Рентабельность солнечных панелей. Эффективность работы солнечных панелей разных типов и способы ее повышения
Рекордсменом по КПД среди солнечных батарей, из числа так или иначе доступных на рынке сегодня, являются, разработанные Институтом гелиоэнергетических систем Общества имени Фраунгофера в Германии, солнечные батареи на базе многослойных фотоэлементов. Начиная с 2005 года, их коммерческим внедрением занимается компания Soitec.
Размер самих фотоэлементов не превышает 4 миллиметра, а фокусировка солнечного света на них достигается путем применения вспомогательных концентрирующих линз, благодаря которым насыщенный солнечный свет преобразуется в электричество с КПД достигающим 47%.
Батарея содержит четыре p-n перехода, чтобы четыре различные звена фотоэлемента могли эффективно принимать и преобразовывать излучение с конкретной длиной волны, из солнечного света, сконцентрированного в 297,3 раза, в диапазоне длин волн от инфракрасного до ультрафиолетового.
Исследователи под руководством Франка Димирота изначально поставили перед собой задачу вырастить многослойный кристалл, и решение было найдено, - они срастили подложки для выращивания, и в результате был получен кристалл с различными полупроводниковыми слоями, с четырьмя фотоэлектрическими подъячейками.
Многослойные фотоэлементы давно используются на космических аппаратах, но теперь на их основе запущены и солнечные станции уже в 18 странах. Это становится возможным благодаря совершенствованию и удешевлению технологии. В итоге, количество стран, снабженных новыми солнечными станциями, будет расти, и налицо тенденция к конкуренции на рынке промышленных солнечных батарей.
На втором месте - солнечные батареи на базе трехслойных фотоэлементов Sharp, КПД которых достиг 44,4%. Фосфид индия-галлия - первый слой фотоэлемента, арсенид галлия - второй, арсенид индия-галлия - третий слой. Три слоя разделены диэлектриком, который служит для достижения туннельного эффекта.
Концентрация света на фотоэлемент достигается благодаря линзе Френеля, как и у немецких разработчиков, - свет солнца концентрируется в 302 раза, и преобразуется трехслойным полупроводниковым фотоэлементом.
Научные исследования по развитию этой технологии непрерывно велись Sharp, начиная с 2003 года при поддержке NEDO - японской организации общественного управления, содействующей научным исследованиям и развитию, а также распространению промышленных, энергетических и экологических технологий. К 2013 году Sharp был достигнут рекорд в 44,4%.
За два года до Sharp, в 2011 году, американская компания Solar Junction уже выпустила аналогичные батареи, но с КПД 43,5%, элементы которых обладали размером 5 на 5 мм, и фокусировка также производилась линзами, концентрируя свет солнца в 400 раз. Фотоэлементы были трехпереходными на основе германия, и группа планировала даже создать пяти и шестипереходные фотоэлементы, чтобы лучше захватить спектр. Исследования ведутся компанией и по сей день.
Таким образом, максимально рекордным КПД обладают солнечные батареи, выполненные в сочетании с концентраторами, которые, как мы видим, производят и в Европе, и в Азии, и в Америке. Но эти батареи в основном изготавливаются для постройки наземных солнечных электростанций крупных масштабов и для эффективного электроснабжения космических аппаратов.
Недавно был поставлен рекорд в сфере обычных потребительских солнечных панелей, которые доступны большинству желающих снабдить ими, например, крышу дома.
В середине осени 2015 года компания Илона Маска «SolarCity» представила наиболее эффективные потребительские солнечные панели, КПД которых превышает 22%.
Этот показатель подтвердили замеры, проведенные лабораторией Renewable Energy Test Center. Завод в Баффало уже ставит план производства на каждый день - от 9 до 10 тысяч солнечных панелей, точные характеристики которых пока не сообщаются. Компания уже планирует снабжать своими батареями не менее 200000 домов ежегодно.
Дело в том, что оптимизированный технологический процесс позволил предприятию значительно снизить стоимость производства, при этом повысив КПД в 2 раза по сравнению с широко распространенными потребительскими кремниевыми солнечными панелями. Маск уверен, что именно его солнечные панели будут пользоваться наибольшей популярностью у домовладельцев в ближайшем будущем.
