Самые эффективные солнечные панели — обзор 2020 года

Распространенное мнение, что на КПД влияет только используемый в производстве материал и от него напрямую зависит мощность батареи, но это не совсем так. Существует несколько технологических нюансов.

Как оценивается КПД солнечных панелей

КПД — пусть не единственный, но все же ключевой параметр. Он показывает, какой процент солнечного света панель может трансформировать в электроэнергию. КПД измеряется в лабораторных условиях при следующих параметрах:

• Объем энергии солнечного света — 1000 Вт;
• Температура — 25 градусов;
• Рабочая площадь модуля — 1 м2
• Угол наклона панели — 30 градусов.

И если производитель указывает КПД в 17%, это значит, что при указанных выше условиях из 1000 Вт батарея демонстрирует выходную мощность в 170 Вт на м2.

Вообще, эталоном для кремниевых элементов является 20% КПД. Некоторым производителям удалось увеличить этот показатель за счет технологических решений, но в среднем полезное действие составляет 16-18%. При этом:

• Поликристаллические панели показывают 14-16%;
• Монокристаллические дотягивают до 17-20%.

Влияние КПД на эффективность очевидно — чем больше солнечной энергии может преобразовать модуль, тем выше мощность на выходе. Также очевидно, что при эксплуатации достичь лабораторных условий невозможно, поэтому фактический КПД часто отличается от заявленного.

Соединение и размеры пластин солнечных панелей

Солнечные панели состоят из многочисленных кремниевых пластин (36, 60, 72, 96 хотя возможно и другое количество). От размера и технологии соединения этих пластин напрямую зависит эффективность:

• Монокристаллические батареи, разделенные на 60 клеток, выдают до 19% КПД;
• Панели, разделенные на шинглы — прямые горизонтальные линии — демонстрируют от 17% до 19% КПД;
• 120-клеточная панель, в которой размер клетки уменьшен вдвое, позволяет повысить производительность до 20%;
• Новейшие батареи с IBC-структурой на 60 или 96 клеток выдают до 22% эффективности, что пока является рекордом.

При оценке соединения на первое место выходит количество шин или IBM. Шины — это вертикальные линии, проходящие сквозь всю панель, через которые передается выработанное электричество. Чем больше шин, тем меньше потерь при передаче. Наиболее эффективными на данный момент являются панели IBM 5 с 5-тью горизонтальными шинами.

Мощность солнечных батарей на квадратный метр

Альтернативный способ оценки эффективности солнечной панели — измерение производственной мощности на м2 или на 1 модуль (по стандарту — 1,6 м2). В этом случае покупатель получает не абстрактные проценты, а конкретное количество вырабатываемой энергии.

Мощность и КПД — взаимосвязанные величины и тестируются при одинаковых лабораторных условиях. Поэтому чтобы рассчитать мощность достаточно площадь умножить на КПД и на 1000 Вт (солнечное излучение при испытаниях). Например 1,6*20%*1000 = 320 Вт.

Однако производители добиваются и большей мощности при меньших КПД за счет оптимизации соединений и сокращении энергопотерь при передаче от фотомодуля непосредственно на распределительную коробку. Поэтому одинаковые по КПД панели могут на выходе давать разное количество энергии.

Обзор солнечных батарей

Солнце было и остается главным источником энергии на нашей планете в течение ближайших 5 млрд лет.

Сегодня материалом для фотоэлектрических элементов является кремний. Этот элемент широко распространен в природе в виде двуокиси (обыкновенного песка). Кремний добывают с помощью малоэффективного метода электродугового извлечения. Технология достаточно дорогая и несовершенная, так как из 1 тонны песка удается извлечь всего лишь 50-90 кг чистого кремния.

Солнечный элемент состоит из двух полупроводниковых кремниевых пластин. Наружная пластина имеет избыток электронов, в то время как внутренняя ощущает их недостаток. Солнце, воздействуя на внешнюю пластину, «организовывает» движение электронов во внутреннюю плоскость. Таким образом, возникает электрический ток в солнечном элементе. Чтобы увеличить мощность до приемлемой величины, элементы объединяют в панели, а те в свою очередь – в солнечные батареи.

Что выбрать?

Монокристалл

Преимущества:

• Продолжительный срок службы. Производители таких источников гарантируют, что их продукты прослужат минимум 25 лет.

