Физици от Русия са подобрили ефективността на слънчевите клетки с 20%

Връзка на ефективността с материалите и технологиите

Как работят слънчевите панели? За принципа на полупроводниковите свойства. Светлината, която пада върху тях, произвежда електрони, които се намират във външната орбита на атомите с техните частици. Големият брой електрони създава потенциал на електрическия ток - в условията на затворена верига.

Един модул не е достатъчен, за да осигури нормалното количество енергия. Колкото повече са панелите, толкова по-ефективни са радиаторите, които предават електроенергията към батериите, където тя се съхранява. Поради тази причина ефективността на слънчевите панели зависи и от броя на инсталираните модули. Колкото повече са те, толкова повече слънчева енергия поглъщат и толкова по-голяма е тяхната мощност.

Възможно ли е да се увеличи ефективността на батерията? Такива опити са правени от създателите им, и то неведнъж. Възможно е в бъдеще да се произвеждат клетки, състоящи се от няколко материала и техните слоеве. Материалите са подбрани така, че модулите да могат да поглъщат различни видове енергия.

Например, ако един материал работи в ултравиолетовия спектър, а друг - в инфрачервения, ефективността на слънчевите клетки се увеличава многократно. Ако разсъждаваме теоретично, най-високата ефективност може да е около 90%.

Видът на силиция също оказва голямо влияние върху ефективността на всяка слънчева термална система. Неговите атоми могат да се произвеждат по различни начини и затова всички панели се разделят на три разновидности

• монокристали;
• поликристали;
• аморфни силициеви елементи.

Монокристалите се използват за производство на слънчеви клетки с коефициент на полезно действие около 20 %. Те са скъпи, защото имат най-висока ефективност. Поликристалите са много по-евтини, тъй като в този случай качеството на работата им е пряко свързано с чистотата на използвания при производството им силиций.

Елементите, базирани на аморфен силиций, се превърнаха в основа за производството на тънкослойни гъвкави слънчеви панели. Технологията на производството им е много по-проста, разходите им са по-ниски, но ефективността им също е по-ниска - не повече от 6 %. Те се износват бързо. Затова се добавят селен, галий и индий, за да се подобри експлоатационният им живот.

Използването на

Преносима електроника

За захранване с електричество и/или зареждане на батериите на различни електронни устройства, като калкулатори, плейъри, фенерчета и др.

Доставка на енергия за сгради

Слънчев панел на покрива

Големите слънчеви панели, както и слънчевите колектори, се използват широко в тропическите и субтропическите региони с много слънчеви дни. Те са особено популярни в средиземноморските страни, където се поставят на покривите.

От март 2007 г. насам новите къщи в Испания са оборудвани със слънчеви нагреватели за вода, които осигуряват между 30 и 70 % от нуждите от топла вода в зависимост от местоположението на къщата и очакваното потребление на вода. Нежилищните сгради (търговски центрове, болници и др.) трябва да имат фотоволтаично оборудване.

Понастоящем преминаването към слънчеви панели предизвиква много критики сред хората. Това се дължи на по-високите цени на електроенергията, които загрозяват природния пейзаж. Противниците на прехода към слънчеви панели критикуват прехода Този ход е критикуван от противниците на инсталирането на слънчеви панели. вятърни паркове и слънчеви панели и вятърните паркове получават субсидии от правителството, докато обикновените наематели не получават такива. Поради това Федералното министерство на икономиката на Германия е изготвило законопроект, с който в близко бъдеще ще бъдат въведени стимули за наемателите, живеещи в къщи, които се захранват с енергия от фотоволтаични системи или когенерационни инсталации. Освен субсидиите за собствениците на къщи, използващи алтернативни енергийни източници, се планира да се субсидират и наемателите, живеещи в тези къщи.

Използване в пространството

Слънчевите клетки са един от основните начини за генериране на електроенергия в космическите кораби: те работят дълго време, без да използват никакви материали, и са екологични за разлика от ядрените и радиоизотопните източници на енергия.

При полети далеч от Слънцето (отвъд орбитата на Марс) обаче използването им става проблематично, тъй като потокът слънчева енергия е обратно пропорционален на квадрата на разстоянието от Слънцето. От друга страна, при прелитане към Венера и Меркурий мощността на слънчевите клетки се увеличава значително (2 пъти повече в района на Венера и 6 пъти повече в района на Меркурий).