Ежедневно на нашу планету поступают миллиарды киловатт солнечной энергии. Люди уже давно начали использовать эту энергию для своих нужд. С течением прогресса для преобразования энергии солнечного света стали использовать солнечные батареи. Но эффективны ли эти приборы? Сколько составляет КПД солнечных батарей, и от чего он зависит? Каков их срок окупаемости и как можно вычислить рентабельность использования солнечных батарей? Эти вопросы волнуют каждого, кто планирует или уже решил приобрести солнечные панели, поэтому этой актуальной теме посвящена настоящая статья.
Давайте вкратце разберем, на чем основан принцип действия солнечных панелей. В основе лежит физическое свойство полупроводников. Вследствие выбивания фотонами света электронов с внешней орбиты атомов, образуется достаточно большое количество свободных электронов. После замыкания цепи и возникает электрический ток. Но, как правило, одного-двух фотоэлементов для получения достаточной мощности не хватает, поэтому, в состав солнечных модулей чаще всего входит несколько солнечных батарей. Чем больше фотоэлементов соединяют вместе, то есть чем больше площадь солнечных панелей, тем больше и производимая ими мощность. Помимо площади панелей ощутимое влияние на производимую мощность оказывают интенсивность солнечного света и угол падения лучей.
Разбираем понятие КПД
Значение КПД панели получают путем деления мощности электрической энергии на мощность солнечного света, падающего на панель. На сегодняшний день среднее значение этого показателя на практике составляет 12-25%, в теории же эта цифра приближается к 80-85%. В чем же причина такой большой разницы? В первую очередь, это зависит от используемых для изготовления солнечных панелей материалов. Как уже известно, основной элемент, входящий в состав панелей, это кремний. Один из главных недостатков этого вещества – способность поглощать лишь инфракрасное излучение, то есть энергия ультрафиолетовых лучей тратится впустую. Поэтому одно из основных направлений, в котором работают ученые, пытающиеся увеличить КПД солнечных панелей – это разработка многослойных модулей.
Многослойные батареи представляют собой конструкцию, состоящую из слоев различных материалов. Их подбирают в расчете на кванты разной энергии. То есть один слой поглощает энергию зеленого цвета, второй – синего, третий – красного. В теории различные комбинации этих слоев могут дать значение КПД 87%. Но это, к сожалению, лишь теория. Как показывает практика, изготовление подобных конструкций в производственных масштабах очень трудоемкое занятие, да и стоимость таких модулей очень высока.
На КПД солнечных модулей влияет и вид используемого кремния. Панели, изготовленные из монокристаллического кремния, имеют более высокий коэффициент полезного действия, нежели панели из поликристаллического кремния. Но и цена монокристаллических батарей выше.
Основное правило: при более высоком КПД для генерации электроэнергии заданной мощности потребуется модуль меньшей площади, то есть в состав солнечной панели будет включено меньшее количество фотоэлементов.
Как быстро окупятся солнечные батареи?
Стоимость солнечных батарей сегодня достаточно высока. А с учетом небольшого значения КПД панелей, вопрос их окупаемости очень актуален. Срок службы батарей, работающих от солнечной энергии, составляет порядка 25 и более лет. О том, чем обусловлен столь долгий срок эксплуатации, мы поговорим чуть позже, а пока выясним озвученный выше вопрос.
На срок окупаемости влияют:
- Тип выбранного оборудования. Однослойные фотоэлементы имеют более низкий КПД в сравнении с многослойными, но и гораздо меньшую цену.
- Географическое положение, то есть чем больше солнечного света в Вашей местности, тем быстрее окупится установленный модуль.
- Стоимость оборудования. Чем больше средств Вы потратили на приобретение и монтаж элементов, входящих в состав солнечной системы энергосбережения, тем длиннее срок окупаемости.
- Стоимость энергоресурсов в Вашем регионе.
