Достигнуть впечатляющих для сегмента фотоэлектрических элементов успехов удалось стартапу Инновационного парка EPFL в Германии.

Согласно опубликованной пресс-службой учебного заведения информации, команде студентов Института Фраунгофера во главе с руководителем проекта Лораном Кулотом удалось модернизировать применяемые в космической сфере технологии, существенно удешевив производство и повысив эффективность солнечных батарей. Показатели КПД прототипа будущей массовой фотоэлектрической панели, которую создатели рассчитывают превратить в серийный продукт после разрешения технологических вопросов и поиска инвесторов, вдвое превышают стандартные для отрасли. Напомним, что КПД имеющихся в продаже солнечных батарей в большинстве случаев достигает 15-20%, что является пределом для применяемых сегодня технологий «улавливания» солнечных лучей с последующим преобразованием этой энергии в электрическую. Полученные в ходе тестирования панели-прототипа результаты показали эффективность выработки электроэнергии на уровне 36,4%, что в случае перехода на массовый выпуск источников преобразования энергии Солнца в электричество позволит достичь выдающегося показателя — 30-32%.

Создатели принципиально нового и сверхэффективного типа солнечной батареи рассказали о примененной ими методике повышения КПД батареи, для чего специалисты EPFL воспользовались оптическими линзами. Применяемые в космосе панели для преобразования солнечной энергии в электрическую изготавливаются с применением сверхдорогих материалов, помогающих улучшить свойства «улавливания» лучей Солнца в специальных мини-ячейках. Немецкие специалисты из независимой лаборатории Института Фраунгофера применили этот же принцип, максимально уменьшив площадь очень дорогого слоя высокопроизводительных ячеек. Вместо «растянутого» на всю площадь панели слоя фотоэлементов из дорогостоящих материалов разработчики взяли маленький кусочек высокопроизводительных ячеек, сконцентрировав на нем весь поступающий на поверхность элемента солнечный свет. Верхний слой поверхности батареи состоит из микроскопических линз, установленных на механической основе, при помощи маленьких сервомоторов смещающей фокусируемый свет точно на фотоподложку в зависимости от расположения земного светила.

Такая методика обеспечивает максимальную эффективность преобразования энергии на протяжении всего светового дня при сохранении низкой стоимости производства. Цена выпуска вдвое более эффективных солнечных элементов после налаживания серийного производства основанных на разработанных специалистами EPFL принципах батарей превысит себестоимость имеющихся на рынке только панелей на 10-15% при стопроцентном наращивании показателя КПД. Говорить о сроках выпуска перспективной разработки в массовых масштабах создатели очень дешевого в сравнении с выпускающимися для применения в космосе образцами решения говорят пока неохотно, ссылаясь на необходимости отработки технологического базиса для налаживания крупносерийного выпуска недорогих в изготовлении, но крайне эффективных солнечных панелей с КПД 36%. Ожидается, что первые мелкосерийные образцы таких элементов появятся не раньше, чем через 2-3 года, когда себестоимость выпуска фотоэлектрических панелей сможет установить новый ценовой рекорд. Сегодня приобретение и установка подобных батарей на загородных участках для вырабатывания электрической энергии «из воздуха» обходится многократно дороже подключения к электросетям — окупать дорогостоящую покупку приходится в буквальном смысле десятилетия.

По этой причине активно продвигаемые на Западе «солнечные плантации» из сотен и тысяч отдельных фотоэлементов продолжают субсидироваться за счет государственных программ стимулирования сферы альтернативной энергетики. Только за счет вложения миллиардов долларов и евро в развитие этой области Европе и США удалось добиться внушительных и внушающих оптимизм экономических показателей, на бумаге выглядящих настоящим прорывом в сфере получения экологически чистой электроэнергии. На деле каждый выработанный из Солнца Киловатт обходится значительно дороже, чем разведка, добыча и последующее извлечение из недр земли углеводородов, продолжающих составлять основу общемировой энергетики. Единственной альтернативой «бесплатной» электроэнергии остается атомная энергетика, категорически вычеркнутая Евросоюзом и большинством других мировых держав из списка доступных источников электричества. Причиной становится опасность повторения трагических событий 1986-го и 2011 годов в советском Чернобыле и японской Фукусиме, когда на эксплуатируемых СССР и Японией соответственно атомных электростанциях фиксировались радиационные аварии предельного по Международной шкале ядерных событий седьмого уровня.

