Recentemente, mais e mais pessoas se interessaram pela energia solar. Os painéis solares tornaram-se amplamente disponíveis, de “asas” exóticas de naves espaciais que se transformaram em um produto comum que pode ser comprado em uma loja on-line em alguns cliques, e o comprador, é claro, enfrentou uma tarefa difícil – qual painel solar comprar? Os painéis solares diferem em tamanho, design, cor, além de dezenas e até centenas de logotipos de fabricantes. A partir desta variedade de dados, é necessário, em primeiro lugar, destacar o fator mais significativo – o coeficiente de desempenho (COP) .
A eficiência de qualquer dispositivo é a razão entre a energia que ele libera e a energia que absorve. Com base nesse entendimento, antes de escolher um produto, um comprador responsável desejará descobrir qual é a eficiência dos painéis solares modernos, quais tipos de painéis solares existem e como sua eficiência difere, a eficiência dos painéis solares muda em tempo nublado, existem maneiras de aumentar a eficiência dos painéis solares e assim por diante.
Para começar, vamos lidar um pouco com os painéis solares – do que se trata?
Uma célula solar é semelhante em design a um transistor. Como é conhecido por experimentos simples em eletrônica, se você remover a tampa protetora do transistor e iluminá-lo, ele começará a gerar tensão. E se esses transistores estiverem dispostos em fileiras em uma superfície plana, você obterá o painel de células solares mais simples. Os painéis solares são baseados neste princípio, que são baseados em cristais de silício, semelhantes aos cristais de silício em elementos semicondutores tradicionais.
Com o tempo, os painéis solares melhoraram, seu preço relativo diminuiu e a eficiência aumentou. A eficiência das melhores células solares modernas é de cerca de 20%. Parece que isso é um pouco, um pouco mais do que a eficiência de um motor de combustão interna, mas não se esqueça que as primeiras baterias solares, que foram desenvolvidas em meados do século passado, tinham uma eficiência de um a cinco por cento, tão moderno vinte por cento, não é tão pouco.
A eficiência de uma célula solar é a razão entre a energia que entra em sua superfície e a energia em seus terminais de saída. Vamos considerar um exemplo específico. Digamos que haja um painel solar de 1,6 metro quadrado que é irradiado com 500 watts de luz por metro quadrado e produz 100 watts de eletricidade na saída.
A eficiência de tal bateria é calculada da seguinte forma: divida a potência de saída pela potência total de entrada (1,6 m² x 500 watts / m² = 800 watts) e multiplique por 100%, como resultado, obtemos 100 watts: 800 watts x 100% = 12,5%. Esta será a sua eficiência do painel solar com insolação com uma potência de meio quilowatt.
Mas a eficiência pode variar da intensidade da irradiação e do ângulo com que os raios do sol atingem a superfície da bateria solar, da dispersão da luz e da temperatura da própria bateria solar.
Portanto, surge a pergunta – o que determina a eficiência dos painéis solares em primeiro lugar? A eficiência dos painéis solares depende de dois fatores principais – da orientação correta para a radiação solar máxima e da qualidade do próprio painel.
Além da qualidade da mão de obra, classificada em quatro etapas, que serão discutidas a seguir, também é importante a tecnologia que está embutida no projeto das próprias células solares.
Por exemplo, uma bateria solar em silício amorfo não fornecerá nem dez por cento. Mas isso não significa que seja definitivamente ruim. O valor numérico da eficiência dos painéis solares ainda não informa sobre todas as propriedades da bateria. Em alguns casos, painéis solares de baixa eficiência são indispensáveis, devido a algumas de suas características. Mas deve-se notar que o valor ideal da eficiência dos painéis solares modernos de boa qualidade está na faixa entre quinze e vinte por cento.
A eficiência dos painéis solares também depende do clima de um determinado ponto da Terra e do clima no momento calculado. Em áreas com muita poeira na atmosfera, os painéis solares rapidamente ficam sujos e isso, é claro, leva a uma diminuição de sua eficiência. A neve também pode reduzir a eficiência dos painéis solares a quase zero se estiverem muito baixos.
