и плачу, наверное так нужно было начать видео, но многие начинают сразу думать не в ту сторону. Да про КПД солнечных панелей очень много материала. Да так много, что каждый ищет солнечную панель с КПД 30 -50% и не важно сколько они стоят. Стоп, что? Вы реально из тех людей что думают, что на сегодняшний день КПД у панелей то, что есть в открытом доступе это мало. Реально 22 -28% это разве мало?

А хотите пример того, что реально имеет низкий КПД, и речь тут пойдет про солнечные панели 1990 года выпуска с КПД около 10%, и знаете, теперь я точно могу сказать с уверенностью, что та сказка, которой все кто в этом не понимают разносят по интернету, это откровенная неправда. И чтобы такое с уверенностью сказать мне потребовалось купить 2 панели за свои деньги, установить их в работу, и около года пронаблюдать за ними при разных вариантах подключения.

Что же вердикт готов.

КПД старших солнечных панелей более раннего производства до 2010 года, ощутимо ниже КПД современных панелей, и тут даже речь идет не об удешевлении последних, а именно о технологии производства. Мы не будем затрагивать тот факт, что современные более тонкие, имеют новое поглощающее покрытие, которое более эффективное, чем у старых панелей, и меньше выгорает. Нет мы просто поговорим про КПД.

Для начала, что такое КПД — коэффициент полезного действия.

Итак, простым языком, это как эффективно солнечные панели работают в настоящее время, но не в будущем, так как чем дальше и дольше работает солнечная панель, тем КПД становится все ниже. А если вытягивать и нагружать солнечные панели коротким замыканием, спиралькой, либо лампами ИК, как некоторые это делают. КПД солнечных панелей будет таять просто в несколько раз быстрее.

Так вот, подобной информации реально нет хоть и такой черновой, тем более с таким износом солнечные панели проблемно найти в нашей стране. И что мы в итоге получаем?

Все просто, когда солнце есть, солнечные панели выдают почти всю свою мощность, да просело рабочее и холостое напряжение. Да немного просел ток, порядка на 0.5 — 1А. И можно было бы на этом закончить учитывая слова большинства блогеров, а нет, просело у нас и КПД, теперь солнечные панели меньше выдают как по напряжению, так и по току, в облачную погоду или на отражённом свете. Вот это и есть падение КПД или износ панели. Вроде и работает, а вроде и при плохой погоде нет.

Думаете все, но не тут то было, я уже привык рассказывать все или почти все, даже если в меня летят в настоящем времени тапки, а в будущем их собирают говоря, а че ты типа не знал:) Я вам поведаю еще одну проблему изношенных солнечных панелей.

А именно! Дело все в том, что из-за износа солнечной панели и сильно пострадавшего и выгоревшего абсорбирующего и светопоглощающего покрытия, кстати, это покрытие некоторые люди кто не в теме, называют рассеивающим покрытием или еще как. Но правильно абсорбирующего и светопоглощающего, его задача защитить кремниевую пластину, и структуру самого элемента, и более эффективно поглощать солнечный свет! От большей части КПД зависит от этого тонкого слоя.

Так вот, когда оно разрушается и выгорает, солнечные элементы начинают сильней греться, и мощность их падает. Эффект очень похож на полу пробитый или перегретый полупроводник, который вроде работает, но греется и его характеристики падают. Так вот, так как солнечный элемент — это тот же проводник с п-н переходом, только большего размера все правила по электроники также подходят и для солнечного элемента.

Да и самое важное, объединять старые солнечные и новые нельзя, ибо когда выдаваемая мощность на слабых упадет, а на новых еще будет идти, старые панели будут на себя тянуть часть мощности как нагрузка, тем самым вместо работы будут греть улицу!

Вот такие дела. И теперь я буду чаще про это говорить, чтобы у большинства как сказочников, так и людей, которые не в теме, отложилась более грамотная информация. А если есть реальные наблюдения, то значит и есть информация, как продлить срок жизни солнечных элементов.

КПД солнечной батареи – что это?

Всем прекрасно известно, что чем больше коэффициент полезного действия, тем лучше. Это правило распространяется и на КПД солнечных батарей. Благодаря новым технологиям и способам производства КПД фотоэлементов постоянно растет, правда очень медленно, но главное — прогресс не стоит на месте.

Ниже приведен график достижений эффективности разных производителей, с течением времени. Начиная с середины и до самого верха — полупроводники разрабатывались для новых рекордов и космических задач, стоимость соответствующая. Все что ниже уже доступно и реально приобрести в наше время.

Всем известно про КПД, но мало кто понимает откуда берутся эти значения в процентах и как они рассчитываются.  Давайте попробуем разобраться.

Как правило, завод изготовитель указывает эффективность своих собранных модулей и эффективность отдельных солнечных элементов, из которых состоит солнечная батарея.  Эти параметры, как и другие характеристики, указываются при так называемых стандартных условиях — STS, основными из них является инсоляция 1000Вт/м² и температура элементов 25°С при которых и снимаются технические характеристики, в том числе и эффективность.

В настоящее время добросовестные изготовители стали  тестировать каждую произведенную ими солнечную батареи после сборки и делать распечатку индивидуальных параметров, которую вкладывают к каждой батарее. Делается это для подтверждения качества своих изделий.

Ниже приведена распечатка одной из солнечных батарей SY-100 от Suoyang energy:

Каждый модуль имеет свои индивидуальные характеристики. Если взять две одинаковые панели одной модели они все равно будут иметь немного разные параметры.

Солнечные батареи данного производителя имеют положительную толерантность, в итоге мы имеем  104,617 Вт и эффективность 15,74% (отдельный элемент 18,7%). Как он получил это значение?

Формула расчета эффективности солнечных батарей выглядит следующим образом:

КПД = Pсб/Sсб/10, где:

Pсб – мощность СБ;

Sсб – площадь СБ.

Подставим значения в формулу:

КПД = 104,617/(1,2*0,554)/10 = 15,74%

Все сходится, но возникает еще один вопрос: почему тогда КПД отдельных фотоэлементов выше? Ответ прост – все дело в том, что солнечная батарея состоит из множества фотоэлементов и между ними есть небольшое расстояние, которое не используется для выработки энергии, плюс алюминиевая рама тоже «занимает место», соответственно площадь увеличивается, а КПД при этом снижается.

Ниже приведены фотографии и видео некоторых попыток получения большей эффективности фотоэлементов, с помощью создания элементов сложной формы, принудительного охлаждения солнечных элементов и фокусирования света с помощью линз. Возможно новинки хорошо покажут себя, их пустят в массовое производство, и они станут доступными для нас с вами.

Это гибридная солнечная батарея Vitru, в борьбе за эффективность производитель борется с нагревом элементов. Вода в колбе охлаждает элементы, в следствие чего не снижается напряжение и не падает мощность.

Новинка пока не продается и находится в стадии тестирования, но как заявляет V3Solar, весь секрет в конусной форме и вращения конструкции, благодаря этому ячейки не успевают нагреваться и КПД не снижается в течении всего дня.  

Видео наглядно демонстрирует в чем заключается смысл задумки:

В отличие от предыдущих идей, борющимися с повышением температуры, эта конструкция в виде шара от Beta Torics, достигает производительности 35% благодаря концентрированному солнечному свету.

Самодельный концентратор из подручных средств, смысл как и в предыдущей установке в виде шара — усиление света, но тут все гораздо проще:

 

Комментарий автора: Линза заполненная водой имеет размер почти 75 сантиметров в диаметре. Солнечный свет проходя сквозь линзу концентрируется с такой силой, что моментально воспламеняет дерево. Максимальная эффективность достигается в летний полдень, когда солнце находится в зените. Линза выполнена из кристально чистого хлористого винила. Линза концентрирует около 500 Вт солнечной энергии и направляет в точку диаметром 2 см с рассеиванием около 7-15 см. ‏

Читайте также:

Расчет мощности солнечных батарей

Разновидность солнечных батарей

 

самых эффективных солнечных панелей — Forbes Advisor

Примечание редакции. Мы получаем комиссию за партнерские ссылки в Forbes Advisor. Комиссии не влияют на мнения или оценки наших редакторов.