Медицински приложения

Южнокорейски учени са разработили подкожна слънчева клетка. Миниатюрният източник на захранване може да се имплантира под кожата на човек, за да се осигури непрекъсната работа на имплантирани в тялото устройства, като например пейсмейкър. Такава батерия е 15 пъти по-тънка от косъм и може да се зарежда дори когато върху кожата е нанесен слънцезащитен крем.

Какъв е коефициентът на ефективност

Така че ефективността на батерията е количеството капацитет, което тя действително произвежда, изразено в проценти. За да се изчисли, мощността на електрическата енергия трябва да се раздели на мощността на слънцето, което пада върху повърхността на слънчевите панели.

Понастоящем тази цифра варира между 12 и 25%. На практика обаче, предвид метеорологичните и климатичните условия, тя не надхвърля 15. Причината за това са материалите, използвани за производството на слънчевите клетки. Силицият, който е основната "суровина" за производството им, няма способността да абсорбира ултравиолетовия спектър и може да работи само с инфрачервено лъчение. За съжаление поради този недостатък губим енергия от ултравиолетовия спектър и не я използваме по полезен начин.

Влияние на различни фактори върху ефективността.

Повишаването на ефективността на соларните модули е главоболие за всички изследователи, работещи в тази област. Към днешна дата ефективността на тези устройства варира от 15 до 25%. Процентът е много нисък. Соларните панели са изключително капризно устройство, чието стабилно функциониране зависи от различни фактори.

Основните фактори, които могат да окажат двойно въздействие върху ефективността, включват:

• Основен материал на слънчевата клетка. Най-слаби в това отношение са поликристалните слънчеви клетки, чийто коефициент на полезно действие е до 15 %. Модулите на основата на индий-галий или кадмий-телур с ефективност до 20 % могат да се считат за обещаващи.
• Ориентация на приемника на слънчевия поток. В идеалния случай работната повърхност на соларните панели трябва да е обърната към слънцето под прав ъгъл. Те трябва да останат в това положение възможно най-дълго. За да се увеличи продължителността на правилното позициониране на модулите в зоната на слънцето, по-скъпите еквиваленти имат устройство за проследяване на слънцето, което завърта батериите в зависимост от движението на слънцето.
• Прегряване на инсталациите. Повишената температура оказва отрицателно въздействие върху производството на електроенергия, така че по време на монтажа трябва да се осигури достатъчна вентилация и охлаждане на панелите. Това се постига чрез осигуряване на вентилирана междина между панела и монтажната повърхност.
• Засенчването от какъвто и да е обект може сериозно да наруши ефективността на цялата система.

Ако спазите всички изисквания и ако е възможно, инсталирате панелите на правилното място, можете да получите слънчеви панели с висока ефективност. Тя е висока, а не максимална. Фактът, че изчислената или теоретичната ефективност е стойност, получена в лабораторни условия, средните параметри на светлата част на денонощието и броя на облачните дни.

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

Избор на слънчева енергия панели за вашия домСлънчевата термална система е много ефективно решение, така че е по-добре да се съсредоточим върху долната граница на капацитета, отколкото върху горната граница на капацитета. Чрез избора на соларни модули и всички компоненти, необходими за работа, можете да сте сигурни, че капацитетът на инсталацията ще бъде достатъчен. Като изберете долната граница на капацитета при изчислението, можете да спестите от закупуването на допълнителни панели, които се купуват като предпазна мярка в случай на недостиг на електроенергия.

Насърчителни перспективи за развитие.

До момента абсолютният рекорд за ефективност на слънчевата енергия е поставен от американски разработчици - 42,8 %. Тази стойност е с 2 % по-висока от предишния рекорд, поставен през 2010 г. Рекордното количество енергия е постигнато с разработването на слънчева клетка, изработена от кристален силиций. Уникалността на това проучване се състои във факта, че всички измервания са направени изключително при експлоатационни условия, т.е. не в лаборатория или оранжерия, а на самото място на предложената инсталация.

В същите технически лаборатории продължава работата за увеличаване на последния рекорд. Следващата цел на разработчиците е да определят границата за ефективност на соларните модули на 50 процента. С всеки изминал ден човечеството се приближава все повече до момента, в който слънчевата енергия ще замени напълно вредните и скъпи енергийни източници, които се използват в момента, и ще се изравни с такива гиганти като водноелектрическите централи.

