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.