Сравните предложения от лучших установщиков солнечных панелей

Бесплатные оценки без обязательств

Установка солнечных панелей — отличный способ сэкономить энергию и снизить счета за коммунальные услуги. Однако важно понимать различия в производстве солнечных панелей, чтобы выбрать наиболее эффективные солнечные панели для вашей коммерческой или жилой установки.

Как определяется эффективность солнечных панелей

Эффективность солнечных панелей определяется количеством солнечного света, который отражается на поверхности панелей и затем преобразуется в электрическую или тепловую энергию. Раньше средний КПД солнечных панелей составлял около 15%, но благодаря достижениям в области фотогальванических технологий КПД теперь превышает 20%. В результате типичная номинальная мощность панели составляет 370 Вт, а не 250 Вт.

Эффективность солнечной панели определяется двумя факторами: эффективностью фотоэлектрических элементов и общей эффективностью панели.Эффективность фотоэлемента определяется конструкцией элемента и типом кремния, в то время как компоновка и конфигурация элемента, а также размер панели являются основой общей эффективности панели. Общий КПД панели определяется максимальной номинальной мощностью при стандартных условиях испытаний, деленной на общую площадь панелей (в метрах).

Существует ряд факторов, которые могут повлиять на эффективность, например, температура, тип ячейки и уровень излучения, то есть скорость, с которой солнечный свет попадает на панели.Цвет подложки, защищающей панели, также может влиять на эффективность. Например, хотя черный цвет может выглядеть более привлекательным для защитного черного листа, этот цвет поглощает больше тепла. Это приводит к более высоким температурам и, следовательно, снижению общей эффективности преобразования, поэтому другие цвета, такие как темно-синий, зеленый или даже узоры, могут быть лучшим вариантом для ваших солнечных панелей.

Основные типы солнечных панелей

Существует три типа солнечных панелей, которые чаще всего используются в коммерческих или жилых установках: монокристаллические, поликристаллические и тонкопленочные.Вот краткое объяснение каждого, а также для каких приложений они наиболее полезны:

Монокристаллический: лучший по эффективности

Монокристаллические солнечные панели

часто рекламируются как наиболее эффективный вариант, и поэтому их лучше всего устанавливать для больших энергетических систем в коммерческих и жилых помещениях. Однако размеры панелей различаются; следовательно, монокристаллы могут использоваться и в небольших установках.

Плюсы

• Изготовлены из кремния высокой чистоты, что повышает их эффективность на 15–22 %
• Не требуют столько места, как поликристаллические и тонкопленочные панели
• Монокристаллические панели могут служить до 25 лет благодаря стабильным и инертным свойствам кремния

.

Минусы

• Высокая цена из-за сложной конструкции
• Не лучший выбор для холодного климата, так как снегопад может повредить солнечные элементы и привести к отказу системы.

Лучшие бренды монокристаллических солнечных панелей: SunPower, LG и Panasonic

Поликристаллический: лучший по цене

Как следует из названия, поликристаллические солнечные панели состоят из нескольких кристаллов чистого кремния, которые сплавляются вместе. Однако больше кристаллов не всегда лучше. Поликристаллические панели на самом деле менее эффективны, чем их монокристаллические аналоги. Однако они изготавливаются с различными параметрами мощности от 5 Вт до 250 Вт и выше, что делает их хорошим выбором как для небольших, так и для крупных установок.

Плюсы

• Процесс их создания проще, поэтому они дешевле, чем монокристаллические
• Меньше отходов после процесса плавки, что делает их более безопасными для окружающей среды
• Прочные и долговечные, как и монокристаллические солнечные панели, поэтому они являются хорошим выбором для домовладельцев с ограниченным бюджетом

Минусы

• Более низкая эффективность (от 13% до 17%) из-за более низкой чистоты кремния, используемого для их изготовления.
• Занимайте больше места, чтобы производить тот же уровень мощности, что и у монокристаллических элементов.

Лучшие бренды поликристаллических фотоэлектрических панелей: TrinaSolar и YingliSolar

Тонкопленочные: лучше всего подходят для питания транспорта

Хотя тонкопленочные фотоэлементы легкие и их легко перемещать, они не сделаны из кремния и являются наименее эффективным типом солнечных панелей. Используйте их только для установки, которая не требует слишком большой мощности; гибкость и портативность являются двумя главными факторами с ними.

Плюсы

• Производство проще и дешевле
• Отлично подходит для солнечных транспортных средств, таких как панели, устанавливаемые на крышах автобусов, и холодильные установки для грузовиков-рефрижераторов

Минусы

• Не лучший выбор для крыш, так как они требуют большого пространства для использования достаточного количества солнечной энергии для выработки энергии
• Более слабые, поэтому разрушаются быстрее, чем кристаллические панели. Для установки тонкопленочных панелей доступны только короткие гарантии, и домовладельцы должны особенно учитывать это в зависимости от того, как долго они планируют оставаться в своих домах.

Лучшие бренды тонкопленочных солнечных панелей: Stion и Solopower

Что следует учитывать при покупке панелей солнечной энергии

Стоимость

Солнечные панели могут быть дорогостоящими авансом, поэтому многие домовладельцы не решаются легкомысленно перейти на солнечную энергию. Центр устойчивой энергетики сообщает, что установка может стоить в среднем от 15 000 до 25 000 долларов .Поликристаллические солнечные панели считаются наиболее экономичным выбором для установки солнечных панелей, но это зависит от типа панелей и их количества, необходимого для установки.

Хотя ваши первоначальные инвестиции в солнечные панели могут окупиться в течение многих лет, вам может потребоваться больше времени, чтобы вернуть свои деньги в зависимости от ряда факторов, включая потребление энергии и погодные условия; последнее может повлиять на функциональность солнечной панели.

Местоположение

Солнечная энергия, что неудивительно, более эффективна в местах, где больше солнечного света.Например, жилые и коммерческие здания в Южной Калифорнии, скорее всего, получат больше преимуществ от солнечной энергии, чем в облачном тихоокеанском северо-западе. Тем не менее, даже не самые солнечные места могут извлечь выгоду из солнечной энергии, поскольку более низкие температуры заставят панели вырабатывать больше энергии.

Энергопотребление

Если ваши счета за электроэнергию высоки, имеет смысл установить солнечные панели, чтобы сократить расходы и со временем окупить первоначальные инвестиции. Однако, если ваше потребление энергии минимально, установка солнечной панели может не стоить затрат.Также важно отметить, что максимальная эффективность достигается только в наилучших условиях и только в начале срока службы панели. По мере того, как солнечные панели стареют и подвергаются воздействию элементов, они начинают работать менее эффективно.

Сравните предложения от лучших установщиков солнечных панелей

Бесплатные оценки без обязательств

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Можете ли вы самостоятельно установить солнечную панель?

Заманчиво сэкономить деньги и установить солнечные панели самостоятельно, особенно если у вас за плечами множество успешных проектов «сделай сам».Но установка солнечных батарей — это проект, который лучше доверить профессионалам. В зависимости от типа панели, которую вы выберете, для установки могут потребоваться сложные конфигурации, которые в противном случае трудно установить правильно без опыта обучения.

Кроме того, для сохранения гарантии может потребоваться профессиональная установка. Как и во многих проектах, привлечение профессионала для установки системы солнечной энергии означает, что она будет сделана правильно с первого раза, так что вы сможете сразу же начать пожинать плоды этого.

Сколько времени потребуется, чтобы окупить стоимость солнечных батарей?

Этот ответ будет варьироваться в зависимости от множества факторов, включая первоначальные затраты на систему солнечных батарей, количество энергетических поощрений и потребление электроэнергии. Однако в среднем домовладельцам требуется от шести до десяти лет, чтобы окупить свои первоначальные инвестиции.

Как долго служат солнечные батареи?

Солнечные панели имеют средний срок службы от 25 до 30 лет.Однако они могут прослужить до 50 лет. Срок службы солнечных панелей зависит от погодных условий, в которых они установлены, так как снег, ветер и ураганный мусор могут повлиять на их работу.

Эффективность солнечной панели | Насколько эффективна солнечная энергия

Учитывая, что солнечная энергия ежедневно бомбардирует планету еще в течение как минимум 4-5 миллиардов лет, использование солнечной энергии для производства электроэнергии может стать одним из лучших вариантов для тех, кто ищет более чистые источники энергии.

Хотя перспектива сокращения ежемесячных расходов на электроэнергию за счет последних разработок в области солнечных технологий может показаться отличной идеей, первоначальные инвестиции могут заставить вас задуматься, действительно ли солнечная энергия того стоит.