Em tempo nublado, a eficiência dos painéis solares, é claro, diminui. No entanto, existem nuances associadas ao design. Por exemplo, os painéis solares policristalinos não reduzem a eficiência em condições nubladas tanto quanto os monocristalinos. Além disso, a boa eficiência dos painéis solares em tempo nublado é fornecida pelo revestimento anti-reflexo dos elementos. Ele permite que você não perca radiação na luz espalhada.
Um obstáculo muito grande para o funcionamento normal da estação solar é a sombra. Uma sombra pode anular o desempenho técnico da melhor bateria solar e reduzir sua eficiência várias vezes. Ao projetar e instalar painéis solares , deve-se tomar cuidado para que os painéis solares não sombrem uns aos outros e não caiam na sombra de edifícios e árvores.
Atualmente, existem vários tipos de painéis solares, diferindo em eficiência, vida útil e características de design. Mas como nesta revisão estamos interessados principalmente na eficiência das baterias solares modernas, vamos nos debruçar sobre elas com mais detalhes.
Os painéis solares mais comuns são baseados em células de silício. Eles são divididos em três tipos – monocristalinos, policristalinos e amorfos.
As células solares amorfas são uma base elástica com uma camada de silício depositada sobre ela. A eficiência dos painéis solares amorfos é baixa – cerca de seis por cento, mas esses painéis solares podem gerar eletricidade com pouca luz, o que não é suficiente para a operação de painéis solares monocristalinos e policristalinos. Há outra vantagem dos painéis amorfos – devido à sua espessura e elasticidade, eles se dobram em ângulos diferentes, que, se a superfície em que eles se dobram estiver localizada em ângulos favoráveis, permite que eles capturem mais radiação solar do que os painéis planos rígidos são capazes. Eles também podem ser colocados em superfícies curvilíneas complexas de estruturas, o que não apenas aumentará a eficiência geral desses painéis solares, mas também dará espaço para a imaginação de arquitetos e designers. Outra vantagem muito importante das células amorfas é sua capacidade de operar em altas temperaturas, onde as baterias monocristalinas e policristalinas saem do modo, o que leva a uma diminuição da eficiência ou param de funcionar completamente. Na fabricação de painéis solares amorfos, consome-se uma quantidade de silício muito menor do que a utilizada para células solares monocristalinas e policristalinas, pois é depositado em uma camada fina, o que ajuda a reduzir seu custo.
Os painéis de silício policristalino são duas e até três vezes mais eficientes que os amorfos, e sua eficiência chega a 18%. São fáceis de fabricar e de baixo custo, pois não requerem o crescimento de monocristais. Eles têm melhor eficiência em tempo nublado do que as células solares monocristalinas. Seus cristais são orientados aleatoriamente, de modo que funcionam melhor em tempo nublado, quando a luz é direcionada a eles não de um ponto, mas de todas as direções.
As células solares monocristalinas são feitas com base em monocristais, como o próprio nome indica, e estão perfeitamente adaptadas para interagir com uma fonte de luz pontual, devido à mesma orientação dos cristais. A eficiência dos painéis solares monocristalinos pode chegar a 23%.
Existem também painéis solares modernos que não são baseados em silício tradicional. Por exemplo, as células solares de filme são feitas de um monte de produtos químicos diferentes – compostos de gálio, índio, cobre, cádmio. A eficiência das células solares de filme não é muito alta, cerca de 12%, mas essas células solares operam em quase todo o espectro solar. É verdade que eles não são amplamente utilizados devido à escassez dos elementos químicos acima.
A fim de reduzir o custo de produção de células solares, foram feitas tentativas para criar elementos baseados em substâncias sintéticas. Como resultado, apareceu outro tipo de painéis solares – os de polímero. Eles são flexíveis, como painéis de silício amorfo, e são comparáveis a eles em termos de eficiência – também cerca de 6%, e também podem funcionar com pouca luz.