Именно поэтому Запад продолжает рассматривать солнечную энергетику в качестве самого перспективного направления при формировании базы для создания «энергетического задела» будущим поколениям, которым очень скоро придется столкнуться с полным отсутствием легкоизвлекаемых запасов углеводородов — нефти, газа и угля. Уже сегодня запасы расположенных на доступной для современных буровых установок глубине энергетических ресурсов эксперты называют «близкими к истощению», что вынуждает ученых и исследователей энергично перебирать новые варианты для сохранения текущего уровня потребления электричества мировой промышленностью. Потенциально выгодными с технологической точки зрения пока остаются только два направления — ядерная энергетика и фотоэлементы, преобразующие «добирающийся» по поверхности планеты свет галактического светила в нужную для жизнедеятельности человека электрическую энергию. Искусственный отказ от атома оставляет западным державам, в первую очередь Евросоюзу и Соединенным Штатам Америки, только один путь для дальнейшего развития и модернизации собственной энергетики.

По мнению главного операционного директора стартапа EPFL Флориана Герлиха, созданные немецкими специалистами батареи позволят снизить цену за вырабатываемый Киловатт-час электроэнергии для потребителей до приемлемого уровня, когда покупка дорогой солнечной панели даже без привлечения государственных субсидий окупится после непродолжительной эксплуатации. Увеличение КПД до 36% — многообещающий прорыв, способный «встряхнуть» мировую энергетическую систему в рамках общемирового проекта по поиску наиболее выгодных с финансовой точки зрения и показателей экологичности способов получения электричества. На последнее, например, активно «переезжают» выпускаемые крупнейшими автоконцернами автомобили, доля которых с установленными под капотом электродвигателями к 2030-2035 годам достигнет, по предварительным подсчетам экспертов, серьезных 10-12% в масштабе всего автопарка на планете. Активное содействие этому окажут и разработки ученых, на протяжении последних десятилетий продолжающих биться за каждый процент эффективности выработки электроэнергии, добиваясь достижения предельно допустимых значений в гонке за «бесплатными» киловаттами.

Институт Fraunhofer по изучению систем солнечной энергии, Soitec, CEA-Leti и Берлинский центр Гельмгольца объявили, что достигли нового мирового рекорда эффективности преобразования энергии Солнца в электрическую энергию, использовав новую структуру солнечных элементов с четырьмя слоями. Как и некоторые другие многослойные фотоэлементы, эта микросхема предназначена для работы с концентратором, который концентрирует поток солнечных лучей в 297,3 раза, то есть площадь линз концентратора примерно в 300 раз больше площади фотоэлемента. КПД 44,7% относится к широкому спектру солнечного излучения: от ультрафиолета до инфракрасного. Энергия волн длиной 200-1800 нм забирается четырьмя слоями ячейки. Это важный шаг к удешевлению использования солнечной электроэнергии и приближение к важному рубежу в 50% эффективности.

Солнечные элементы, составленные из четырех слоев из соединенных прямым способом III-IV полупроводников, достигли эффективности в 44,7%.

В мае 2013 года немецко-французская команда из Fraunhofer ISE, Soitec, CEA-Leti и Helmholtz Center Berlin уже объявляла о создании солнечных элементов с эффективностью в 43,6%. На базе этого результата и благодаря дальнейшей интенсивной исследовательской работе и шагов по оптимизации и была получена эффективность 44,7%.
Эти солнечные элементы используются в фотоэлектрическом концентраторе (ФЭК), технологии, эффективность которой более чем вдвое превышает эффективность обычных фотоэлектрических станций в богатых солнечными лучами местах. Использование полупроводников III-V, которые изначально использовалась в космических технологиях, помогло реализовать высокую эффективность для преобразования солнечного света в электричество. При этом соединении солнечных элементов, ячейки, сделанные из полупроводников III-V, уложены друг на друга. Каждый слой поглощает волны различной длины из солнечного спектра.