Ефективност на различните видове слънчеви панели

Всички съвременни слънчеви панели работят на базата на физичните свойства на полупроводниците. Фотоните на слънчевата светлина, попадащи върху фотоволтаичните панели, изхвърлят електроните от външните орбити на атомите. В резултат на това те започват да се движат, което води до появата на електрически ток.

Отделните панели не могат да осигурят нормална мощност, затова те се комбинират в определен брой, за да образуват общ соларен масив. Колкото повече фотоволтаични клетки се използват в системата, толкова по-висока ще бъде изходната мощност.

Като се знае как работят панелите, може да се определи тяхната ефективност. Теоретично определението за ефективност е произведената мощност, разделена на мощността на слънчевата светлина, попадаща върху даден панел. На теория съвременните системи могат да произвеждат до 25%, но в действителност този показател е не повече от 15%. Много зависи от материала, от който са изработени панелите. Например широко използваният силиций може да абсорбира само инфрачервени лъчи, а енергията на ултравиолетовите лъчи не се възприема от него и се губи.

Понастоящем се работи по разработването на многослойни панели, което дава възможност да се произвеждат слънчеви панели с висока ефективност. Те са изградени от различни материали, подредени на няколко слоя. Те са подбрани по такъв начин, че да могат да улавят всички основни енергийни кванти. Това означава, че всеки слой от даден материал може да абсорбира един вид енергия.

Теоретично такива устройства могат да увеличат ефективността до 87%, но на практика технологията за производство на такива панели е доста сложна. Освен това цената им е много по-висока в сравнение със стандартните соларни системи.

Ефективността на соларния панел зависи до голяма степен от вида на силиция, използван във фотоволтаичните клетки. Всички панели, произведени от този материал, се разделят на три вида:

• Монокристални, с ефективност 10-15%. Те се считат за най-ефективни и цената им е значително по-висока от тази на другите устройства.
• Поликристалните панели имат по-ниска производителност, но цената им на ват е значително по-ниска. Когато се използват качествени материали, тези панели понякога са по-ефективни от монокристалните панели.
• Гъвкави тънкослойни панели на базата на аморфен силиций. Те са лесни за производство и с ниска цена. Ефективността на тези устройства обаче е много ниска - около 5-6%. Постепенно, по време на работа, тяхната производителност намалява, а ефективността става по-ниска.

Предимства

1. Поради факта, че панелите нямат движещи се части и елементи, издръжливостта им е по-голяма. Производителите гарантират експлоатационен живот от 25 години.
2. Ако се спазват всички рутинни дейности и правила за експлоатация, експлоатацията на такива системи продължава до 50 години. Поддръжката е съвсем проста - своевременно почистване на фотоклетките от прах, сняг и други естествени замърсявания.
3. Закупуването и инсталирането на панелите се определя от дълготрайността на системата. След като всички разходи бъдат възстановени, произведената електроенергия е безплатна.

Най-важната пречка пред широкото използване на такива системи е тяхната висока цена. При ниската ефективност на домашните слънчеви панели съществуват сериозни съмнения относно икономическата необходимост от този конкретен метод за производство на електроенергия.

Но отново е необходимо да се оцени капацитетът на тези системи и на тази основа да се изчисли очакваната възвръщаемост. Тя няма да замени напълно конвенционалната електроенергия, но е възможно да се реализират икономии и чрез соларни системи.

Освен това е трудно да не забележите ползите, като например:

• Получаване на електричество в най-отдалечените от цивилизацията райони;
• Автономност;
• Безшумност.

Недостатъци на слънчевата енергия

• Необходимостта от големи площи;
• Слънчевата електроцентрала не работи през нощта и не е достатъчно ефективна по здрач, докато пикът на потреблението на електроенергия е именно във вечерните часове;
• Въпреки екологичността на произвежданата енергия, самите фотоволтаични клетки съдържат токсични вещества като олово, кадмий, галий, арсен и др.

Слънчевите електроцентрали са критикувани заради високите си разходи, както и заради ниската стабилност на сложните оловни халогениди и токсичността на тези съединения. Активно се разработват безоловни полупроводници за соларни панели, като например такива на основата на бисмут и антимон.