Чтобы лучше понять, какую непосредственную выгоду вы и многие другие люди можете получить от установки солнечных энергетических систем, следует учитывать эффективность выбранной вами панели, но это не означает, что более эффективная панель принесет вам большую экономическую выгоду. лично.

Множество факторов, включая размещение панелей, географическое положение, архитектурный дизайн вашей крыши, температуру и степень затенения вашего здания, определят, подходит ли переход на солнечную энергетическую систему для вашего бизнеса или дома.

Эффективность солнечных панелей — это просто измерение выработки энергии на заданной площади поверхности. Чем эффективнее панель, тем меньше места она займет на вашей крыше. Однако выбор более эффективной солнечной панели не всегда может быть наиболее рентабельным решением.

Стоимость установки зависит от местоположения. Аризона является одним из ведущих штатов в области солнечной энергетики и предлагает ряд стимулов для поощрения потребителей. Штат Гранд-Каньон также является одним из лучших штатов для использования систем солнечной энергии, поскольку Юма считается самым солнечным городом в стране по версии NOAA.

Эффективность солнечных панелей

Чем эффективнее фотогальваническая солнечная панель, тем больше энергии она будет вырабатывать на количество световой энергии, попадающей на элемент, что, в свою очередь, будет занимать меньшую площадь поверхности для удовлетворения ваших потребностей в энергии.

Сегодня большинство солнечных панелей обеспечивают рейтинг энергоэффективности от 11 до 15 процентов, что представляет собой процент солнечной энергии, преобразуемой в полезную электроэнергию.

Хотя это может показаться небольшим процентом, достижения в технологиях солнечной энергии постоянно совершенствуются, и современные панели могут более чем покрыть энергетические потребности большинства коммерческих и жилых нужд.

Сегодня исследователи постоянно пытаются повысить эффективность фотоэлектрических технологий. Ученые достигли рекордной 40-процентной эффективности, используя многопереходные элементы, настроенные на улавливание различных частот света в электромагнитном спектре. Хотя в настоящее время это самые эффективные из когда-либо созданных солнечных элементов, они еще не доступны широкой публике.

Если у вас небольшая крыша и ограниченное пространство, вам может подойти более эффективная солнечная панель.Из-за более высокой эффективности эти панели могут быть немного дороже, но они по-прежнему будут соответствовать вашим потребностям в энергии.

Однако, если у вас больше места, вы можете удовлетворить свои потребности в энергии с менее эффективными и менее дорогими панелями, чтобы сэкономить на затратах на установку. Принимая во внимание общую стоимость панелей и выработку киловатт, вы можете выбрать, что лучше всего подходит для вашей установки.

Фотогальваника и типы солнечных панелей

Промышленный стандарт для солнечных электрических систем основан на фотогальванической или фотоэлектрической технологии, которая преобразует солнечный свет в электричество. Несколько солнечных элементов соединены между собой, образуя модуль, из которого состоит панель.

Каждая панель обычно объединяется в систему, в которой электричество направляется на инвертор для обеспечения мощности, необходимой для работы бытовых электрических устройств. Эффективность часто зависит от конструкции панели и от того, как она спроектирована для улавливания различных частот световой энергии. Рассмотрим следующие конструкции:

• Монокристаллические кремниевые панели — наиболее эффективным типом фотогальванических солнечных панелей, доступных сегодня, является монокристаллическая или одинарная кремниевая панель.Из-за более высокого содержания кремния, используемого в конструкции, они дороже, чем альтернативные типы панелей. Больше энергии преобразуется в электричество, поэтому для большинства кровельных установок требуется меньше панелей для удовлетворения тех же требований к мощности. Эти типы панелей квадратной формы идеально подходят для монтируемых на крыше солнечных электрических систем.
• Панели из поликристаллического кремния . Поскольку в поликристаллических или многослойных кремниевых панелях используется меньшее количество кремния, они часто дешевле, чем их более эффективные аналоги.Они реализуют конструкцию, помогающую уменьшить эту потерю эффективности, что позволяет использовать их в системах, устанавливаемых на крыше. Это делает их идеальными для более крупных проектов и установок, поскольку они стоят дешевле. Панели из поликристаллического кремния также более устойчивы к нагреву.
• Встроенные в здание фотоэлектрические панели Внешний вид является важным аспектом здания. Как и во многих исторических зданиях или зданиях с уникальным архитектурным дизайном, владельцы могут не решиться изменить отличительный характер строения, установив солнечную электрическую систему.Чтобы помочь смягчить эстетические изменения, которые могут принести солнечные батареи, доступны интегрированные в здания фотоэлектрические элементы. Хотя они могут сохранить внешний вид традиционной кровли, эти типы панелей более дороги и менее эффективны, чем альтернативы.
• Технология тонкопленочных солнечных элементов – Тонкопленочные элементы представляют собой более новую фотоэлектрическую технологию, которая состоит из одного или нескольких слоев тонких пленок фотоэлектрических элементов, ламинированных на существующем материале, таком как металлическая кровля или стеклянные окна.Эти фотогальванические пленки очень тонкие, что делает их более легкими и гибкими по сравнению с другими фотоэлектрическими системами. Хотя тонкопленочная технология чрезвычайно универсальна, она имеет свою цену. Тонкопленочные системы менее эффективны и могут разрушаться быстрее, чем обычные солнечные системы, но улучшаются с развитием технологий.

Факторы, влияющие на эффективность

Эффективность солнечной энергии зависит от множества факторов, включая правильную установку и оценку конструкции. Наем профессионала для осмотра конструкции и местоположения вашего здания имеет важное значение для определения того, какой тип установки лучше всего соответствует вашим требованиям и обеспечит вам долгосрочные экономические выгоды от солнечной энергии. Empire Renewable Energy предлагает ряд услуг для коммерческих и жилых помещений:

• Большинство солнечных панелей имеют слой защитного стекла поверх ячеек, через который должен проходить солнечный свет.Количество используемой энергии зависит от угла, под которым проходит свет, а также от уменьшения отражательной способности стекла.

• Правильная установка солнечной панели имеет важное значение для захвата максимального количества солнечного света. Угол наклона панели и количество падающего на нее света являются важными факторами, которые помогут вам добиться максимальной эффективности.

• Для панелей, монтируемых на крыше, уклон крыши будет влиять на то, сколько солнечного света попадает на панели в течение дня. Крупные коммерческие установки могут компенсировать движение Земли за счет установки систем слежения за солнцем, но из-за дороговизны их обычно не устанавливают для жилых помещений.

• Температура может влиять на общую мощность солнечной батареи. Более высокие температуры могут снизить производительность и снизить эффективность. Некоторые солнечные панели предназначены для более теплого климата, где необходимо поддерживать эффективность при повышении температуры. Убедитесь, что вы выбрали правильную панель, которая лучше всего подходит для вашего климата, чтобы вы могли получить большую отдачу от своих инвестиций.

• Даже небольшой затененный участок на солнечных панелях может значительно снизить их мощность. Поскольку панели часто соединены вместе в системе, даже небольшая тень на одной панели может резко снизить общее производство энергии системой. Идеально устанавливать панели таким образом, чтобы ни на одну из них не падала тень. В некоторых ситуациях этого может быть трудно избежать, поэтому доступны альтернативы для поддержания эффективности.

