Телевизор 

Коэффициент полезного действия солнечных батарей. Перечень самых эффективных солнечных батарей

Кристаллическая решетка перовскита CH3NH3PbI3

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

Ежедневно на нашу планету поступают миллиарды киловатт солнечной энергии. Люди уже давно начали использовать эту энергию для своих нужд. С течением прогресса для преобразования энергии солнечного света стали использовать солнечные батареи. Но эффективны ли эти приборы? Сколько составляет КПД солнечных батарей, и от чего он зависит? Каков их срок окупаемости и как можно вычислить рентабельность использования солнечных батарей? Эти вопросы волнуют каждого, кто планирует или уже решил приобрести солнечные панели, поэтому этой актуальной теме посвящена настоящая статья.

Давайте вкратце разберем, на чем основан принцип действия солнечных панелей. В основе лежит физическое свойство полупроводников. Вследствие выбивания фотонами света электронов с внешней орбиты атомов, образуется достаточно большое количество свободных электронов. После замыкания цепи и возникает электрический ток. Но, как правило, одного-двух фотоэлементов для получения достаточной мощности не хватает, поэтому, в состав солнечных модулей чаще всего входит несколько солнечных батарей. Чем больше фотоэлементов соединяют вместе, то есть чем больше площадь солнечных панелей, тем больше и производимая ими мощность. Помимо площади панелей ощутимое влияние на производимую мощность оказывают интенсивность солнечного света и угол падения лучей.

Разбираем понятие КПД

Значение КПД панели получают путем деления мощности электрической энергии на мощность солнечного света, падающего на панель. На сегодняшний день среднее значение этого показателя на практике составляет 12-25%, в теории же эта цифра приближается к 80-85%. В чем же причина такой большой разницы? В первую очередь, это зависит от используемых для изготовления солнечных панелей материалов. Как уже известно, основной элемент, входящий в состав панелей, это кремний. Один из главных недостатков этого вещества – способность поглощать лишь инфракрасное излучение, то есть энергия ультрафиолетовых лучей тратится впустую. Поэтому одно из основных направлений, в котором работают ученые, пытающиеся увеличить КПД солнечных панелей – это разработка многослойных модулей.

Многослойные батареи представляют собой конструкцию, состоящую из слоев различных материалов. Их подбирают в расчете на кванты разной энергии. То есть один слой поглощает энергию зеленого цвета, второй – синего, третий – красного. В теории различные комбинации этих слоев могут дать значение КПД 87%. Но это, к сожалению, лишь теория. Как показывает практика, изготовление подобных конструкций в производственных масштабах очень трудоемкое занятие, да и стоимость таких модулей очень высока.

На КПД солнечных модулей влияет и вид используемого кремния. Панели, изготовленные из монокристаллического кремния, имеют более высокий коэффициент полезного действия, нежели панели из поликристаллического кремния. Но и цена монокристаллических батарей выше.

Основное правило: при более высоком КПД для генерации электроэнергии заданной мощности потребуется модуль меньшей площади, то есть в состав солнечной панели будет включено меньшее количество фотоэлементов.

Как быстро окупятся солнечные батареи?

Стоимость солнечных батарей сегодня достаточно высока. А с учетом небольшого значения КПД панелей, вопрос их окупаемости очень актуален. Срок службы батарей, работающих от солнечной энергии, составляет порядка 25 и более лет. О том, чем обусловлен столь долгий срок эксплуатации, мы поговорим чуть позже, а пока выясним озвученный выше вопрос.

На срок окупаемости влияют:

  • Тип выбранного оборудования. Однослойные фотоэлементы имеют более низкий КПД в сравнении с многослойными, но и гораздо меньшую цену.
  • Географическое положение, то есть чем больше солнечного света в Вашей местности, тем быстрее окупится установленный модуль.
  • Стоимость оборудования. Чем больше средств Вы потратили на приобретение и монтаж элементов, входящих в состав солнечной системы энергосбережения, тем длиннее срок окупаемости.
  • Стоимость энергоресурсов в Вашем регионе.