Поради ниската си ефективност, която в най-добрия случай е 20 %, слънчевите панели се нагряват много. Останалите 80 процента от слънчевата енергия слънчевите лъчи нагряват слънчевите клетки до средна температура от около 55 °C. С температурата на фотоволтаичната клетка се увеличава с 1°, ефективността му спада с 0,5 %. Тази зависимост е нелинейна и повишаването на температурата на клетката с 10° води до намаляване на ефективността почти наполовина. Активните компоненти на охладителната система (вентилатори или помпи), които изпомпват хладилния агент, консумират значително количество енергия, изискват периодична поддръжка и намаляват надеждността на цялата система. Пасивните системи за охлаждане имат много малък капацитет и не могат да се справят с охлаждането на слънчевите панели.

Изчисляване на изпълнението

Използването на слънчева енергия и икономическата жизнеспособност на подобни концепции водят до повишаване на ефективността на всички системи за слънчеви панели. На първо място, разходите, свързани с преобразуването на превръщане на слънчевата енергия в електрическа.

Доколко рентабилни и ефективни са тези системи, се определя и от следните фактори.

• Видът на слънчевите панели и свързаното с тях оборудване;
• Ефективността на фотоволтаичните клетки и тяхната цена;
• Климатични условия. Активността на слънцето е различна в различните региони. Това се отразява и на срока на изплащане.

Как да изберете правилния капацитет

Преди да закупите панелите, е важно да знаете каква е ефективността на даден соларен панел.

Ако потреблението в дома ви е например 100 kW/месец (според електромера), препоръчително е слънчевите клетки да произвеждат същото количество.

Това е решено. Да продължим.

Ясно е, че слънчевата електроцентрала работи само през деня. Не само това, но и номиналната мощност ще бъде постигната, докато има ясно небе. Освен това максимална мощност може да се постигне, ако слънчевите лъчи попаднат върху повърхността под прав ъгъл.

С промяната на позицията на слънцето се променя и ъгълът на панела. Съответно при по-големи ъгли мощността ще намалее чувствително. Това важи само за ясен ден. При облачно време може да се гарантира намаляване на мощността от 15 до 20 пъти. Дори малък облак или мъгла водят до 2-3 пъти намаляване на мощността.

Това също трябва да се вземе предвид.

Как се изчислява времето за работа на панелите?

Работният период, в който батериите могат да работят ефективно с почти пълен капацитет, е приблизително 7 часа. От 9:00 до 16:00 ч. През лятото светлата част на денонощието е по-дълга, но производството на електроенергия в сутрешните и вечерните часове е много ниско - в рамките на 20-30%. Останалата част, около 70%, ще се генерира отново през деня, от 9 до 16 ч.

Така се оказва, че ако капацитетът на панелите е 1 kW, в най-летния и слънчев ден ден ще произведе 7 kWh на електроенергия. При условие че работят от 9 до 16 ч. Това са 210 kWh електроенергия на месец!

Това е комплект от панели. И един панел само със 100 вата? За едно денонощие тя ще ви осигури 700 вата/час. Това са 21 киловата на месец.

Как да направим един слънчев панел възможно най-ефективен

Ефективността на всяка слънчева система зависи от:

• Температурата;
• ъгълът на падане на слънчевите лъчи;
• състоянието на повърхността (тя винаги трябва да е чиста);
• метеорологичните условия;
• наличието или липсата на сянка.

Оптималният ъгъл на падане на слънчевите лъчи върху панела е 90°, т.е. прав. Вече има слънчеви системи, които са оборудвани с уникални устройства. С тях можете да наблюдавате положението на слънцето в пространството. Когато положението на Слънцето спрямо Земята се променя, ъгълът на Слънчевата система също се променя.

Постоянното нагряване на слънчевите клетки също оказва неблагоприятно въздействие върху тяхната ефективност. Когато енергията се преобразува, тя се разхищава в голяма степен. Поради тази причина между слънчевата термална система и повърхността, на която е монтирана, винаги трябва да се оставя малко пространство. Въздушните течения, които преминават през него, служат за естествен начин на охлаждане.

Чистотата на слънчевите панели също е важен фактор, който влияе върху тяхната ефективност. Ако са много замърсени, те събират по-малко светлина и следователно ефективността им намалява.