Внешняя квантовая эффективность четырехэлементной солнечной батареи (для каждого из четырех слоев – свой цвет).

Вольтамперная характеристика для поставивших рекорд солнечных элементов.

"Мы невероятно гордимся нашей командой, которая уже в течение трех лет работает над этим солнечным элементом", – говорит Франк Димрот, заведующий отделом и руководитель проекта, отвечающий за развитие этого направления в Институте Fraunhofer. “Этот вид соединения солнечных элементов усовершенствовался на протяжении нескольких лет, в результате тщательной экспериментальной работы. Помимо улучшенных материалов и оптимизации структуры, важную роль играет и новая технология "пластинная связка". С помощью этой технологии мы имеем возможность соединить два полупроводниковых кристалла, которые нельзя вырастить один поверх другого, сохраняя при этом их высокое качество. Таким образом, мы можем создать оптимальное сочетание, чтобы достичь высокой эффективности солнечных элементов”.
"Этот мировой рекорд, увеличивший уровень эффективности более чем на 1% менее чем за 4 месяца, демонстрирует крайне высокий потенциал нового вида соединения солнечных элементов ячейки." – говорит Андре-Жак Обертон-Эрве, председатель и исполнительный директор Soitec. "Новое достижение подтверждает тенденцию к достижению более высокой эффективности, что играет ключевую роль в конкурентоспособности наших собственных систем солнечных элементов. Мы очень гордимся этим достижением, и оно демонстрирует успешность нашего сотрудничества".
"Новый рекорд укрепляет доверие к такому способу, как прямая связь полупроводников. Этот способ был разработан в рамках нашего сотрудничества с Soitec и Институтом Fraunhofer. Мы очень гордимся этим новым результатом, открывающим широкие перспективы для “солнечных” технологий, основанных на новом виде соединения элементов", – сказал генеральный директор Leti Лоран Малье.
Модули концентратора производятся Soitec (проект начинался в 2005 году под названием "Concentrix Solar" и был ответвлением похожего проекта Института Fraunhofer). Эта эффективная технология используется в электростанциях, расположенных в местах с высокой долей прямого солнечного излучения. На данный момент у Soitec есть установки в 18 странах, в том числе в Италии, Франции, Южной Африке и штате Калифорния.

Всем прекрасно известно, что чем больше коэффициент полезного действия, тем лучше. Это правило распространяется и на КПД солнечных батарей. Благодаря новым технологиям и способам производства КПД фотоэлементов постоянно растет, правда очень медленно, но главное - прогресс не стоит на месте.

Ниже приведен график достижений эффективности разных производителей, с течением времени. Начиная с середины и до самого верха - полупроводники разрабатывались для новых рекордов и космических задач, стоимость соответствующая. Все что ниже уже доступно и реально приобрести в наше время.

Всем известно про КПД, но мало кто понимает откуда берутся эти значения в процентах и как они рассчитываются. Давайте попробуем разобраться.

Как правило, завод изготовитель указывает эффективность своих собранных модулей и эффективность отдельных солнечных элементов, из которых состоит солнечная батарея. Эти параметры, как и другие характеристики, указываются при так называемых стандартных условиях - STS, основными из них является инсоляция 1000Вт/м² и температура элементов 25°С при которых и снимаются технические характеристики, в том числе и эффективность.

В настоящее время добросовестные изготовители стали тестировать каждую произведенную ими солнечную батареи после сборки и делать распечатку индивидуальных параметров, которую вкладывают к каждой батарее. Делается это для подтверждения качества своих изделий.

Ниже приведена распечатка одной из солнечных батарей SY-100 от Suoyang energy:

Каждый модуль имеет свои индивидуальные характеристики. Если взять две одинаковые панели одной модели они все равно будут иметь немного разные параметры.

Солнечные батареи данного производителя имеют положительную толерантность, в итоге мы имеем 104,617 Вт и эффективность 15,74% (отдельный элемент 18,7%). Как он получил это значение?