Средние цифры срока окупаемости для стран Южной Европы составляют 1,5-2 года, для стран Средней Европы – 2,5-3,5 года, а в России срок окупаемости равен примерно 2-5 годам. В ближайшем будущем эффективность солнечных батарей значительно увеличится, связано это с разработкой более совершенных технологий, позволяющих увеличивать КПД и снижать себестоимость панелей. А как следствие уменьшится и срок, в течение которого система энергосбережения на солнечной энергии окупит себя.

Сколько прослужат солнечные батареи?

В состав солнечных панелей не входят механические подвижные части, поэтому они достаточно надежны и долговечны. Как уже упоминалось выше, срок их службы составляет более 25 лет. При правильной эксплуатации они могут прослужить и 50 лет. Большим плюсом является то, что столь долгий срок службы обходится без крупных поломок, достаточно лишь систематически очищать зеркала фотоэлементов от пыли и других загрязнений. Это необходимо для лучшего поглощения энергии, а, следовательно, и для более высокого показателя КПД.

Долгий период службы является одним из главных критериев при принятии решения «приобретать или нет солнечные батареи». После того как батареи окупят сами себя, получаемая Вами электрическая энергия, будет абсолютно бесплатной. Даже если период окупаемости будет максимальным (порядка 6 лет), Вы как минимум 20-25 лет не будете платить за энергоресурсы.

Последние разработки, увеличивающие показатель КПД

Чуть ли не каждый день ученые по всему миру заявляют о разработке нового метода, позволяющего увеличить коэффициент полезного действия солнечных модулей. Познакомимся с самыми интересными из них. В прошлом году компания Sharp представила общественности солнечный элемент, эффективность которого составила 43,5%. Этой цифры они смогли добиться с помощью установки линзы для фокусировки энергии непосредственно в элементе.

Не отстают от компании Sharp и немецкие физики. В июне 2013 года они представили свой фотоэлемент площадью всего в 5,2 кв. мм, состоящий из 4-х слоев полупроводниковых элементов. Такая технология позволила добиться КПД в 44,7%. Максимальная эффективность в данном случае также достигается за счет помещения вогнутого зеркала в фокус.

В октябре 2013 года были опубликованы результаты работ ученых из Стэнфорда. Они разработали новый жаропрочный композит, способный увеличить производительность фотоэлементов. Теоретическое значение КПД составляет около 80%. Как мы писали выше, полупроводники, в состав которых входит кремний, способны поглощать лишь ИК-излучение. Так вот действие нового композитного материала направлено на перевод высокочастотного излучения в инфракрасное.

Следующими стали английский ученые. Они разработали технологию, способную увеличить эффективность элементов на 22%. Они предложили на гладкой поверхности тонкопленочных панелей разместить наношипы из алюминия. Этот металл был выбран по причине того, что солнечный свет им не поглощается, а, наоборот, рассеивается. Следовательно, увеличивается количество поглощаемой солнечной энергии. Отсюда и рост производительности солнечной батареи.

Здесь приведены лишь основные разработки, но дело ими не ограничивается. Ученые борются за каждую десятую долю процента, и пока им это удается. Будем надеяться, что в ближайшем будущем показатели эффективности солнечных батарей будут на должном уровне. Ведь тогда и выгода от использования панелей будет максимальной.

Статью подготовила Абдуллина Регина

В Москве уже применяют новые технологии освещения улиц и парков, я думаю, там экономическая эффективность была просчитана:

    • – не новое изобретение. Уже больше полувека человечество использует излучение солнца для снабжения электроэнергией самых разных приборов и устройств. Тем не менее, аккумуляторы такого типа до их пор не получили повсеместного распространения и не вытеснили с рынка другие энергоносители. Одна из причин этого – не всегда достаточная эффективность работы солнечных панелей.

    Солнечной панелью или батареей называют устройство, способное перерабатывать энергию, содержащуюся в солнечном излучении, в электричество.

    зависит от многих факторов:

    • материалы;
    • погодные условия;
    • тип батареи.

    Стандартной эффективностью солнечных панелей, широко используемых для личных нужд, считается величина примерно равная 20%. У некоторых типов устройств этот показатель будет выше, у некоторых - ниже. Но среднее значение таково. Эта величина показывает, какой процент от попавшего на аккумулятор света был переработан в электроэнергию.