Правилният монтаж също играе важна роля. При монтажа на системата не трябва да се допуска падане на сянка върху нея. Най-подходящата страна за поставянето им е южната.

Ако се спрем на метеорологичните условия, можем да отговорим на популярния въпрос дали слънчевите панели работят при облачно време. Разбира се, че е така, защото електромагнитната радиация, излъчвана от Слънцето, достига до Земята по всяко време на годината. Разбира се, производителността (ефективността) на панелите ще бъде много по-ниска, особено в региони с изобилие от дъждовни и облачни дни всяка година. С други думи, те ще произвеждат електроенергия, но в много по-малки количества, отколкото в региони със слънчев и горещ климат.

Фактори, които влияят върху ефективността на фотоволтаичните клетки

Структурата на фотоволтаичните клетки води до намаляване на производителността на панелите при повишаване на температурата.

Частичното затъмняване на панела води до спад на изходното напрежение поради загубите в неосветения елемент, който започва да действа като паразитен товар. Този недостатък може да бъде отстранен чрез инсталиране на байпас на всяка фотоволтаична клетка в панела. При облачно време, когато няма пряка слънчева светлина, панелите, които използват лещи за концентриране на лъчението, стават изключително неефективни, тъй като ефектът на лещите изчезва.

От работната характеристика на фотоволтаичния панел се вижда, че за постигане на най-висока ефективност е необходим правилен избор на товарното съпротивление. За тази цел фотоволтаичните панели не са свързани директно към товара, а се използва контролер на фотоволтаичната система, който осигурява оптимална работа на панелите.

Как е конструиран соларният панел

Всички съвременни слънчеви батерии работят благодарение на откритие, направено от физика Александър Бекерел през 1839 г. - самият принцип на полупроводниците.

Ако силициевите фотоелементи на горната пластина се нагреят, атомите на силициевия полупроводник се освобождават. Те са склонни да бъдат уловени от атомите на долната пластинка. В пълно съответствие със законите на физиката електроните на долната пластина трябва да се върнат в първоначалното си състояние. Тези електрони имат само един път - през проводниците. Съхранената енергия се прехвърля в батериите и се връща отново в горната силициева пластина.

История

През 1842 г. Александър Едмон Бекерел открива ефекта от превръщането на светлината в електричество. Чарлз Фритс започва да използва селен, за да превръща светлината в електричество. Първите прототипи на слънчеви клетки са създадени от италианския фотохимик Джакомо Луиджи Чамихан.

На 25 март 1948 г. специалисти от лабораториите Bell обявяват създаването на първите слънчеви клетки на силициева основа, които генерират електрически ток. Това откритие е направено от трима служители на Bell - Калвин Сутър Фулър, Дарил Чапин и Джералд Пиърсън. Четири години по-късно, на 17 март 1958 г., САЩ изстрелват спътник със слънчева енергия - Vanguard-1. На 15 май 1958 г. в СССР е изстрелян спътник със слънчеви батерии - "Спутник-3".

Това е интересно: В Германия са построени най-високите вятърна електроцентрала в света

Колко бързо ще се изплатят соларните панели?

Цената на слънчевите панели днес е доста висока. И като се има предвид ниската ефективност на панелите, въпросът за тяхната възвръщаемост е много актуален. Очакваната продължителност на живота на батериите, захранвани със слънчева енергия, е около 25 години или повече. По-късно ще говорим за причините за толкова дълъг експлоатационен живот, но междувременно ще изясним гореспоменатия въпрос.

Периодът на откупуване се влияе от:

• Видът на избраното оборудване. Еднослойните фотоволтаични клетки са с по-ниска ефективност от многослойните, но и с много по-ниска цена.
• Географско положение, т.е. колкото повече слънце има във вашия район, толкова по-бързо ще се изплати инсталираният модул.
• Цена на оборудването. Колкото повече пари похарчите за закупуване и инсталиране на компонентите, които съставляват вашата слънчева термална система, толкова по-дълъг ще бъде периодът на изплащане.
• Цената на енергията във вашия регион.