De células solares produzidas comercialmente, o recorde de eficiência é mantido por células solares de cristal único, mas deve-se notar que isso é verdade apenas sob luz solar direta.
Um aumento na eficiência das baterias solares também é possível devido aos dispositivos de comutação, armazenamento e conversão, que, juntamente com os painéis solares, formam um sistema solar.
A eficiência está diretamente relacionada à qualidade dos materiais, bem como à própria qualidade de construção. Existem quatro graus de qualidade de construção, definidos pelo termo GRID com letras de A a D.
Grid A – baterias solares da mais alta qualidade, montadas, via de regra, em linhas robóticas, a partir de elementos da mais alta qualidade. Claro, eles também têm a máxima eficiência.
A grade B é a mesma grade A, mas são painéis solares rejeitados devido a pequenos defeitos que não afetam o desempenho.
Grid C – painéis solares, geralmente montados a partir de sucata. Eles funcionam, mas a eficiência pode ser diferente da declarada.
Grid D – painéis solares montados por pequenos fabricantes desconhecidos a partir de elementos de qualidade imprevisível. Como regra, eles são caracterizados por baixa eficiência e fragilidade.
Aumentar a eficiência das células solares modernas é uma das principais preocupações de seus desenvolvedores. Em vista da crescente popularidade e demanda por energia solar, especialistas de institutos científicos, empresas e laboratórios estão constantemente procurando novas tecnologias e melhorando os produtos existentes.
Uma das principais empresas de energia solar da China, a Jinko Solar , forneceu um painel solar de última geração produzido em massa com uma eficiência de 21%. Ele está sob a marca Tiger Pro e está disponível em várias modificações com uma potência média de 400 watts. Em seus laboratórios de pesquisa, a Jinko Solar quase alcançou um recorde de 25% de eficiência. Altos níveis de eficiência foram alcançados através do uso da tecnologia TOPCon e da melhoria dos métodos padrão para a produção de células solares.
Engenheiros da empresa alemã HZB conseguiram um aumento na eficiência dos painéis solares em quase 30%. Isso foi possível combinando o material semicondutor tradicional, o silício, com um novo material, que é uma combinação de titânio e cálcio. Esse efeito se baseia no fato de que as células de silício transformam a zona infravermelha do espectro solar em eletricidade, e a nova conexão é capaz de trabalhar com o restante do espectro, contribuindo para a tensão total na saída das células solares. Uma vantagem significativa dessa inovação é que a introdução de um novo composto quase não aumenta o custo dos painéis solares.
Pesquisadores suíços da Insolight também afirmam que os painéis solares estão se aproximando da marca de 30% de eficiência. Sua invenção consiste no uso de elementos de vidro especiais que são instalados acima das células absorvedoras de luz das células solares. Esses concentradores de vidro são montados em uma estrutura semelhante a um favo de mel, permitindo que eles coletem com eficiência a luz de diferentes direções. Além disso, a “tampa” de vidro protege adicionalmente a bateria solar dos efeitos adversos do meio ambiente, prolongando sua vida útil. A Insolight planeja lançar painéis com base nesse desenvolvimento dentro de dois anos.
Na Alemanha, várias organizações líderes se uniram para pesquisar métodos para aumentar a eficiência dos painéis solares. A associação inclui quatro empresas de manufatura e três institutos de pesquisa. A eficiência declarada da bateria solar que eles desenvolveram é de 33%, o que teoricamente seu desenvolvimento permitirá alcançar, mas o programa mínimo até agora é de 27%. A essência de sua invenção é um uso mais racional do espectro solar, que varia dependendo da hora do dia e da estação. As novas células combinadas permitirão extrair mais quilowatts do sol, o que, é claro, reduzirá o custo da eletricidade.
Cientistas americanos da Califórnia desenvolveram uma nova maneira de converter a radiação solar em eletricidade. Como você sabe, as células solares de silício mais usadas não funcionam bem em altas temperaturas. Sabe-se que se a bateria solar sob a influência da radiação solar aquecer até o ponto de ebulição da água, ela perderá sua eficiência.