    Конечно, это весьма приблизительное определение, но в целом верное. В лабораториях уже были созданы батареи с эффективностью в 50 и даже 100%. Но пока что это только опытные образцы.

    Кремниевые панели

    Идеальная эффективность работы солнечных панелей, в которых в качестве полупроводника используется чистый кремний, равна 34% от всего полученного света. При этом необходимо иметь ввиду, что в условиях недостаточной освещенности, при рассеянном свете батареи уловят меньше света, и количественный показатель этих 34% уменьшится.

    • кремниевые панели хорошо проявляют себя при ярком свете, но малоэффективны при рассеянном.
    • Поликристаллические обладают меньшим КПД, но хорошо проявляют себя в условиях недостаточной освещенности.
    • (тонкопленочные) панели также достаточно эффективны при рассеянном свете.

    Гибридные панели

    КПД кремниевых устройств сравнительно невысок, так как они могут получать энергию только в красной части спектра. Энергия же синего, самого энергетически насыщенного фотона, остается неиспользованной. Ученые во всем мире активно работают над решением этой задачи.

    Один из предложенных вариантов – использование ароматического углерода пентацена и химического соединения PbS. Это сочетание позволяет получать большее количество электронов и, как следствие, вырабатывать больше энергии.

    Самые эффективные солнечные панели - многослойные ячейки, в которых каждый слой выполняет свою задачу. Эффективность этих батарей может достигать 87%. Но в массовом производстве эти технологии пока не используются. С увеличением количества слоев увеличивается и стоимость аккумулятора. Для достижения 87% КПД придется сделать очень дорогую солнечную батарею.

    Весьма перспективны устройства, в основе которых есть минерал перовскит. Сейчас они менее эффективны, чем кремниевые, но это в большей степени связано с новизной технологии. Имеющиеся результаты испытаний позволяют предположить, что в будущем они способны занять первое место на рынке альтернативной энергетики.

    Эффективность солнечных батарей напрямую зависит от их расположения. Они должны быть обращены на юг рабочей поверхностью и наклонены под углом, равным широте той точки, на которой находятся. Панели нельзя ставить так, чтобы на них падала тень от соседнего здания, например.

    Проблема, с которой можно столкнуться зимой – снег, закрывающий рабочую поверхность. Вариантов решения здесь, в общем-то, немного: либо чистить вручную, либо менять угол наклона. Полезное устройство, способное увеличить КПД аккумуляторов – трекер, поворачивающий панель следом за солнцем.

    Важно следить за тем, чтобы система не сильно нагревалась, так как перегрев ослабляет фотоэффект. Этого можно избежать, установив вентилируемый аккумулятор. Пыль на рабочей поверхности также снижает количество выработанной энергии. Протирать систему нужно не реже, чем каждые два года.

    Самые эффективные солнечные батареи для дома сегодня — это не что-то сверхнеобычное и новое, а просто отличный альтернативный источник энергии. Но чем больше устройств такого типа появляется на рынке, тем чаще люди задаются вопросом: а какое из них стоит выбрать? Эффективность какой солнечной панели максимально высокая? Но для каждого это понятие звучит словно по-разному, так как характеризуется оно целым рядом отдельных потребностей, об этом и будем говорить дальше.

    Начнем с того, что главным вопросом должен быть не «Какие естьсамые эффективные солнечные панели?», а «Где оптимальное сочетание цены и качества? » Скажем, на крыше вашего дома или предприятия имеется свободное пространство, на котором можно поместить около десятка солнечных панелей, а сами вы предстали перед выбором: покупать устройства с первым классом энергоэффективности, то есть «А», или отдать предпочтение более дешевым, но менее эффективным панелям класса «В»? Возможно, ответ вас удивит, но более целесообразным в большинстве случаев будет как раз второй вариант. Если говорить проще, то основная наша задача заключается сейчас в том, чтобы определить, какой из солнечных источников энергии наиболее выгодно использовать в той или иной ситуации.