Средние цифры срока окупаемости для стран Южной Европы составляют 1,5-2 года, для стран Средней Европы – 2,5-3,5 года, а в России срок окупаемости равен примерно 2-5 годам. В ближайшем будущем эффективность солнечных батарей значительно увеличится, связано это с разработкой более совершенных технологий, позволяющих увеличивать КПД и снижать себестоимость панелей. А как следствие уменьшится и срок, в течение которого система энергосбережения на солнечной энергии окупит себя.
Сколько прослужат солнечные батареи?
В состав солнечных панелей не входят механические подвижные части, поэтому они достаточно надежны и долговечны. Как уже упоминалось выше, срок их службы составляет более 25 лет. При правильной эксплуатации они могут прослужить и 50 лет. Большим плюсом является то, что столь долгий срок службы обходится без крупных поломок, достаточно лишь систематически очищать зеркала фотоэлементов от пыли и других загрязнений. Это необходимо для лучшего поглощения энергии, а, следовательно, и для более высокого показателя КПД.
Долгий период службы является одним из главных критериев при принятии решения «приобретать или нет солнечные батареи». После того как батареи окупят сами себя, получаемая Вами электрическая энергия, будет абсолютно бесплатной. Даже если период окупаемости будет максимальным (порядка 6 лет), Вы как минимум 20-25 лет не будете платить за энергоресурсы.
Последние разработки, увеличивающие показатель КПД
Чуть ли не каждый день ученые по всему миру заявляют о разработке нового метода, позволяющего увеличить коэффициент полезного действия солнечных модулей. Познакомимся с самыми интересными из них. В прошлом году компания Sharp представила общественности солнечный элемент, эффективность которого составила 43,5%. Этой цифры они смогли добиться с помощью установки линзы для фокусировки энергии непосредственно в элементе.
Не отстают от компании Sharp и немецкие физики. В июне 2013 года они представили свой фотоэлемент площадью всего в 5,2 кв. мм, состоящий из 4-х слоев полупроводниковых элементов. Такая технология позволила добиться КПД в 44,7%. Максимальная эффективность в данном случае также достигается за счет помещения вогнутого зеркала в фокус.
В октябре 2013 года были опубликованы результаты работ ученых из Стэнфорда. Они разработали новый жаропрочный композит, способный увеличить производительность фотоэлементов. Теоретическое значение КПД составляет около 80%. Как мы писали выше, полупроводники, в состав которых входит кремний, способны поглощать лишь ИК-излучение. Так вот действие нового композитного материала направлено на перевод высокочастотного излучения в инфракрасное.
Следующими стали английский ученые. Они разработали технологию, способную увеличить эффективность элементов на 22%. Они предложили на гладкой поверхности тонкопленочных панелей разместить наношипы из алюминия. Этот металл был выбран по причине того, что солнечный свет им не поглощается, а, наоборот, рассеивается. Следовательно, увеличивается количество поглощаемой солнечной энергии. Отсюда и рост производительности солнечной батареи.
Здесь приведены лишь основные разработки, но дело ими не ограничивается. Ученые борются за каждую десятую долю процента, и пока им это удается. Будем надеяться, что в ближайшем будущем показатели эффективности солнечных батарей будут на должном уровне. Ведь тогда и выгода от использования панелей будет максимальной.
Статью подготовила Абдуллина Регина
В Москве уже применяют новые технологии освещения улиц и парков, я думаю, там экономическая эффективность была просчитана:
О базовой станции на солнечных батареях. Оговорка состояла в том, что срок окупаемости системы питания на солнечных панелях - 2-3 года. Я по роду деятельности занимаюсь монтажом и наладкой систем альтернативных источников энергии и, как мне видится, авторы статей на данную тематику занижают время, в течении которого система полностью окупается, причем в несколько раз.
Не претендую на абсолютную точность, но цифры берутся не с потолка, а с конкретного объекта, на котором делали бригадой монтаж – Симферопольский производственно-складской комплекс «Мяско». В расчеты включены основные самые затратные статьи.
Данный завод уже имел на момент начала наших работ ферму на 300+ панелей, собранных по модульной системе. Мы добавляли еще шесть контуров по двадцать панелей. (Контур – объединение определенного количества панелей в один источник энергии, таким образом набирается контур нужного для инвертора напряжения).
Сухие расчеты
Теперь немного к цифрам, все расчеты ведутся с стоимостью доставки в Крым с территории Германии.