Средният период на възвръщане на инвестицията в страните от Южна Европа е 1,5-2 години, в страните от Централна Европа - 2,5-3,5 години, а в Русия периодът на възвръщане на инвестицията е около 2-5 години. В близко бъдеще ефективността на соларните панели ще се повиши значително благодарение на разработването на по-съвършени технологии, които позволяват да се увеличи ефективността и да се намали цената на панелите. Вследствие на това се съкращава и времето, необходимо за изплащане на разходите за слънчева енергия.

Най-новите разработки за повишаване на коефициента на ефективност

Почти всеки ден учени от цял свят съобщават за разработването на нови методи за повишаване на ефективността на соларните модули. Нека разгледаме някои от най-интересните от тях. Миналата година Sharp показа на обществеността соларна клетка с ефективност 43,5%. Те успяха да постигнат това, като инсталираха леща, която да фокусира енергията директно в клетката.

Германските физици не изостават от Шарп. През юни 2013 г. те представиха своята фотоволтаична клетка с площ от едва 5,2 квадратни метра. mm, състоящ се от 4 слоя полупроводникови елементи. Тази технология позволява да се постигне ефективност от 44,7%. Максималната ефективност в този случай също се постига чрез поставяне на вдлъбнато огледало във фокуса.

През октомври 2013 г. бяха публикувани резултатите от работата на учените от Станфорд. Те са разработили нов топлоустойчив композит, който може да увеличи ефективността на фотоволтаичните клетки. Теоретичната стойност на ефективността е около 80%. Както писахме по-горе, полупроводниците, съдържащи силиций, могат да поглъщат само инфрачервена радиация. Този нов композитен материал е проектиран да преобразува високочестотното излъчване в инфрачервено.

Следващите на опашката са английските учени. Те разработиха технология, която позволява да се увеличи ефективността на клетките с 22%. Те предложиха да се поставят нанизи от алуминий върху гладката повърхност на тънкослойните панели. Този метал е избран, защото не поглъща слънчевата светлина, а я разсейва. Следователно количеството на абсорбираната слънчева енергия се увеличава. Оттук и повишената ефективност на слънчевата клетка.

Това са само някои от основните тенденции, но не са единствените. Учените се борят за всяка десета от процента и досега успяват. Да се надяваме, че в близко бъдеще соларните панели ще достигнат необходимото ниво на ефективност. Това ще бъде времето, когато ползите от панелите ще бъдат най-големи.

Статията е подготвена от Regina Abdullina

В Москва вече се използват нови технологии за осветление на улици и паркове и мисля, че там е изчислена икономическата ефективност:

Видове слънчеви клетки и тяхната ефективност

Функционирането на слънчевите панели се основава на свойствата на полупроводниковите клетки. Слънчевата светлина, падаща върху фотоволтаични панели, разтоварва електроните от външната орбита на атомите с помощта на фотони. Големият брой генерирани електрони осигурява електрическия ток в затворена верига. Един или два панела не са достатъчни за нормална мощност. Поради това няколко панела се комбинират, за да образуват слънчеви панели. Те се свързват паралелно и последователно, за да се получи необходимото напрежение и мощност. По-голям брой фотоволтаични клетки осигуряват по-голяма площ за поглъщане на слънчева енергия и по-висока мощност.

Фотоволтаични клетки

Един от начините за повишаване на ефективността е създаването на многослойни панели. Такива конструкции се състоят от набор от материали, подредени на слоеве. Материалите са подбрани така, че да се улавят различни енергийни кванти. Слой от един материал поглъща един вид енергия, слой от втори материал поглъща друг и т.н. В резултат на това могат да се създадат слънчеви клетки с висока ефективност. Теоретично такива многослойни панели могат да осигурят До 87% ефективност. Но това е само на теория, а на практика създаването на такива модули е проблематично. Освен това те са много скъпи.

Видът на силиция, използван във фотоволтаичните клетки, също оказва влияние върху ефективността на соларните системи. В зависимост от това как е изграден силициевият атом, те се разделят на 3 вида:

• Монокристален;
• Поликристален;
• Аморфни силициеви панели.

Монокристалните силициеви фотоволтаични клетки имат ефективност от 10─15 %. Те са най-ефективни и имат по-висока цена от останалите. Моделите от поликристален силиций имат най-евтините ватове електроенергия. Много зависи от чистотата на материалите и в някои случаи поликристалните клетки могат да бъдат по-ефективни от монокристалните.

Панел от аморфен силиций