Типы солнечных установок, предлагаемых Empire

Выбор типа установки для вашего бизнеса или дома также важен, если вы хотите получить максимальную отдачу от своих инвестиций.Так как пространство и архитектурные решения различаются для каждого клиента, доступно множество вариантов:

• Солнечная установка на крыше — Установка на крыше является популярным вариантом как для коммерческих, так и для жилых помещений. Они предлагают способ улавливать солнечную энергию, которая естественным образом попадает на вашу крышу каждый день.
• Солнечная установка для монтажа на столбе — Для тех, у кого ограниченное пространство на крыше, могут быть установлены системы на столбах, но для их правильной установки требуется специально отведенный участок земли.
• Солнечная установка с наземным креплением — Подобно креплению на столбах, наземные системы размещаются во дворах и полях. Они полезны для тех, кто имеет ограниченное пространство на крыше или владеет большим количеством земли, необходимой для максимизации преимуществ систем солнечной энергии.
• Укрытия Солнечная установка — Для тех, кто хочет сократить расходы на электроэнергию, альтернативные наружные конструкции, такие как беседки и структурные навесы, могут быть оснащены системами солнечной энергии.
• Установка навесов для парковок — Для установок, в которых расположены большие парковочные места, можно использовать солнечную энергию для сокращения расходов на электроэнергию и обеспечения тени для клиентов на специально отведенных стоянках.
• Теневые навесы — Для зданий с ограниченным пространством замена традиционных навесов солнечными панелями — отличный способ снизить ежемесячные расходы на электроэнергию, сохраняя при этом ту же функцию.
• Солнечная установка для отдельного гаража . Для многих пространство на крыше и парковочное место могут быть ограничены. Однако отдельные гаражные установки могут по-прежнему приносить экономические выгоды жилым домам, где установка на крыше невозможна.
• Интегрированные в здания фотоэлектрические системы — Для некоторых зданий историческая или общая эстетика имеет жизненно важное значение для архитектурного характера конструкции. Солнечные установки, интегрированные в конструкцию здания, могут помочь свести к минимуму изменения внешнего вида, сохраняя при этом преимущества систем солнечной энергии.

Самые эффективные солнечные панели, предлагаемые Empire

Чтобы обеспечить жителей Аризоны самыми эффективными солнечными панелями на рынке, Empire Renewable Energy заключила партнерское соглашение с SunPower.

Модули

SunPower имеют срок службы 40 лет, а их солнечные элементы обеспечивают лучшую производительность на рынке с эффективностью работы до 24 процентов. Если вы используете солнечные элементы SunPower, вы увидите более быструю окупаемость своих инвестиций с примерно на 20 процентов большей выходной мощностью по сравнению с аналогичными продуктами.

Имея одни из самых высоких рейтингов в отрасли, панели SunPower обеспечивают превосходную производительность и долговечность по сравнению с панелями аналогичного размера. SunPower также является мировым рекордсменом по кремниевой солнечной панели с самой высокой эффективностью.

Преимущества солнечной энергии

Для большинства владельцев бизнеса и домовладельцев солнечная энергия является отличным способом сократить ежемесячные расходы на электроэнергию и повысить стоимость недвижимости.

Аризона предлагает многочисленные стимулы для тех, кто хочет установить системы солнечной энергии. Кроме того, федеральное правительство также поощряет альтернативы экологически чистой энергии и предлагает налоговые льготы и кредиты тем, кто хочет перейти на солнечную систему.

По мере роста спроса на солнечную энергию технологии развивались, а цены резко снизились с конца 1970-х годов.Теперь дешевле, чем когда-либо прежде, установить солнечную энергетическую систему для вашего дома или бизнеса.

Хотя первоначальные инвестиции в установку солнечной электрической системы будут сильно зависеть от размера установки, общая экономия стоит того для большинства клиентов.

В дополнение к сокращению ежемесячных расходов, большинство монтируемых на крыше систем рассчитаны на длительный срок службы и требуют минимального обслуживания.

Осмотры следует проводить регулярно, особенно в холодном климате, где лед может повредить панели.Очистка также может потребоваться для поддержания эффективности, но большинство солнечных крыш рассчитаны на срок службы в среднем 25 лет.

Вопросы, которые следует задать себе перед установкой системы солнечной энергии:

• Какой тип установки лучше всего подходит для моего здания/собственности?
• Какой размер системы может поддерживать моя крыша?
• Сколько прямых солнечных лучей ежедневно попадает на мою крышу?
• Каковы мои потребности в энергии?
• Сколько я ежегодно трачу на электроэнергию?
• Сколько лет моей крыше, и будет ли солнечная электрическая система повышать ценность моего дома или бизнеса?
• Какие существуют местные, государственные и федеральные стимулы?
• Предлагает ли мой местный поставщик энергии скидки на солнечные системы?

Как Империя может мне помочь?

Очень важно нанять профессионала для оценки вашего здания и собственности на предмет оптимальной эффективности.

При выполнении установки необходимо установить вспомогательную инфраструктуру и преобразователи, чтобы безопасно использовать свет и преобразовывать его в энергию, которую можно использовать в вашем бизнесе или дома.

Угол наклона панели, размещение, архитектурный дизайн здания и тень могут влиять на эффективность солнечной электрической системы. Empire Renewable Energy предлагает бесплатную оценку, чтобы определить, какой тип установки лучше всего подходит для ваших потребностей в электроэнергии.

В течение 65 лет компания Empire предлагает продукцию высочайшего качества и обслуживает различные отрасли промышленности по всей Аризоне, включая образование, складирование, розничную торговлю, отдых, здравоохранение, общественное питание и производство.

Когда вы обратитесь в компанию Empire для оценки объекта, квалифицированный инженер определит конкретную и наиболее оптимальную систему, которая поможет вам сократить расходы на электроэнергию. Оценка определит необходимый размер фотогальванической системы, где она должна быть размещена и под каким углом будут расположены панели, чтобы захватить максимальное количество солнечного света.

Кроме того, инженеры Empire определят, какой тип системы и варианты установки потребуются, сколько вы сэкономите и как быстро окупятся ваши первоначальные инвестиции.Это будет включать оценку затрат на установку, доступные финансовые стимулы и оценки производства за первый год, а также прогнозы годовой экономии.

Свяжитесь с Empire Renewable Energy, чтобы начать сегодня.

Запросить цену

Основы солнечных фотоэлектрических элементов | Департамент энергетики

Кремний 

Кремний на сегодняшний день является наиболее распространенным полупроводниковым материалом, используемым в солнечных элементах, на который сегодня приходится примерно 95% продаваемых модулей. Это также второй по распространенности материал на Земле (после кислорода) и самый распространенный полупроводник, используемый в компьютерных чипах.Элементы кристаллического кремния состоят из атомов кремния, соединенных друг с другом в кристаллическую решетку. Эта решетка обеспечивает организованную структуру, которая делает преобразование света в электричество более эффективным.

Солнечные элементы, изготовленные из кремния, в настоящее время обеспечивают сочетание высокой эффективности, низкой стоимости и длительного срока службы. Ожидается, что модули прослужат 25 и более лет, по истечении этого времени производя более 80% своей первоначальной мощности.

Тонкопленочные фотоэлектрические элементы

Тонкопленочные солнечные элементы изготавливаются путем нанесения одного или нескольких тонких слоев фотоэлектрического материала на поддерживающий материал, такой как стекло, пластик или металл.Сегодня на рынке представлены два основных типа тонкопленочных фотоэлектрических полупроводников: теллурид кадмия (CdTe) и диселенид меди-индия-галлия (CIGS). Оба материала можно наносить непосредственно на переднюю или заднюю поверхность модуля.

CdTe является вторым наиболее распространенным фотоэлектрическим материалом после кремния, и элементы CdTe можно изготавливать с использованием недорогих производственных процессов. Хотя это делает их экономически эффективной альтернативой, их эффективность все еще не так высока, как у кремния. Ячейки CIGS обладают оптимальными свойствами для фотоэлектрического материала и высокой эффективностью в лаборатории, но сложность, связанная с объединением четырех элементов, делает переход от лаборатории к производству более сложным.И CdTe, и CIGS требуют большей защиты, чем кремний, чтобы обеспечить длительную работу на открытом воздухе.

Перовскитные фотоэлектрические элементы

Перовскитные солнечные элементы представляют собой разновидность тонкопленочных элементов и названы в честь их характерной кристаллической структуры. Ячейки перовскита состоят из слоев материалов, которые печатаются, покрываются или наносятся вакуумным способом на нижележащий поддерживающий слой, известный как подложка. Как правило, они просты в сборке и могут достигать эффективности, аналогичной кристаллическому кремнию.В лаборатории эффективность перовскитных солнечных элементов повышалась быстрее, чем у любого другого фотоэлектрического материала, с 3% в 2009 году до более чем 25% в 2020 году. работают над тем, чтобы сделать их более долговечными и разрабатывают крупномасштабные и недорогие технологии производства.