Итого:
Ферма в 120 панелей обходится в 59.000 долларов. В эти расчеты еще не включена оплата труда проектировщику, инженеру и монтажникам. В сумме все выльется в бюджет, стремящийся к 65.000$.
Фактическая выработка электроэнергии
Теоретически, в идеальных условиях, одна панель должна выдавать примерно 220-230Вт в час (в пересчете на привычные нам 220 вольт). Ниже представлены графики, которые ведет блок управления в инверторе, мониторить их можно удаленно.Солнечный день :
Переменная облачность :
Месячный график :
В последнем графике следует учесть, что два дня система выключалась на время, а три первых дня месяца и два последних отсутствуют.
В стабильно солнечный летний месяц, с продолжительным световым днем, такая ферма выдаст максимум 4500-4700кВт*ч. Зная эти цифры, можно подсчитать рентабельность системы, учитывая тарифы на электроэнергию.
При этом нужно учесть, что ферма собрана без аккумуляторов, их наличие увеличило бы общую стоимость системы, время окупаемости, соответственно, тоже.
Таким образом, у меня никак не получается выйти на окупаемость в 2-3 года. 10 лет - более-менее реальный срок.
Дата добавления: 30.04.2015
В наше время возобновляемая энергетика, особенно где используется солнечная энергия, развивается очень интенсивно. В связи с этим продолжается активный поиск способов и устройств, повышение продуктивности существующих систем, позволяющих максимально эффективно преобразовать энергию солнца в электричество. Тут можно выделить два направления - прямое преобразование солнечного излучения в электрический ток, и многократное преобразование солнечной энергии - в тепло, далее в механическую работу, а потом в электричество. Пока во втором направлении достигнуты более высокие результаты - промышленные гелиоустановки с концентраторами, турбинами или двигателями Стирлинга показывают отличную продуктивность преобразования солнечной энергии. Так, на эксплуатирующейся в в Нью-Мексико гелиостанции с солнечными концентраторами и двигателями Стирлинга получен КПД на выходе, с учетом расходов энергии на систему ориентации и прочее - 31,25 %.
Но подобные гелиоустановки чрезвычайно сложные и дорогие, эффективны в условиях очень высокой солнечной инсоляции и пока достаточного развития в мире не получили. Поэтому прямые преобразователи солнечного излучения - солнечные батареи , занимают лидирующее положение в мире солнечной энергетики по инсталляциям и спектру применения. Продуктивность серийных промышленных солнечных панелей на сегодняшнее время, в зависимости от технологии, находится в диапазоне от 7 до 20%. Технологии не стоят на месте, развиваются и совершенствуются, уже разрабатываются и тестируются новые ячейки, по крайней мере, вдвое продуктивнее существующих. Попробуем вкратце рассмотреть основные направления развития фотоэлектрических панелей, технологий и их продуктивности.
Подавляющее большинство ячеек солнечных преобразователей современных серийных фотомодулей изготавливается из монокристаллического (C-Si), или поликристаллического (МС-Si) кремния. На сегодняшний день такие кремниевые фотоэлектрические модули занимают около 90% рынка фотоэлектрических преобразователей, из которых примерно 2/3 приходится на поликристаллический кремний и 1/3 — на монокристаллический. Далее идут солнечные модули, фотоэлементы которых изготовлены по тонкопленочной технологии - методом осаждения, или напыления фоточувствительных веществ на различные подложки. Существенное преимущество модулей из этих элементов - более низкая стоимость продукции, ведь для их требуется примерно в 100 раз меньше материала по сравнению с кремниевыми пластинами. И пока что меньше всего представлены многопереходные солнечные элементы из так называемых тандемных, или многопереходных ячеек (multijunction cells).
Доли рынка фотоэлектрических панелей различных технологий:
Кремниевые кристаллические фотомодули .