Формула расчета эффективности солнечных батарей выглядит следующим образом:

КПД = Pсб/Sсб/10, где:

Pсб – мощность СБ;

Sсб – площадь СБ.

Подставим значения в формулу:

КПД = 104,617/(1,2*0,554)/10 = 15,74%

Все сходится, но возникает еще один вопрос: почему тогда КПД отдельных фотоэлементов выше? Ответ прост – все дело в том, что солнечная батарея состоит из множества фотоэлементов и между ними есть небольшое расстояние, которое не используется для выработки энергии, плюс алюминиевая рама тоже «занимает место», соответственно площадь увеличивается, а КПД при этом снижается.

Ниже приведены фотографии и видео некоторых попыток получения большей эффективности фотоэлементов, с помощью создания элементов сложной формы, принудительного охлаждения солнечных элементов и фокусирования света с помощью линз. Возможно новинки хорошо покажут себя, их пустят в массовое производство, и они станут доступными для нас с вами.

Это гибридная солнечная батарея Vitru, в борьбе за эффективность производитель борется с нагревом элементов. Вода в колбе охлаждает элементы, в следствие чего не снижается напряжение и не падает мощность.

Новинка пока не продается и находится в стадии тестирования, но как заявляет V3Solar, весь секрет в конусной форме и вращения конструкции, благодаря этому ячейки не успевают нагреваться и КПД не снижается в течении всего дня.

Что влияет на КПД и эффективность работы солнечных батарей?

Сегодня идёт много разговоров вокруг такого понятия, как КПД гелиосистем. Это один из ключевых критериев при оценке эффективности работы солнечных батарей. Увеличение этого показателя является главной задачей на пути снижения затрат на преобразование солнечной энергии и расширения использования гелиосистем. Низкий КПД солнечных батарей является их основным недостатком. Квадратный метр современных фотоэлементов обеспечивает выработку 15─20 процентов от мощности солнечного излучения, попадающего на него. И это при самых благоприятных условиях эксплуатации. В результате для обеспечения необходимого энергоснабжения требуется установка множества солнечных панелей большой площади. Насколько эффективно такое оборудование и от чего зависит его КПД, постараемся разобраться в этой статье. А также поговорим о сроке службы и окупаемости солнечных панелей.

В основе функционирования солнечных панелей лежат свойства полупроводниковых элементов. Падающий на фотоэлектрические панели солнечный свет фотонами выбивает с внешней орбиты атомов электроны. Образовавшееся большое количество электронов обеспечивает электрический ток в замкнутой цепи. Одной или двух панелей для нормальной мощности недостаточно. Поэтому несколько штук объединяют в солнечные батареи. Для получения необходимого напряжения и мощности их подключают параллельно и последовательно. Большее число фотоэлементов дают большую площадь поглощения солнечной энергии и выдают большую мощность.

Теперь непосредственно о самом КПД. Эта величина вычисляется делением мощности электроэнергии на мощность солнечной энергии, попадающей на панель. У современных солнечных батарей эта величина лежит в интервале 12─25 процентов (на практике не выше 15%). Теоретически можно поднять КПД до 80─85 процентов. Такая разница существует из-за материалов для изготовления панелей. В основе лежит кремний, который не поглощает ультрафиолет, а лишь инфракрасный спектр. Получается, что энергия ультрафиолетового излучения уходит впустую.

Одним из направлений повышения КПД является создание многослойных панелей. Такие конструкции состоят из набора материалов, расположенных слоями. Подбор материалов осуществляется так, чтобы улавливались кванты различной энергии. Слой с одним материалом поглощает один вид энергии, со вторым – другой и так далее. В результате можно создавать солнечные батареи с высоким КПД. Теоретически такие многослойные панели могут обеспечить КПД до 87 процентов. Но это в теории, а на практике изготовление подобных модулей проблематично. К тому же они получаются очень дорогие.

На КПД гелиосистем также влияет тип кремния, используемого в фотоэлементах. В зависимости от получения атома кремния их можно разделить на 3 типа:

• Монокристаллические;
• Поликристаллические;
• Панели из аморфного кремния.