Органические фотоэлектрические элементы 

Органические фотоэлектрические элементы, или OPV, состоят из богатых углеродом (органических) соединений и могут быть адаптированы для улучшения определенных функций фотоэлектрических элементов, таких как ширина запрещенной зоны, прозрачность или цвет.Ячейки OPV в настоящее время примерно вдвое менее эффективны, чем ячейки из кристаллического кремния, и имеют более короткий срок службы, но могут быть менее дорогими в производстве в больших объемах. Они также могут быть применены к различным вспомогательным материалам, таким как гибкий пластик, благодаря чему OPV можно использовать в самых разных целях. PV

Эффективность солнечных панелей в 2022 г. солнечного света в полезную электроэнергию.

Благодаря достижениям в области технологий эффективность солнечных панелей со временем неуклонно повышается. В результате этого увеличения текущей эффективности солнечных панелей вы можете получить такое же количество энергии с меньшим количеством панелей на крыше или больше энергии с тем же количеством солнечных панелей.

В этой статье объясняется, что означает эффективность солнечных панелей, как средняя эффективность солнечных панелей влияет на производство электроэнергии, какую роль высокоэффективные солнечные панели играют в преобразовании экологически чистой энергии и многое другое.

Что определяет эффективность солнечной панели?

Способность вашей солнечной панели производить энергию путем преобразования получаемого ею солнечного света в полезную электроэнергию зависит от пяти важнейших факторов: материалов, проводки, отражения, возраста и температуры.

Влияние материалов на эффективность солнечных панелей

Производители солнечных панелей используют различные вещества для создания различных типов солнечных панелей, в том числе:

• Поликристаллический кремний
• Монокристаллический кремний
• Теллурид кадмия
• Многопереходные солнечные элементы
• Каждый материал солнечной панели помогает определить, сколько солнечного света будет преобразовано в электричество. Большинство производителей сегодня используют для своих панелей технологию монокристаллических кремниевых солнечных элементов из-за их превосходной эффективности.Монокристаллические фотоэлектрические (PV) элементы более эффективны, чем другие типы панелей, поскольку они сделаны из монокристалла кремния, а это означает, что электроны могут легче проходить через элемент.

  В дополнение к существующим материалам для солнечных панелей, таким как кремний, солнечные компании изучают другие материалы, которые могут обеспечить еще более эффективную технологию панелей, включая как органические, так и более пригодные для повторного использования варианты. (Ниже мы подробно обсудим эти разработки.)

  Влияние электропроводки на эффективность солнечных панелей

  Солнечные панели могут быть подключены последовательно и параллельно, а различные конфигурации проводки влияют на то, как будет функционировать ваша система солнечных панелей. и какую мощность он может произвести.У каждого варианта есть свои преимущества и недостатки, поэтому это одно из решений, которое компания по производству солнечных панелей примет при разработке идеальной системы солнечной энергии для вашего дома.

  Проводка также помогает определить правильный инвертор  для ваших солнечных батарей, будь то инвертор строки, оптимизатор мощности, микроинвертор, гибридный инвертор или что-то еще. Тип используемого инвертора, особенно с точки зрения того, как энергия собирается с панелей и передается в ваш дом, аккумуляторную батарею и электросеть, может повлиять на общую эффективность вашей системы солнечных панелей.

  Внутри самих панелей проводка и «шины» (металлические соединения солнечных элементов в солнечной панели, которые фактически улавливают и передают электричество) влияют на эффективность, при этом более эффективные панели используют разные конфигурации и разные технологии для улучшения этого процесса.

  Влияние отражения на эффективность солнечной панели

  Количество света, отраженного от поверхности солнечной батареи, влияет на эффективность солнечной панели. Эффективность солнечных панелей зависит от количества света, которое они могут поглотить и преобразовать в электричество.

  Если свет отражается от поверхности панели, он не может стать электричеством, что снижает эффективность этой панели. Солнечные панели с текстурированными поверхностями и антибликовым покрытием помогают свести к минимуму количество отражаемого света.

  Влияние возраста на эффективность солнечных панелей

  Средний срок службы солнечных панелей составляет от 25 до 30 лет. В течение этого периода ваша солнечная система должна генерировать всю электроэнергию, необходимую для питания вашего дома, если только панели не будут заблокированы слишком большим количеством тени, грязи или другого мусора.

  Однако в течение этих 25–30 лет эффективность ваших панелей будет постепенно снижаться, пока в конечном итоге не достигнет точки, когда солнечные панели не будут производить достаточно электроэнергии для всех нужд вашего дома. Эта скорость деградации учитывается при первоначальном проектировании системы солнечной энергии, но она по-прежнему влияет на эффективность вашей солнечной панели.

  Влияние температуры на эффективность солнечных панелей

  Климат вашего региона влияет на эффективность солнечных панелей, поскольку уровень энергии электронов определяется уровнем их возбуждения.Вопреки тому, что вы можете подумать, солнечные панели более эффективны при более низких температурах. Поскольку электроны в тонком слое кремния более спокойные и менее возбужденные, они могут с большей легкостью перемещаться по линиям передачи и в большем количестве, чтобы генерировать солнечную энергию.

  Когда жарко, электроны более возбуждены и движутся в разных направлениях. Это затрудняет эффективное перемещение по линиям электропередачи, что приводит к снижению уровня производства солнечной энергии в жаркий день.

  Другими словами, в холодный солнечный день вы будете испытывать более высокое напряжение и повышенную эффективность генерации по сравнению с жарким солнечным днем.

  Как рассчитать эффективность солнечной панели

  Самый простой способ рассчитать эффективность вашей солнечной панели по следующей формуле:

  Эффективность (%) = (Pmax ÷ Площадь) ÷ (1000) x 100%

  • Pmax  = максимальная мощность солнечной панели (в ваттах)
  • Площадь  = длина x ширина солнечной панели (в м2)
  • 1000  = стандартное тестовое состояние (STC) излучение

  9000 немного для более глубокого понимания.

  1. Найдите максимальную мощность вашей панели

  Вы можете найти эту информацию, помеченную как «Pmax» или «максимальная мощность» в спецификации для ваших солнечных панелей.

  2. Узнайте физические размеры вашей панели

  Стандартные размеры панели составляют 65 дюймов на 39 дюймов, но вы также можете найти и проверить эту информацию для ваших собственных панелей, в частности, длину и ширину, на листе спецификаций.

  3. Рассчитайте площадь блока питания вашей панели

  Чтобы получить площадь блока питания вашего модуля, разделите его Pmax на его площадь.

  4. Фактор STC

  Стандартные условия испытаний (STC) представляют собой идеальные условия, используемые производителями солнечных батарей при тестировании средней мощности солнечных панелей. Эти условия включают температуру камеры 25 °C, массу воздуха 1,5 и солнечное излучение 1000 Вт/м2. Это значение 1000 Вт/м2 используется в уравнении эффективности.

  5. Рассчитайте эффективность солнечной панели

  Используя некоторые примерные числа, мы можем пройтись по математике.Если предположить, что ваши солнечные панели имеют площадь 2 м2, производят 400 Вт и получают 1000 Вт/м2 солнечного света, эффективность ваших солнечных панелей составляет 20%.

  Эффективность (%) = (400 ÷ 2) ÷ (1000) x 100%

  Эффективность = 20% 20%. В конце концов, самые эффективные солнечные панели, доступные для общественного пользования, достигают эффективности 22%.

  В то время как эффективность большинства солнечных панелей, доступных сегодня в Соединенных Штатах, ниже 20%, мы можем ожидать, что эффективность систем солнечной энергии будет продолжать улучшаться по мере того, как солнечная промышленность использует передовые фотоэлектрические технологии.

  История эффективности солнечных батарей

  Первый крупный прорыв в солнечной энергетике был сделан Александром-Эдмондом Беккерелем в 1839 году. Он открыл фотогальванический эффект, лежащий в основе современного солнечного элемента. С тех пор солнечные инновации и усовершенствования остаются в центре внимания научного сообщества и солнечной промышленности, поскольку они стремятся повысить эффективность солнечных панелей и увеличить выход энергии с течением времени.

  Ниже приводится краткий обзор основных достижений в области эффективности использования солнечной энергии за последние три десятилетия благодаря новой технологии солнечных панелей.