    Модели самых энергоэффективных солнечных батарей

    • Sharp . Показатель эффективности у моделей данной фирмы составляет 44,4 %. Производитель Sharp считается абсолютным мировым лидером по производству солнечных панелей. Эти устройства довольно сложно устроены, солнечные модули здесь трехслойные, на разработку технологии их создания производители потратили несколько лет, за такой период проведя множество исследований и испытаний собственной продукции. Есть и другие, упрощенные модели. Технология создания некоторых панелей Sharp обеспечивает им КПД величиной 37,9 %, что тоже немало. Цена устройств ниже за счет того, что в них не используются технические приспособления для концентрации солнечного света на модуль.
    • Панели от испанского исследовательского института (IES) . Эффективность их работы составляет 32,6 %. Такие современные солнечные батареи с высоким КПД представляют собой устройства с двухслойными модулями, стоимость такого энергоисточника по сравнению с предыдущим производителем низкая, но для обычных жилых домов все равно это чересчур дорого и в каком-то роде бессмысленно.

    На самом деле этот список можно продолжать долго, беря во внимание все более и более дешевые модели с понижающимся показателем КПД. Но все остается стандартно: высокая эффективность — соответствующая цена, низкая эффективность — стоит дешево. Случается, что по бешеной стоимости предлагают довольно простенькие модели, вы заметите это при выборе, но вернемся к нашей теме.

    Знаменитые фирмы по выпуску солнечных модулей

    Бытует мнение, что сегодня изучению работы солнечных панелей посвящается все меньше времени, а на передний план вышло исследование неких фотоэлементов, которые являются главными составными любой альтернативной батареи. Но в этом и суть, что никого не заинтересуют панели со слабыми солнечными модулями, на это ведь в первую очередь обращают внимание большинство покупателей. На давно устоявшемся рынке этих самых модулей уже определились лидеры, стоит сказать и о них.

    1. Одними из первых вспомним устройства, имеющие КПД 36 %, их выпускает фирма Amonix , продукция которой есть практически в каждом магазине с товарами такого рода. Для бытовых целей подобные модули фирмы Amonix обычно не применяются, так как производят их с использованием специальных концентрирующих устройств.
    2. Нельзя пройти мимо солнечных модулей с показателем энергоэффективности 21,5 %, их производителем является известная американская марка Sun Power , существующая на рынке уже довольно давно. В какой-то степени этому предприятию удалось установить своеобразный рекорд эффективности. Например, модель Sun Power SPR-327NE-WHT-D была признана лучшей после полевых испытаний. Причем следующие две позиции в рейтинге списка лучших тоже заняла продукция этой фирмы.
    3. Вспомним и о тонкопленочных модулях с КПД 17,4 % - продукт от Q-Cells . Устройства этой немецкой компании в какой-то момент перестали быть популярными и востребованными, Q-Cells разорилась, но потом ее выкупило корейское предприятие Hanwha и сегодня модули марки снова набирают обороты в плане продаж.
    4. Движемся дальше, то есть к солнечным модулям с меньшей эффективностью. 16,1 % нам дают устройства от First Solar , их производят на основе особенного кадмий-теллурового преобразования. На жилых домах приспособления такого типа не устанавливают, однако это ни в коей мере не влияет на обороты компании, а они очень широкие. First Solar в большей степени популярна на американском рынке: сама компания родом из США. Модули данного бренда используются во многих отраслях промышленности, так что фирма имеет отличные обороты и получила всеобщее признание, ведь создает реально надежный продукт.
    5. В качестве последнего из примеров здесь станут солнечные модули с КПД 15,5 % от фирмы под названием MiaSole . Устройства этой марки признаны лучшими среди гибких модулей. Да, именного такого типа устройства порой просто необходимы для установки в тех или иных сооружениях.

    Когда вы ищете мощные солнечные батареидля дома или большого производственного цеха, ориентируйтесь не только на соотношение цена/качество, но и на марку. Производителям, которые зарекомендовали себя как лучшие, стоит доверять в таких серьезных вопросах. Если вы не специалист в сборке и установке солнечных панелей, то с какой тщательностью к выбору ни подходи, исследовать каждую модель на прочность, долговечность, экономность и прочие параметры невозможно, поэтому лучше доверять имени.

    На сегодняшний день также было проведено множество экспериментов, их результаты однозначно смогут вам помочь. При поиске солнечных батарей ориентируйтесь также на собственные потребности и платежеспособность - ни к чему устанавливать на жилой дом устройство, разработка которого была сделана для НАСА.