Недостатки:
• Высокая стоимость. Эти элементы стоят ощутимо дороже других батарей, поэтому построение системы с их участием потребует больших капитальных вложений.

Поликристалл

Преимущества:
• Приемлемая стоимость. Менее затратный метод производства поликристаллических солнечных панелей, делает их стоимость гораздо привлекательней на мировом рынке.

Тонкопленочные батареи

Преимущества:
• Низкая себестоимость производства по отношению к модулям с моно-, и поликристаллами. Низкая себестоимость = низкая стоимость для конечного потребителя.

• Стойкость к нагреву. При высоких температурах, пленочные батареи сохраняют первоначальную производительность, благодаря чему их можно назвать стабильными и универсальными – подходящими для различного климата.

Недостатки:
• Требуют большей площади для установки
• Площадь покрытия. Требуется установить больше батарей для достижения запланированных мощностей электростанции. • Дополнительные затраты. Важно отметить, что содержание электростанции тонкопленочных элементов, это не только затраты на их приобретение, но и расходы связанные с покупкой опорных конструкций, кабеля и прочих расходных материалов.

Эффективность фотоэлементов и модулей

Мощность потока солнечного излучения на входе в атмосферу Земли (AM0), составляет около 1366 ватт [2] на квадратный метр (см. также AM1, AM1.5, AM1.5G, AM1.5D [3] , [4] ). В то же время, удельная мощность солнечного излучения в Европе в очень облачную погоду даже днём может [5] быть менее 100 Вт/м². С помощью наиболее распространённых промышленно производимых солнечных батарей можно преобразовать эту энергию в электричество с эффективностью 9—24 %. При этом цена батареи составит около 1—3 долларов США за Ватт номинальной мощности. При промышленной генерации электричества с помощью фотоэлементов цена за кВт·ч составит 0,25 долл. По мнению Европейской Ассоциации Фотовольтаики (EPIA), к 2020 году стоимость электроэнергии, вырабатываемой «солнечными» системами, снизится до уровня менее 0,10 € за кВт·ч для промышленных установок и менее 0,15 € за кВт·ч для установок в жилых зданиях. [6]

Сообщается, что в отдельных лабораториях получены солнечные элементы с эффективностью 43 % [7] . В январе 2011 года ожидается поступление на рынок солнечных элементов с эффективностью 39% [8] .

✅ Сколько нужно установить солнечных батарей на крыше своего дома, чтобы полностью отключиться от общей энергосети❓

Когда клиенты задают этот вопрос, я, в первую очередь, уточняю задачу, которую необходимо решить. С какими проблемами сталкиваются клиенты?

Один из вариантов запросов связан с частым отключением электроэнергии, например, в дачном или коттеджном поселке.

Решением в такой ситуации я порекомендую установить солнечную станцию, которая будет резервным источником электроэнергии во время отключений и не отключаться от общей сети. Как правило, достаточно будет солнечной станции 3 кВт — 5 кВт с аккумуляторами соответствующей емкости для того, чтобы переждать отключение. Такое решение будет оптимальным с точки зрения экономической эффективности. Дальше разберемся почему.

Другой вариант – когда нет общей энергосети на объекте или ее подключение затратно или затруднительно. И наконец, желание отключиться полностью по причине дорогих тарифов, некачественной работы и т.д. Здесь я приведу алгоритм расчёта полностью автономной солнечной станции. Итак, основные компоненты автономной солнечной станций – это солнечные батареи, инвертор и аккумуляторные батареи, в которых и будет накапливаться энергия, вырабатываемая нашими солнечными батареями. Для того чтобы правильно рассчитать емкость аккумуляторов, необходимо ответить на такие вопросы. Первое, что нужно понимать, это пиковая нагрузка. Для эксперимента, запишите показания счётчика и на один час включите все электроприборы. После того как пройдёт час, запишите получившиеся данные, потом от первоначальных данных отнимите полученные результаты. У Вас получится разница, которая покажет Вам пиковую нагрузку на будущую автономную станцию. К примеру, у Вас получилось 5 кВт/час – это означает, что Ваша станция должна в пиковый момент выдать Вам из своих резервов именно эту цифру. Далее, рассчитываем сколько электроэнергии Вам необходимо в день, проще всего взять Ваши квитанции за свет за последние 12 месяцев, суммировать количество кВт/час разделить на 365 дней в году и умножить на 1,2 (поправочный коэффициент, иногда за день потребляется энергии больше иногда меньше). Полученная цифра – это среднее кол-во кВт/час за день, допустим, что это 10 кВт/час.