  • 1992: 1992: Университет Южной Флориды производит 15,89% Эффективного тонкопленочного клетка
  • 2012: Solar Frontier достигает 17,8% Эффективность
  • 2015: Первый солнечный CDTE Thin Pline Technology достигает 18,6%
  • 2015: NOARARCITY HITS 22.04% КПД
  • 2015: 72-клеточный прототип Panasonic 70030
  • 2015 гг.
  • 2015: Солнечная сила достигает 22,8% Эффективность с его панелью X22
  • 2016: Швейцарский центр для Электроника и микротехнологии и Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии набрали 29 баллов. КПД 8%
  • 2016:  Исследователи Университета Южного Уэльса достигают эффективности 34,5%
  • 2017:  Университет Джорджа Вашингтона и военно-морские исследования достигают эффективности солнечных элементов 44,5%
  • 20188 верхний предел эффективности 66%

  Чтобы было ясно, большинство этих высоких рейтингов эффективности наиболее эффективных солнечных панелей достигаются в лабораторных условиях и пока невозможны в промышленных масштабах из-за высоких производственных затрат.

  Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии отслеживает повышение эффективности исследовательских ячеек для различных технологий солнечных панелей, и это показывает продолжающуюся ступеньку улучшений с течением времени:

  Эффективность солнечных панелей с течением времени достигла долгий путь благодаря неустанным усилиям производителей солнечных панелей и ученых. Эти постоянные улучшения эффективности солнечных панелей полезны для окружающей среды, поскольку они снижают нашу зависимость от электроэнергии, вырабатываемой из ископаемого топлива, и передают еще больше энергии в сеть. Чистая энергия, которую они производят, помогает уменьшить нашу зависимость от ископаемого топлива, а также помогает бороться с выбросами парниковых газов.

  Почему современные солнечные панели более эффективны?

  Существуют две основные причины, по которым современные солнечные панели более эффективны: достижения в исследованиях и используемые материалы.

  Исследования в области солнечной энергетики

  Стремление повысить эффективность использования солнечной энергии стимулирует разработку новых технологий солнечных панелей, поскольку эти значительные прорывы в улучшении систем солнечной энергии продолжаются в центрах исследований солнечной энергии по всему миру.

  Ведущие исследовательские центры, такие как Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии и Швейцарский центр электроники и микротехнологий, используют свои ресурсы, технологии и опыт для проведения экспериментальных исследований, которые помогут разработать мощные солнечные панели будущего.

  Усовершенствования материалов

  Кремний был предпочтительным полупроводниковым материалом для производства солнечной энергии, и производители использовали кремний на протяжении десятилетий, потому что солнечные элементы, изготовленные из него, недороги, высокоэффективны и долговечны.

  Исследователи солнечных панелей продолжают искать новые способы повышения эффективности кремния, включая создание ультратонких кристаллических слоев, усовершенствованные производственные процессы, удаляющие силиконовую пыль с солнечных элементов, и методы выращивания нового поколения. Эти современные методы привели к резкому повышению эффективности солнечной энергии, о которой мы говорили ранее в статье.

  Помимо силикона, продолжающиеся эксперименты с более эффективными материалами, такими как перовскит, и включение различных солнечных технологий в процесс проектирования в совокупности создали потенциал для еще более высокоэффективных панелей в будущем.

  Сравнение стоимости и ценности с оценкой эффективных солнечных панелей

  Средняя текущая эффективность солнечных панелей колеблется от 15% до 20%, но если вы хотите установить более эффективные панели, вы должны быть готовы платить больше.

  При проектировании системы солнечной энергии рассмотрите компромисс между затратами и выгодами между более высокой ценой более эффективных панелей и количеством дополнительной энергии, которую они производят, прежде чем делать эти инвестиции. Возможно, было бы более экономично просто установить еще несколько панелей с более низкой эффективностью по сравнению с модернизацией всех панелей до более высокой эффективности для производства того же количества энергии.

  Поскольку большинство клиентов покупают панели с КПД от 15% до 20%, большинство производителей по-прежнему производят большинство своих панелей в этом нормальном диапазоне эффективности. Тем не менее, некоторые обстоятельства могут потребовать установки высокоэффективных солнечных панелей, например, ограниченное пространство на крыше или сложная планировка крыши.

  Пространство на крыше

  Пространство на крыше может повлиять на количество устанавливаемых панелей. Если это пространство не может вместить количество низкоэффективных панелей, необходимых для выработки достаточного количества энергии для ваших нужд, установщики солнечных батарей могут использовать более эффективные панели за дополнительную плату.

  Схема крыши

  Конструкция вашей крыши также определяет необходимое количество жилых солнечных панелей и их расположение. Например, если область вашей крыши с большим пространством не имеет наклона для получения большого количества солнечного света, будет рассматриваться область с меньшим пространством. Это может привести к индивидуальной компоновке ваших солнечных панелей, что может увеличить ваш бюджет.

  Если у вас сложная планировка крыши, компания Palmetto может помочь вам определить конструкцию системы солнечных панелей , которая будет генерировать необходимое вам электричество.

  Будущее эффективности солнечных панелей

  Различные исследовательские центры работают над повышением эффективности солнечных панелей, экспериментируя с новыми материалами, такими как органические фотоэлектрические элементы, концентрационные фотоэлектрические элементы и квантовые точки. Производители также внедряют захватывающие новые технологии, которые двигают отрасль вперед, в том числе:

  • Интегрированные в здания фотоэлектрические панели
  • Солнечные батареи на основе перовскита
  • Плавающие солнечные фермы («floatovoltaics»)
  • Солнечные кожухи
  • Солнечная ткань
  • Солнечные батареи

  Солнечные фермы развертываются по всему миру, и исследования показывают, что в коммунальных условиях они могут производить больше электроэнергии по сравнению с установками, установленными на земле или на крыше, благодаря охлаждающему эффекту воды, который повышает их эффективность. Применение интегрированных в здание фотоэлектрических и солнечных панелей также демонстрирует, что будущее эффективности солнечной энергии выглядит радужным.

  Как повысить эффективность ваших солнечных панелей

  Солнечные панели предназначены для эффективной работы без каких-либо действий со стороны домовладельца. Тем не менее, вы можете обеспечить максимальную эффективность своих панелей, выполнив две простые задачи:

  1. Оберегайте солнечные панели от тени
  2. Регулярно очищайте свои панели (Подробнее о Очистка солнечных панелей )

  Вы можете также помогите обнаружить возможные проблемы с эффективностью вашей системы солнечных батарей, отслеживая ее производительность с помощью мобильного приложения, такого как Palmetto App , и записываясь на плановое техническое обслуживание, такое как Palmetto Protect .Если производительность ваших панелей ухудшилась, Palmetto может посоветовать вам, какие шаги вы можете предпринять, чтобы вырабатывать электроэнергию, необходимую вашему дому.

  Основные выводы

  Повышение средней эффективности солнечных панелей остается ключевым фактором развития отрасли солнечных панелей. Повышение эффективности является хорошей новостью для всех, кто участвует в Новой революции в сфере коммунальных услуг , поскольку это означает, что мы можем обеспечивать наши дома и предприятия энергией, используя больше солнечных лучей и меньше ископаемого топлива.

  Поскольку эффективность солнечной панели зависит от материалов, проводки, отражательной способности, возраста и температуры, исследователи используют все возможные пути для улучшения этих факторов, чтобы можно было более эффективно производить больше электроэнергии.

  В Palmetto мы используем одни из самых эффективных солнечных панелей на рынке, чтобы максимизировать выработку солнечной энергии. Мы знаем, что для вас важна экономия денег на счетах за коммунальные услуги и помощь в сохранении планеты, а это значит, что мы поможем вам создать наилучшую систему солнечных батарей для вашего дома.

  Заинтересованы в установке эффективных солнечных панелей на крыше? Узнайте, сколько вы могли бы сэкономить с помощью нашего инструмента оценки экономии  сегодня!

  Мировой рекорд на солнечных батареях | Солнечные панели Best

  Tvn Phph Prung Sakdi / EyeEmGetty Images

  • Новая солнечная панель достигла эффективности 47 процентов в лаборатории и почти 40 процентов в полевых условиях.
  • Эта панель превосходит типичные панели благодаря объединению шести видов коллекторов в одну микротонкую поверхность.
  • Исследователи говорят, что та же самая технология может быть настроена для достижения полной 50-процентной эффективности.

  ---

  Новый вид солнечной технологии установил мировой рекорд по наиболее эффективной выработке энергии солнечным элементом. Благодаря наложению шести различных фотоактивных слоев рекордная многопереходная ячейка достигла почти 50-процентной эффективности в лаборатории и почти 40 процентов в реальных условиях «одного солнца».