Фотоэлементы из монокристаллического кремния имеют КПД 10─15 процентов. Они являются самыми эффективными и имеют стоимость выше остальных. Модели из поликристаллического кремния имеют самый дешевый ватт электроэнергии. Многое зависит от чистоты материалов и в некоторых случаях поликристаллические элементы могут оказаться эффективнее монокристаллов.

Существуют также фотоэлементы из аморфного кремния, на базе которых изготавливают тонкопленочные гибкие панели. Их производство проще, а цена ниже. Но КПД значительно ниже и составляет 5─6 процентов. Элементы из аморфного кремния с течением времени теряют свои характеристики. Для увеличения их производительности добавляют частицы селена, меди, галлия, индия.

От чего зависит эффективность работы солнечных батарей?

На эффективность работы солнечных батарей оказывают влияние несколько факторов:

• Температура;
• Угол падения солнечных лучей;
• Чистота поверхности;
• Отсутствие тени;
• Погода.

В идеале угол падения солнечных лучей на поверхность фотоэлемента должен быть прямым. При прочих равных в этом случае будет максимальная эффективность. В некоторых моделях для увеличения КПД в солнечных батареях устанавливается система слежения за солнцем. Она автоматически меняет угол наклона панелей в зависимости от положения солнца. Но это удовольствие не из дешёвых и поэтому встречается редко.

При работе фотоэлементы нагреваются, и это отрицательно сказывается на эффективности их работы. Чтобы избежать потерь при преобразовании энергии следует оставлять пространство панелями и поверхностью, где они закреплены. Тогда под ними будет проходить поток воздуха и охлаждать их.

Несколько раз в год обязательно нужно мыть и протирать панели. Ведь КПД фотоэлектрических панелей прямо зависит от падающего света, а значит, от чистоты поверхности. Если на поверхности есть загрязнения, то эффективность солнечных батарей будет снижаться.

Важно сделать правильную установку батарей. Это означает, что на них не должна падать тень. Иначе эффективность системы в целом будет сильно снижаться. Крайне желательно устанавливать фотоэлементы на южной стороне.

Что касается погоды, то от неё также зависит очень многое. Чем ближе ваш регион к экватору, тем большая плотность излучения будет попадать солнечного излучения на панели. В нашем регионе зимой эффективность может упасть в 2─8 раз. Причины как в уменьшении солнечных дней так и в снеге, попадающим на панели.

Срок службы и окупаемость солнечных панелей

В гелиосистемах нет никаких подвижных механических частей, что делает их долговечными и надёжными. Срок эксплуатации подобных батарей 25 лет и дольше. Если их правильно эксплуатировать и обслуживать, то они могут прослужить и 50 лет. Кроме этого, в них не бывает каких-то серьёзных поломок и от владельца требуется лишь периодически чистить фотоэлементы от грязи, снега и т. п. Это требуется для увеличения КПД и эффективности гелиосистемы. Длительный срок службы зачастую становится определяющим при решении покупать или нет солнечные батареи. Ведь после прохождения срока окупаемости, электроэнергия от них будет бесплатной.

А срок окупаемости существенно меньше, чем срок службы. Но многих останавливает первоначальная стоимость батарей. Вкупе с низким КПД у многих людей это вызывает сомнения в выгодности приобретения гелиосистем. Поэтому решение здесь нужно принимать с учётом погоды и климата в вашем регионе, условий использования и т. п.

На срок окупаемости оказывают влияние следующие факторы:

• Тип фотоэлементов и оборудования. На окупаемость оказывает влияние как величина КПД, так и первоначальная стоимость фотоэлементов;
• Регион. Чем выше интенсивность солнечного света в вашей местности, тем меньше срок окупаемости;
• Цена оборудования и монтажа;
• Цена электроэнергии у вас в регионе.

В среднем срок окупаемости по регионам составляет:

• Южная Европа ─ до 2 лет;
• Средняя Европа – до 3,5 лет;
• Россия ─ в большинстве регионов до 5 лет.