Теперь рассчитываем автономную солнечную станцию.

Мы знаем, что в день мы потребляем 10 кВт/час электроэнергии, значит солнечные батареи, которые нам предстоит установить, должны каждый день собирать такое количество электроэнергии. Чтобы собирать столько электроэнергии в любой день года, независимо от сезона, мы должны установить станцию мощностью 10-12 кВт. Берём с запасом, потому что зимой очень мало солнца, а нам даже в самую снежную погоду необходимо собрать 10 кВт/час. Станция мощностью 10 кВт — это 37 панелей мощностью 270 Вт или 30 панелей мощностью 330 Вт. Первое значение получено, но это ещё не всё. Теперь нам нужно подобрать аккумуляторные батареи которые смогут принять в себя такое количество электричества. Если использовать аккумуляторы технологии AGM или Gel, ёмкостью 250 ампер/часов нам потребуется 8 устройств. Если же брать литий-железо-фосфатные (LiFePO₄) АКБ, их потребуется 4. Плюс «изюминка на тортик», для того, чтобы это всё работало корректно, необходимо подобрать инвертор, способный в пиковый момент преобразовать 5 кВт постоянного тока в переменный, а это очень непростая задача. Автономная станция с такими параметрами обойдется от 17 до 25 тысяч долларов США, в зависимости от выбранного оборудования, срок окупаемости составит от 12 лет.

Более эффективные решения, которые я предлагаю своим клиентам для решения этих задач, такие:

• разработку проектных решений;
• консультации и обсуждение технических заданий;
• поставку оборудования;
• услуги по монтажу и установке;
• пусконаладочные работы;
• гарантийное и сервисное обслуживание.

• Предлагаем комплексные инженерные решения любой сложности
• Минимальный опыт любого нашего сотрудника от 10 лет в отрасли
• За 5 лет мы реализовали более 100 проектов
• Устанавливаем сертифицированное оборудование с официальными гарантиями заводов-производителей
• Предоставляем сервисное и послегарантийное обслуживание
• Оптимальные цены на товары и услуги

Фотоэлектрические системы (коллекторы)

Основой фотоэлектрической системы являются солнечные элементы. Отдельно взятый солнечный элемент обычно небольшого размера и производит около 1-2 Ватт электроэнергии. Для увеличения объемов производства электричества солнечные элементы объединяют в более крупные блоки, которые называют модулями. Модули, в свою очередь, объединяют в батареи. Таким образом, можно построить фотоэлектрические системы практически любой требуемой мощности.

Фотоэлектрические системы можно разделить на две основные категории: плоские коллекторы и коллекторы с концентратором.

Модули и батареи, сами по себе, еще не являются фотоэлектрической системой. Для создания полноценной системы необходим каркас модулей и оборудование для конвертации постоянного тока в переменный. Также могут потребоваться аккумуляторы для хранения полученной электроэнергии. Все эти дополнительные компоненты называются компонентами «баланса системы» («balance of system» component – BOS).

Итак, фотоэлектрическая система – это солнечные модули и компоненты «баланса системы». Такие системы могут удовлетворить любые потребности в электроэнергии, будь то питание водяного насоса, освещение дома, или снабжение электроэнергией целого сообщества.

Системы с плоскими коллекторами.

Это самый распространенный тип фотоэлектрических систем. Такие системы могут быть фиксированными и подвижными. Эти системы работают как на прямом, так и на рассеянном солнечном свете. Даже при ясной погоде диффузный компонент солнечного света равен 10%-20% от суммарного солнечного излучения на горизонтальной поверхности. При переменной облачности рассеивается до 50% солнечного излучения. А в облачную погоду рассеивается 100% излучения.

Конструкция стандартного плоского коллектора

Простейшая солнечная батарея состоит из плоских панелей в фиксированном положении. Преимущество неподвижных солнечных батарей заключается в отсутствии движущихся частей, и относительно небольшом весе. Это позволяет устанавливать такие батареи в различных местах, включая крыши жилых домов. Но из-за неподвижного положения КПД батарей резко падает.

Коллекторы с концентратором.