  Нужно распаковать немного жаргона, прежде чем мы действительно поймем, насколько это важно.Во-первых, многопереходная ячейка — это просто ячейка солнечного коллектора, в которой используется более одного «перехода» или слоя , солнечной технологии. Поскольку солнечный свет охватывает такой широкий диапазон длин волн, различные типы приемников способны улавливать световые волны разной длины, чтобы охватить большую часть всего доступного спектра.

  Отдельные типы солнечной энергии могут иметь КПД, скажем, 8 процентов — это означает, что 92 процента солнечного света просто отражается, как и любая другая поверхность, но 8 процентов поглощаются и накапливаются в виде энергии.(Это просто математический пример: эффективность большинства панелей составляет от 15 до 18 процентов.) Комбинируя технологии шести различных солнечных элементов, исследователи в области солнечной энергетики могут многократно увеличить эту эффективность.

  Чем эффективнее технология в целом, тем больше мы можем уменьшить размер панели при сохранении того же производства энергии. Это может означать, что панели: дешевле для потребителей, обустраивающих свои дома, меньше по размеру, могут формироваться вокруг крошечных или сложных поверхностей и могут питать гораздо больше вещей.Представьте, если бы один галлон краски внезапно покрыл в пять раз больше площади или если бы за один прием пищи можно было накормить пятерых человек.

  Всего имеется 140 слоев из шести различных материалов для солнечных коллекторов. Несмотря на это, вся собирающая поверхность составляет одну треть толщины человеческого волоса. Исследовательская группа использовала различные полупроводники и тщательно расположила их так, чтобы максимально использовать полезную площадь поверхности всех 140 слоев. «Дальнейшее снижение последовательного сопротивления в этой структуре может реально обеспечить повышение эффективности более чем на 50 [процентов]», — говорят исследователи.

  Полупроводники относятся к типу, называемому III-V, который представляет собой семейство сплавов , изготовленных путем объединения элементов из группы III периодической таблицы с элементами из группы V. Фактически, элементы из групп III и V в основном известны в форма сплава.

  «Благодаря уникальным свойствам полупроводников соединений III-V они стали источником богатого мира науки, технологий и приложений», — говорится в отчете Национальной лаборатории Sandia за 2004 год .«Этот мир с научной точки зрения привел к 7 Нобелевским премиям по физике; и, что касается приложений, привело к тому, что мировой рынок чипов в 2001 году составил примерно 12 миллиардов долларов США, а в 2006 году, по прогнозам, он достигнет 31 миллиарда долларов США».

  Похоже, следующий нобелевский трюк III-V может заключаться в том, чтобы произвести революцию в эффективности солнечных батарей, установив мировой рекорд, который напрямую приведет к большему количеству возобновляемой энергии и большей плотности энергии в нестабильные глобальные времена.

  Кэролайн Делберт
  Кэролайн Делберт — писатель, редактор книг, исследователь и заядлый читатель.

  Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты. Вы можете найти дополнительную информацию об этом и подобном контенте на сайте piano.io.

  Прорыв

  британских компаний в области солнечной энергетики может привести к созданию самых эффективных панелей в мире к 2021 году | Производственный сектор

  На крышах британских домов к следующему лету может произойти прорыв в новой технологии солнечной энергетики с использованием кристалла, впервые обнаруженного более 200 лет назад, который поможет использовать больше солнечной энергии.

  Оксфордская технологическая компания надеется к концу года начать производство самых эффективных солнечных панелей в мире и стать первой, кто продаст их населению в течение следующего года.

  Oxford PV утверждает, что солнечные панели следующего поколения смогут генерировать почти на треть больше электроэнергии, чем традиционные солнечные панели на основе кремния, благодаря покрытию панелей тонким слоем кристаллического материала, называемого перовскитом.

  Прорыв станет первым значительным шагом вперед в производстве солнечной энергии с тех пор, как эта технология появилась в 1950-х годах, и может сыграть важную роль в преодолении климатического кризиса за счет увеличения доли экологически чистой энергии.

  Покрывая перовскитом традиционный элемент солнечной энергии, солнечная панель может увеличить выработку энергии и снизить общие затраты на чистое электричество, поскольку кристалл способен поглощать разные части солнечного спектра, чем традиционный кремний.

  Обычно кремниевый солнечный элемент способен преобразовывать до 22% доступной солнечной энергии в электричество. Но в июне 2018 года солнечный элемент Oxford PV на основе перовскита на кремнии превзошел самый эффективный солнечный элемент, состоящий только из кремния, установив новый мировой рекорд — 27.3%.

  Панели с перовскитовым покрытием также выглядят иначе. Вместо синего оттенка, который обычно ассоциируется с традиционными силиконовыми панелями, панели Oxford PV будут выглядеть черными и лучше сочетаться с шифером на крыше.

  Минерал перовскит, также известный как кристаллический титанат кальция, был впервые обнаружен русским минералогом в Уральских горах в 1839 году. кристаллическую структуру перовскита, но которые способны генерировать больше возобновляемой электроэнергии при меньших затратах.

  Доктор Крис Кейс, главный технический директор Oxford PV, сказал, что использование перовскита представляет собой «настоящую перемену» в солнечной технологии, которая практически не изменилась с тех пор, как в 1950-х годах были разработаны панели на основе кремния.

  «Кремний достиг своего пика возможностей», — сказал он. «Есть остаточные улучшения, которые необходимо сделать, и стоимость производственных возможностей, но с точки зрения производительности это на пределе эффективности. Материал перовскит является чем-то совершенно инновационным для солнечной энергетики.

  В 2010 году компания получила финансирование в размере 100 000 фунтов стерлингов от правительства Великобритании, а затем привлекла инвестиции в акционерный капитал норвежского нефтяного гиганта Equinor, Legal & General Capital и китайского гиганта возобновляемой энергетики Goldwind.

  Фрэнк Авердунг, исполнительный директор Oxford PV, сказал, что компания сможет опередить своих конкурентов в разработке первых коммерчески доступных солнечных панелей, в которых используется перовскит для улучшения солнечной генерации.

  «Конечно, есть и другие компании, работающие с перовскитом, и эти другие компании в конечном итоге будут заниматься коммерческой деятельностью, но ни одна из этих компаний не занимается сочетанием кремния и перовскита так, как мы», — сказал он.

  В эту статью были внесены изменения 19 августа 2020 г., чтобы лучше описать перовскит.

  Яркое будущее солнечной энергетики

  Эмили Керр
  фигурки Абагейл Буррус

  Каждую секунду Солнце излучает на Землю достаточно энергии, чтобы удовлетворить потребности человечества в энергии более чем на два часа. Учитывая легкодоступность и возобновляемость, солнечная энергия является привлекательным источником энергии. Однако по состоянию на 2018 год менее двух процентов мировой энергии приходилось на солнечную энергию.Исторически сбор солнечной энергии был дорогим и относительно неэффективным. Однако даже это скудное использование солнечной энергии является улучшением по сравнению с предыдущими двумя десятилетиями, поскольку количество энергии, получаемой от солнечной энергии, во всем мире увеличилось более чем в 300 раз с 2000 по 2019 год. на солнечную энергию за счет снижения затрат, а новые технологические разработки обещают увеличить использование солнечной энергии за счет дальнейшего снижения затрат и повышения эффективности солнечных панелей.

  Солнечные элементы: стоимость, проблемы и конструкция

  За последние 20 лет расходы, связанные с солнечными батареями, конструкциями, способными преобразовывать световую энергию в электричество, неуклонно снижались. Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии, лаборатория правительства США, изучающая технологию солнечных батарей, оценивает вклад в повышение доступности солнечной энергии. По их оценкам, реальные затраты, затраты на физическое оборудование солнечных батарей и косвенные затраты, которые включают оплату труда или затраты на получение необходимых государственных разрешений, примерно равны (рис. 1).Мягкие затраты снизились, потому что появилось больше потенциальных потребителей и больше специалистов по установке новых солнечных элементов, поэтому компании могут производить солнечные элементы оптом и легко их устанавливать. Затраты на «железо» составляют менее половины того, что было в 2000 году, в основном из-за снижения материальных затрат и увеличения способности клеток улавливать свет. Разработка более экономичных и эффективных солнечных элементов потребовала тщательного изучения физики, связанной с улавливанием солнечной энергии, в дополнение к инновационному дизайну.