Acontece um paradoxo – por um lado, é necessária muita radiação solar para gerar corrente elétrica, pois a lógica dita que quanto mais luz, mais corrente, mas por outro lado, o sol produz não apenas luz, mas também calor, e o calor tem um efeito ruim na operação de dispositivos semicondutores, que em todos os dispositivos geralmente são protegidos contra superaquecimento por radiadores e resfriadores. Mas a Universidade Nacional de Stanford resolveu esse problema. Seu novo elemento de célula, chamado PETE, foi projetado para operar em temperaturas acima de 200 graus Celsius, o que é uma grande vantagem na Califórnia quente e seca. Ao testar novas células, foram alcançados imediatamente indicadores de eficiência de mais de vinte por cento, que atualmente é o melhor indicador para painéis solares seriais e, em teoria, a nova tecnologia permitirá atingir quase cinquenta por cento de eficiência! Isso se tornou possível devido às peculiaridades do funcionamento da célula PETE. Neles, o excesso de calor não extingue o efeito fotoelétrico, mas estimula. As células PETE são basicamente feitas de silício tradicional, mas a adição de um revestimento de césio lhes confere essas novas propriedades únicas.
E pesquisadores americanos do Laboratório “Energia da Natureza” definiram a tarefa de alcançar a máxima eficiência dos painéis solares. Eles inventaram células solares de seis circuitos com uma eficiência de 47%. Um revestimento de filme multicamada de compostos à base de índio e gálio torna possível cobrir vários níveis de energia de fótons. E no total neste filme há mais de uma centena de várias camadas.
Até o momento, o desenvolvimento de cientistas americanos é um recorde para a eficiência dos painéis solares .
No processo de combate ao excesso de calor que interfere no funcionamento das estruturas tradicionais de silício, foi proposto um método simples, mas original – retirar o calor dos painéis e direcioná-lo para aquecer algum refrigerante, como água, e depois direcionar o vapor para uma turbina a vapor que irá gerar eletricidade adicional. Este método aumentará a eficiência geral da estação solar mais alta do que a de qualquer painel solar moderno.
No entanto, quase todos os projetos inovadores têm suas armadilhas. Registros altos escondem uma surpresa desagradável – são materiais muito caros ou raros, a complexidade dos processos tecnológicos e o custo muito alto da eletricidade. Em 2016, um consórcio internacional de desenvolvedores, que incluía um laboratório americano para o estudo de fontes renováveis de energia e uma escola politécnica suíça com um centro eletrônico microtecnológico, desenvolveu novas células baseadas em compostos de índio e gálio. Eles conseguiram atingir uma eficiência de mais de 32%. Mas o preço da eletricidade acabou sendo 4-6 vezes maior que o dos painéis solares seriais. Para reduzir seu custo a valores economicamente justificáveis, é necessário criar grandes capacidades de produção, mas isso também causa problemas, pois a prevalência de gálio e índio é milhões de vezes menor que o silício, pois, como você sabe, o silício é areia.
Вывод
Então, que tipo de painéis solares escolher? E com que eficiência? – se perguntará um potencial magnata da energia, que está prestes a converter sua dacha cooperativa em uma poderosa estação solar. Quais painéis solares modernos serão capazes de oferecer a melhor eficiência em todos os tipos de clima e em diferentes períodos do ano? Infelizmente, a bateria solar ideal ainda não foi inventada, que tem alta eficiência em luz direta brilhante, em tempo nublado e com pouca luz. Portanto, a lógica sugere a resposta: aparentemente, apenas uma combinação de diferentes tipos de baterias pode cobrir a variedade máxima de todos os tipos de radiação solar. Se você abordar a tarefa de forma criativa e não esquecer todas as regras de orientação racional dos painéis solares, poderá aumentar a eficiência geral do seu sistema solar, apesar de a eficiência dos painéis individuais não atingir o máximo em um determinado tempo ou em um determinado clima.