Первоначальной целью разработки коллекторов с концентраторами было уменьшение числа используемых солнечных элементов, так как именно солнечные элементы являются самой дорогостоящей частью фотоэлектрической системы. В концентраторе используются сравнительно недорогие материалы (пластиковые линзы, металлический корпус) для сбора и фокусировки солнечного излучения на небольшой площади, где размещаются солнечные элементы. Мерой эффективности такого подхода является коэффициент концентрации.

Преимущества коллекторов с концентраторами перед плоскими коллекторами заключаются в следующем.
Системы с концентраторами производят больший объем энергии при меньшем числе используемых солнечных элементов. Дополнительным преимуществом является и то, что продуктивность солнечного элемента увеличивается при концентрированном свете. Степень увеличения КПД напрямую зависит от конструкции солнечного элемента и использованных материалов.

Также в таких системах можно использовать солнечные элементы меньшего размера.

Конструкция стандартного коллектора с концентратором

Тем не менее, существуют некоторые трудности в применении концентраторов. Концентрирующая оптика стоит намного дороже, чем обычная защитная пленка для плоских коллекторов. Также подавляющее большинство концентрирующих систем должно быть оснащено системой слежения за движением солнца в течение года.

Для концентрации солнечного света использовались как отражатели, так и линзы. Наиболее впечатляющие результаты были получены при использовании линзы Френеля. Эта линза состоит из отдельных примыкающих друг к другу концентрических колец небольшой толщины, которые в сечении имеют форму призм специального профиля. Линзы Френеля бывают кольцевыми и поясными. Первые направляют световой поток в каком-либо одном направлении. Поясные линзы посылают свет от источника по всем направлениям в определённой плоскости. К сожалению, ни одна линза не может пропускать 100% проходящего света. В лучшем случае пропускная способность составляет 90-95%, но на практике эта цифра оказывается еще меньше. К тому же, концентраторы не могут фокусировать рассеянный солнечный свет, который составляет около 20% солнечного излучения в ясный день.

Высокий коэффициент концентрации влечет проблему перегрева. Когда концентрируется избыточное количество излучения, вырабатывается тепло. КПД солнечного элемента при увеличении температуры падает, также высокая температура отрицательно сказывается на долговременной устойчивости элементов. Поэтому необходимо их охлаждать.

Реальные способы обогрева

Как вы поняли их вышесказанного, реализовать полноценное электрическое отопление дома солнечными батареями довольно сложно (и дорого). Далеко не каждый хозяин решится купить и установить панели на площади 100–150 м², дабы прогреть небольшой дом или дачу. Значит, схема электрокотел + водяная система + отопительные радиаторы отпадает.

Но идею обогрева солнечными модулями все же нельзя назвать утопией. Перечислим варианты, реализованные домовладельцами на практике:

• панели плюс инверторные кондиционеры с коэффициентом эффективности COP 3.5–4;
• подключение батарей напрямую к электрическим обогревателям без инвертора;
• строительство полноценной СЭС, продажа электроэнергии государству, вырученные средства идут на оплату традиционного отопления.

Дополнение. Применение панелей в качестве дополнительных источников энергии для основного отопления обсуждать нет смысла – это очевидное решение.

Начнем с третьего варианта, который интересен предпринимателям. В странах, где государством установлен так называемый зеленый тариф, домовладелец может получать электричество из возобновляемых источников и отдавать в общую энергетическую сеть, получая прибыль. То есть, домовладелец приобретает те же 200–300 солнечных панелей, но продает энергию по хорошей цене, а не расходует почем зря.

Большое количество батарей на крыше жилого дома не поместится, станцию большой мощности придется размещать на участке

Например, в Украине зеленый тариф превышает обычный в 3 раза (по состоянию на июнь 2019 г.). Необходимо выдержать 1 условие: минимальная производительность СЭС – 30 кВт. Строите электростанцию, поставляете энергию в сеть, а сами покупаете втрое дешевле.

Оставшиеся 2 варианта рассмотрим поподробнее.