Эффективность солнечных коллекторов для сбора тепла и батарей для получения электрической энергии постоянно увеличивается. Правда не так быстро, как хотелось бы. Специалисты отрасли занимаются повышением КПД и снижением себестоимости фотоэлементов. В итоге всё это должно привести к уменьшению срока окупаемости и широкому распространению солнечных батарей.

Много путаницы сегодня существует вокруг понятия кпд гелиосистемы, что является важным критерием их стоимости. Понятие кпд солнечных батарей означает процент падающего на панель солнечного света, преобразованного в электричество, с дальнейшей возможностью использования. Разные материалы для солнечных панелей создают различный кпд, даже одинаковые компании – производители имеют различный показатель эффективности преобразования. Повышение кпд является лучшим способом снизить затраты на солнечную энергию.

КПД солнечной батареи зависит от чистоты пластин, которые используются в качестве сырья при изготовлении. Кроме того, очень важно, является ли панель монокристаллического или поликристаллического вида. Большинство крупных компаний концентрирует свои усилия именно на повышении эффективности, для сокращения расходов в беспощадном использовании солнечной энергетики.

Рассмотрим общий диапазон кпд солнечных батарей, исходя из разных типов элементов и различных технологий.

Бывают следующих - поликристаллического или монокристаллического кремния. Мульти-солнечные батареи имеют более низкую эффективность, чем батареи из монокристаллических элементов.

Кпд солнечной батареи может варьироваться от 12% до 20% для обычного монокристаллического кремния. В обычно устанавливаемых, расчетный кпд составляет 15% и зависит от вида исполнения самого кремния. Одни из мировых производителей постоянно повышают эффективность для того, чтобы снизить свои издержки и опередить соперников в этой конкурентной индустрии. Другие дают максимальную эффективность кристаллических солнечных элементов, используя крупные масштабы производства.

Поликристаллические фотоэлементы имеют более низкую стоимость, чем монокристаллические и кпд в диапазоне 14-17%.

Тонкопленочная технология, в отличие от углерод – кремниевых материалов, имеет ряд преимуществ.

Аморфные кремниевые технологии С-Si имеют самый низкий средний коэффициент эффективности, но они наиболее дешевые.

Наибольший потенциал в повышении эффективности имеют медь-индий-галлий-сульфидные (CIGS) и кадмий - теллур (Cd-Te). Многие изготовители продвигают вперед разработку этой технологии и представляют один из наиболее высоких показателей эффективности своих моделей, увеличив его на 19%. Они достигли этого значения, используя несколько методов, в том числе – применение отражающих покрытий, которые могут захватить больше света от угла.

Если обосновывать зависимость не от материала, а от габаритных размеров, то, чем выше эффективность, тем меньше необходимая площадь рабочей поверхности батарей.

Хотя средний процент может показаться немного низким, можно легко изменить оснащение, именно при установке, с достаточной мощностью, чтобы покрыть потребности в энергии.

Факторы, влияющие на кпд солнечных массивов, включают в себя:

Ориентация поверхности монтажа
Крыша в идеале должна смотреть на юг, но и качество дизайна зачастую может компенсировать другие направления.

Угол наклона
Высота и наклон поверхности может повлиять на количество часов солнечного света, полученных в среднем за день в течение года. Крупные коммерческие системы имеют системы солнечного слежения, которая автоматически изменяет угол падения луча солнца в течение дня. Обычно не используется для жилых установок.

Температура
Большинство панелей при эксплуатации нагреваются. Таким образом, обычно должны быть установлены несколько выше уровня крыши, для обеспечения достаточного потока охлаждаемого воздуха.

Тень
В принципе, тень - враг солнечной энергии.При выборе неудачного дизайна при монтировании, даже небольшое количество тени на одной панели может закрыть производство энергии на всех других элементах.Перед тем, как разработать систему, проводится детальный анализ затенения поверхности крепления, для выявления возможных форм тени и солнечного света в течение года. Затем проводится другой детальный анализ, проверяющий сделанные выводы.

Обычные солнечные батареи с высоким кпд гелиосистем промышленных масштабов устанавливаются на сваи над поверхностью земли на 80см, расположены по направления с востока на запад, вдоль движения солнца, под углом 25 градусов.