Солнечный свет в настоящее время считается одним из наиболее эффективных альтернативных источников электроэнергии. Экономическую целесообразность использования таких систем определяет КПД солнечных батарей. Этот показатель включает в себя все затраты, направленные на преобразование одного вида энергии в другой. Эффективность данного процесса составляет в среднем 15-20%, то есть такое количество электричества получается от общей массы солнечного излучения, попадающего на фотоэлементы.
Эти показатели получены в наиболее благоприятных условиях эксплуатации, а в реальной жизни они могут быть еще меньше. Поэтому для получения нужного количества электроэнергии приходится значительно увеличивать площадь солнечных батарей.
КПД у разных типов солнечных панелей
Все современные солнечные батареи функционируют на основе физических свойств полупроводников. Фотоны солнечного света, попадая на фотоэлектрические панели, выбивают электроны с внешних орбит атомов. В результате, начинается их перемещение, что приводит к появлению электрического тока.
Единичные панели не могут обеспечить нормальной мощности, поэтому они в определенных количествах соединяются в общую солнечную батарею. Чем больше фотоэлементов задействовано в системе, тем выше будет мощность выдаваемой электроэнергии.
Зная принцип работы панелей, можно определить их коэффициент полезного действия. Теоретически, определение КПД представляет собой мощность произведенной электроэнергии, разделенная на мощность энергии солнечных лучей, попадающих на данную панель. Теоретически современные системы способны выдавать до 25%, но в реальности этот показатель составляет не более 15%. Очень многое зависит от материала, из которого изготовлены панели. Например, широко используемый кремний, способен поглощать лишь лучи инфракрасного спектра, а энергия ультрафиолетовых лучей им не воспринимается и пропадает впустую.
В настоящее время ведется работа над созданием многослойных панелей, что дает возможность изготовить солнечные батареи с высоким КПД. В их конструкцию входят различные материалы, расположенные в несколько слоев. Они подобраны таким образом, что способны улавливать все основные энергетические кванты. То есть, каждый слой определенного материала способен поглощать один из видов энергии.
Теоретически у таких устройств КПД может увеличиться до 87%, однако на практике технология изготовления таких панелей довольно сложная. Кроме того, их стоимость получается намного выше по сравнению со стандартными солнечными системами.
КПД солнечной батареи во многом зависит от типа кремния, применяемого в фотоэлементах. Все панели на основе этого материала разделяются на три вида:
- Монокристаллические, с КПД 10-15%. Считаются наиболее эффективными, а их цена заметно выше других устройств.
- Поликристаллические обладают более низкими показателями, однако стоимость одного ватта у них значительно ниже. При использовании качественных материалов, такие панели по эффективности иногда превосходят монокристаллы.
- Гибкие тонкопленочные панели, основой которых является аморфный кремний. Они отличаются простотой в изготовлении и низкой стоимостью. Тем не менее, КПД этих устройств очень низкий, примерно 5-6%. Постепенно, в процессе эксплуатации, их показатели уменьшаются, производительность становится более низкой.
Основные факторы эффективной работы
Эффективная и производительная работа солнечных систем зависит от различных факторов, так или иначе влияющих на конкретное устройство. Многое зависит от температуры наружного воздуха, погоды, а также чистоты поверхности, принимающей лучи.
Большое значение имеет угол, под которым солнечные лучи падают на поверхность фотоэлемента. В идеальных условиях он должен быть прямым, что позволяет добиться максимальной эффективности. С целью увеличения КПД солнечной батареи, некоторые модели оборудуются системами слежения, автоматически изменяющими угол наклона панелей в соответствии с положением солнца в данное время. Эта опция достаточно дорогая и применяется в редких случаях.
Следует избегать нагрева фотоэлементов в процессе работы, поскольку это снижает их эффективность. Потери можно уменьшить, если между панелями и поверхностями, на которых они установлены, оставлять свободное пространство. Воздушные потоки будут постоянно циркулировать и охлаждать работающие устройства.
Рекомендуется периодически мыть и протирать поверхности солнечных батарей. Чистота фотоэлементов способствует повышению коэффициента полезного действия, поскольку количество падающего ни них света поддерживается на должном уровне. В противном случае, из-за недостатка лучистой энергии, панели будут работать менее эффективно. Для установки фотоэлементов следует по возможности выбирать южную сторону, чтобы солнечные панели как можно меньше находились в тени.
Погодные условия нередко играют решающую роль. Чем больше солнечных дней в конкретном регионе, тем более высокой будет плотность излучения, попадающего на солнечные панели. В зимнее время года эффективность батарей снижается до 2-8 раз, поскольку добавляется фактор снега, попадающего на панели и закрывающего поверхности от солнца.
Экономическая целесообразность использования солнечных систем
В солнечных системах отсутствуют какие-либо подвижные узлы и детали, что в значительной степени повышает их долговечность. Минимальный срок службы, заявленный производителями, составляет 25 лет. При условии своевременного обслуживания и соблюдения правил эксплуатации, этот срок может быть увеличен до 50 лет.
Данные устройства не подвержены серьезным поломкам и неисправностям. Все обслуживание заключается в периодической очистке фотоэлементов от загрязнений, налипшего снега и т.д. Своевременный уход существенно увеличивает коэффициент полезного действия и эффективность всей системы. Во многих случаях решение о покупке и установке батарей принимается именно по причине их долговечности. После того как устройство окупит себя, получаемое электричество будет фактически бесплатным.
Полная окупаемость панелей наступает задолго до окончания срока их службы. Единственным серьезным препятствием в использовании этих устройств становится высокая стоимость. Учитывая низкий КПД, многие люди начинают сомневаться в экономической целесообразности такого способа получения электроэнергии. В связи с этим, принимая решение, нужно учитывать все факторы, характерные для данного региона.
Окупаемость и эффективность солнечных батарей зависит от следующих факторов и условий:
- Тип солнечных панелей и оборудования, величина их КПД, начальная цена фотоэлементов.
- Региональные климатические условия. С увеличением интенсивности солнечного излучения, срок окупаемости заметно снижается за счет большего количества произведенной электроэнергии.
- Стоимость оборудования и монтажных работ. Региональная цена электроэнергии.
Специалисты в данной области постоянно работают над повышением эффективности и КПД солнечных панелей. Постепенно снижается и себестоимость фотоэлементов. В перспективе это значительно снизит срок окупаемости и сделает гелиосистемы доступными для широких слоев населения.
Исследования и новейшие разработки в области повышения КПД
Стоит отдельно остановиться на новейших достижениях в области повышения КПД и рассмотреть самые эффективные солнечные батареи. Многие из них еще находятся в стадии теоретических разработок и не прошли полных испытаний в реальных условиях эксплуатации.
Экспериментальные модели представлены следующими производителями:
- Фирма Sharp подготовила образцы продукции с КПД порядка 44,4%. Ее изделия до сих пор занимают лидирующее место во всем мире. Новейшие разработки отличаются сложным устройством, состоят из трех слоев, а на разработку и испытания было затрачено несколько лет. Более простые модели все равно работают с эффективностью 37,9%, что в сравнении с обычными системами является серьезным технологическим прорывом.
- Солнечные панели, разработанные в испанском исследовательском институте IES. В ходе испытаний они показали эффективность в пределах 32,6%. Такой высокий КПД удалось получить за счет использования двухслойных модулей. Стоимость изделий ниже, чем у других производителей, но на данном этапе использовать их в обычных жилых домах экономически невыгодно и нецелесообразно.