Отопление кондиционерами

Способ основан на эффективности инверторных сплит-систем, доставляющих внутрь дома вчетверо больше тепла, чем затрачено электроэнергии. Как реализовать такое отопление:

1. Первым делом максимально снижаем теплопотери здания – утепляем стены, полы и крышу, устанавливаем энергосберегающие окна. Идеальный показатель теплопотребления для жилища 100 м² – 6 кВт.
2. Приобретаем 2 кондиционера с инверторными компрессорами, работающими при отрицательной уличной температуре. Суммарная производительность агрегатов должна равняться теплопотерям дома, в нашем случае – 6 кВт. Потребление таких «сплитов» не превысит 2 кВт.
3. Монтируем солнечную станцию, способную круглосуточно обеспечивать электричеством кондиционеры.
4. Для отопления в самые холодные сутки стоит установить любой традиционный источник тепла – котел, дровяную печь.

Видео в конце данного раздела подтверждает, что описанная схема вполне работоспособна. Один существенный минус: при отрицательной температуре эффективность кондиционеров резко снижается, без помощи котла не обойтись. В условиях умеренного и северного климата солнечные модули в одиночку не справятся.

Примечание. Большинство инверторных сплит-систем способны функционировать при морозе до —15 °C. Коэффициент эффективности COP снижается до 1.5–2 (тепла выделяется вдвое больше, чем потребляется электричества).

Использование местных обогревателей

Речь идет о значительном удешевлении системы в случае использования неприхотливых потребителей – обычных тепловентиляторов. Ввиду отсутствия инвертора к солнечным модулям придется подключать 12-вольтовые обогреватели (можно взять автомобильный либо сделать своими руками).

Как собрать солнечный генератор электроэнергии:

1. Устанавливаем нужное количество батарей с рабочим напряжением 12 вольт.
2. Соединяем их проводами 2.5 мм² согласно приведенной ниже схеме – без инвертора.
3. Подключаем нагрузку – маломощный тепловентилятор на 12 В.

Ниже на видео специалист подробно описывает все нюансы такого подключения. Способ годится для обогрева отдельных комнат тепловентиляторами 1–1.5 кВт. Отопить весь дом сложнее – нужно собирать несколько отдельных контуров с солнечными панелями, чтобы не увеличивать сечение проводов.

ОСОБЕННОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Для того чтобы устройство могло отдавать тепло как можно большей площади неба, ученые использовали полусферическую линзу из арсенида галлия (GaAs) и прозрачное для инфракрасного излучения окно из феррида бария (BaFe2 ), а также большое параболическое зеркало — последнее, образно говоря, фокусирует темноту. В фокусе зеркала находится выполненный из соединения ртути, кадмия и теллура фотодиод, эффективно излучающий фотоны в среднем инфракрасном диапазоне (на этих длинах волн атмосфера достаточно прозрачна). Вопрос с пополнением энергии для фотодиода ученые решили, обеспечив устройству тепловой контакт с нагретой за день поверхностью планеты при помощи радиатора, способного улавливать идущее с земли тепло, и металлической подложки, позволяющих восполнять дефицит энергии за счет теплопроводности.

Таким образом, днем фотодиод работает как солнечный фотоэлемент, а ночью остывает за счет испускания инфракрасных лучей прямиком в ночное небо. В результате его температура оказывается ниже, чем у подложки. Преобразование же разницы температур возложено на элемент Пельтье, давно известное полупроводниковое устройство. При пропускании электрического тока одна сторона его нагревается, а другая остывает (этот эффект используют в компактных холодильниках), и наоборот: при нагреве одной стороны и охлаждении другой, элемент Пельтье выдает электрическое напряжение. Расположив такое устройство в своей установке (подсоединив одну его часть к подложке, а другую — к фотодиоду), ученые смогли извлечь немного электроэнергии «из холода вселенной».

В проведенном эксперименте исследователи получили ничтожно малую мощность — 64 нановатта на квадратный метр поверхности. Этого мало даже для самых нетребовательных приборов. Но, во-первых, это все равно больше, чем ноль, а во-вторых, теоретические расчеты показывают, что мощность можно поднять вплоть до 4 ватт на квадратный метр. Это также гораздо меньше, чем у современных солнечных батарей (100–200 ватт на квадратный метр), но вполне достаточно для питания некоторых устройств.

В настоящее время авторы заняты поисками химических соединений для фотодиода, которые позволят сделать эффект отрицательной освещенности более выраженным. Интересно, что, по словам авторов разработки, технологию можно будет использовать не только для выработки электроэнергии ночью, но и для утилизации тепла, выделяющегося при работе различных механизмов, например станков на производстве.

Что ж, остается ждать, когда любую из вышеназванных разработок усовершенствуют, и она станет доступной для обычных пользователей.