  Рисунок 1: Затраты, связанные с солнечной энергией. Солнечные элементы становятся менее дорогими, когда стоимость рабочей силы и материалов, используемых для их создания, снижается или когда они лучше превращают входящий свет в электричество.

  Поскольку солнечные элементы используются для преобразования света в электричество, они должны состоять из материала, способного улавливать энергию света. Этот материал может быть зажат между двумя металлическими пластинами, которые передают электричество, полученное из энергии света, туда, где оно необходимо, например, к светильникам в доме или машинам на фабрике (рис. 2).Выбор правильного материала для улавливания света включает измерение разницы между двумя энергетическими уровнями, называемыми валентной зоной и зоной проводимости. Валентная зона с более низкой энергией заполнена множеством маленьких отрицательно заряженных частиц, называемых электронами, но зона проводимости с более высокой энергией в основном пуста. Когда электроны сталкиваются с частицами света, называемыми фотонами, они могут поглотить достаточно энергии, чтобы перепрыгнуть из низкоэнергетической зоны проводимости в высокоэнергетическую валентную зону. Оказавшись в валентной зоне, дополнительная энергия электрона может быть собрана в виде электричества.Это как если бы электроны сидели у подножия холма (зона проводимости) и сталкивались с фотоном, который давал им энергию для прыжка на вершину (валентная зона).

  Количество энергии, необходимое электронам для перехода в валентную зону, зависит от типа материала. По сути, размер метафорического холма варьируется в зависимости от свойств данного материала. Размер этого энергетического разрыва имеет значение, потому что он влияет на то, насколько эффективно солнечные элементы преобразовывают свет в электричество.В частности, если фотоны сталкиваются с электронами с меньшей энергией, чем требуется электрону для перехода из валентной зоны в зону проводимости, энергия света не захватывается. В качестве альтернативы, если у света больше энергии, чем необходимо для преодоления этого промежутка, тогда электрон захватывает именно ту энергию, которая ему нужна, а остаток тратит впустую. Оба этих сценария приводят к неэффективности сбора солнечной энергии, что делает важным выбор материала для солнечных элементов.

  Исторически наиболее популярным материалом для солнечных элементов был кремний (рис. 2).Одна из причин такой популярности заключается в размере зазора между кремниевой зоной проводимости и валентной зоной, поскольку энергия большинства легких частиц очень близка к энергии, необходимой электронам кремния для преодоления энергетической щели. Теоретически около 32% световой энергии можно преобразовать в электрическую с помощью кремниевого солнечного элемента. Это может показаться немного, но это значительно эффективнее, чем большинство других материалов. Кроме того, кремний недорог. Это один из самых распространенных элементов на Земле, и стоимость его переработки резко снизилась с 1980 года.Производство солнечных батарей и электроники способствовало снижению затрат на очистку, поскольку они изучили более совершенные методы массовой очистки, чтобы стимулировать спрос на солнечные элементы и бытовую электронику.

  Рис. 2: Улавливание энергии света солнечными элементами. Когда свет попадает на солнечный элемент, он заставляет электроны прыгать в зону проводимости, позволяя собирать световую энергию. Здесь желтые электроны (обозначенные e) движутся через атомы кремния (обозначенные Si) в солнечном элементе при попадании фотона.

  Помимо снижения материальных затрат, хитрые инженерные приемы приближают эффективность кремниевых солнечных элементов к их теоретическому максимуму. Чтобы фотоны преобразовались в энергию, они должны сначала столкнуться с электроном. Один из способов повысить вероятность столкновения фотонов и электронов заключается в том, что кремний в солнечных батареях образует микроскопические пирамиды. Когда свет поглощается пирамидой, он распространяется дальше, увеличивая вероятность того, что свет столкнется с электронами в кремнии, прежде чем покинуть ячейку.

  Придерживаясь аналогичной тактики, химики и ученые-материаловеды разработали антиотражающие покрытия для нанесения на переднюю часть солнечных элементов, чтобы предотвратить отражение полезного света обратно в космос без столкновения с электронами в солнечном элементе. Точно так же размещение отражателя на задней части солнечного элемента также позволяет собирать больше света. Свет, который достигает солнечного элемента и проходит весь путь до задней части, не задев электрон, отражается к передней части элемента, давая ячейке еще один шанс собрать свет.

  В настоящее время стоимость солнечных элементов на основе кремния продолжает снижаться, и, несмотря на прогнозы об обратном, стоимость самого кремния продолжает снижаться. Кремниевые солнечные элементы, вероятно, останутся популярными в течение следующих нескольких лет. Были разработаны альтернативы кремниевым солнечным элементам, но они еще недостаточно продвинулись, чтобы стать коммерчески жизнеспособными.

  Будущее солнечных батарей

    Чтобы превзойти существующие солнечные элементы, новая конструкция должна улавливать больше света, более эффективно преобразовывать световую энергию в электричество и/или быть менее дорогой в производстве, чем существующие конструкции.Производители и потребители энергии с большей вероятностью примут солнечную энергию, если энергия, которую она производит, такая же или менее дорогая, чем другие, часто невозобновляемые, формы электричества, поэтому любое улучшение существующих конструкций солнечных элементов должно снизить общие затраты, чтобы получить широкое распространение. .

  Первый вариант, добавляющий оборудование, позволяющее солнечным элементам улавливать больше света, на самом деле не требует отказа от существующих конструкций солнечных элементов. Электроника может быть установлена ​​с солнечным элементом, который позволяет ячейке отслеживать движение солнца по дневному небу.Если солнечный элемент всегда направлен на солнце, на него попадет гораздо больше фотонов, чем если бы он был направлен только на солнце около полудня. В настоящее время разработка электроники, которая может точно и последовательно отслеживать положение солнца в течение нескольких десятилетий по разумной цене, является постоянной проблемой, но инновации в этом направлении продолжаются. Альтернативой перемещению самого солнечного элемента является использование зеркал для фокусировки света на меньшем и, следовательно, более дешевом солнечном элементе.

  Еще один способ повысить производительность солнечных элементов — повысить их эффективность, чтобы они лучше преобразовывали энергию солнечного света в электричество.Солнечные элементы с более чем одним слоем светоулавливающего материала могут захватывать больше фотонов, чем солнечные элементы с одним слоем. Недавно протестированные в лаборатории солнечные элементы с четырьмя слоями могут улавливать 46% поступающей на них световой энергии. Эти элементы все еще в основном слишком дороги и сложны для коммерческого использования, но продолжающиеся исследования могут однажды сделать возможным внедрение этих сверхэффективных элементов.

  Альтернативой повышению эффективности солнечных батарей является простое снижение их стоимости.Несмотря на то, что обработка кремния за последние несколько десятилетий стала дешевле, она по-прежнему вносит значительный вклад в стоимость установки солнечных элементов. Использование более тонких солнечных элементов снижает материальные затраты. Эти «тонкопленочные солнечные элементы» используют слой материала для сбора световой энергии толщиной всего от 2 до 8 микрометров, что составляет всего около 1% от того, что используется для изготовления традиционных солнечных элементов. Подобно элементам с несколькими слоями, тонкопленочные солнечные элементы немного сложны в производстве, что ограничивает их применение, но исследования продолжаются.

  В ближайшем будущем кремниевые солнечные элементы, вероятно, продолжат снижаться в цене и будут устанавливаться в больших количествах. Ожидается, что в Соединенных Штатах это снижение затрат приведет к увеличению производства солнечной энергии как минимум на 700% к 2050 году. Между тем, исследования альтернативных конструкций более эффективных и менее дорогих солнечных элементов будут продолжаться. Через несколько лет мы, вероятно, увидим, что альтернативы кремнию появятся на наших солнечных фермах и крышах, помогая обеспечить чистые и возобновляемые источники энергии.Эти улучшения стали и будут возможными за счет увеличения объемов производства солнечных элементов и новых технологий, которые делают элементы более дешевыми и эффективными.

  ---

  Эмили Керр, аспирант кафедры химии и химической биологии.

  Абагайль Буррус учится на третьем курсе органической и эволюционной биологии, изучает развитие элайофоров.

  Для получения дополнительной информации:

  Эта статья является частью нашей серии SITN20, написанной в ознаменование 20-летия SITN, посвященного наиболее заметным научным достижениям последних двух десятилетий.