КПД ячеек кремниевых модулей на сегодня порядка 15 - 20% (поликристаллы - монокристаллы). Этот показатель в целом скоро может быть увеличен на несколько процентов. Например, компания SunTech Power, один из крупнейших мировых производителей модулей из кристаллического кремния, заявила о своем намерении в течении ближайшей пары лет выпустить на рынок фотомодули с КПД 22%. Существующие же лабораторные образцы монокристаллических ячеек показывают производительность 25%, поликристаллических - 20,5%. Теоретический максимальный КПД у кремниевых однопереходных (p-n) элементов - 33,7%. Пока он не достигнут, и основная задача производителей, кроме увеличения эффективности ячеек - усовершенствование технологии производства, удешевление фотомодулей.
Отдельно позиционируются фотомодули компании Sanyo, произведенные по технологии HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin layer) с использованием нескольких слоев кремния, аналогично тандемным многослойным ячейкам. КПД таких элементов из монокристаллического C-Si и нескольких слоев нано кристаллического nc-Si - 23%. Это самый высокий на сегодня показатель КПД ячеек серийных кристаллических модулей, своего рода нано солнечные батареи.
Тонкопленочные солнечные батареи эффективность.
Под этим названием подразумевается несколько различных технологий, о производительности которых вкратце расскажем. В настоящее время существует три основных типа неорганических пленочных солнечных элементов - кремниевые пленки на основе аморфного кремния (a-Si), пленки на основе теллурида кадмия (CdTe) и пленки селенида меди-индия-галлия (CuInGaSe2, или CIGS). КПД современных тонкопленочных солнечных батарей на основе аморфного кремния около 10%, фотомодулей на основе теллурида кадмия - 10-11% (компания First Solar), на основе селенида меди-индия-галлия - 12-13% (японские солнечные модули SOLAR FRONTIER). Показатели эффективности пред серийных элементов: CdTe имеют КПД 15.7% (модули MiaSole), а CIGS элементов 18,7% (ЕМРА). КПД отдельных тонкопленочных солнечных батарей значительно выше, например, данные по производительности лабораторных образцов элементов из аморфного кремния - 12,2% (компания United Solar), CdTe элементов - 17,3% (First Solar), CIGS элементов - 20,5% (ZSW). Пока солнечные преобразователи на основе тонких пленок аморфного кремния лидируют по объемам производства среди других тонкопленочных технологий - объем мирового рынка тонкопленочных Si элементов около 80%, солнечных ячеек на основе теллурида кадмия - около 18% рынка, и селенид меди-индия-галлия - 2% рынка. Это связано, в первую очередь, со стоимостью и доступностью сырья, а так же более высокой стабильностью характеристик, чем в многослойных структурах. Ведь кремний - один из самых распространенных элементов в земной коре, индий же (элементы CIGS) и теллур (элементы CdTe) рассеяны и добываются в малом количестве. Кроме того, кадмий (элементы CdTe) токсичен, хотя все производители таких солнечных модулей гарантируют полную утилизацию своей продукции. Так же процесс деградации в элементах тонкопленочных модулей протекает быстрее кристаллических ячеек. Дальнейшее развитие фотоэлектрических преобразователей на основе неорганических тонких пленок связано с усовершенствованием технологии производства и стабилизации их параметров.
К тонкопленочным солнечным батареям относятся также органические/полимерные тонкопленочные светочувствительные элементы и сенсибилизированные красители. В этом направлении коммерческое применение солнечных элементов пока ограничено, все находится в лабораторной стадии, а так же в совершенствовании технологии будущего серийного производства. Ряд источников заявил о достижении КПД элементов на органических преобразователях больше 10%: немецкая компания Heliatek -10,7%, университета Калифорнии UCLA - 10,6%. Группа ученых из лаборатории в EPFL получила КПД 12,3% ячеек из сенсибилизированных красителей. Вообще направление органических тонкопленочных элементов, а так же светочувствительных красителей считается одним из перспективных. Регулярно делаются заявления о достижении очередного рекорда эффективности, выходе технологий за стены лабораторий, покрытии в скором времени всех доступных поверхностей высокоэффективными и дешевыми солнечными преобразователями - компании Konarka, Dyesol, Solarmer Energy. Работы сосредоточены над повышением стабильности характеристик, удешевлением технологий.
Многопереходные (многослойные, тандемные) солнечные панели характеристики.
Ячейки из таких элементов содержат слои различных материалов, образовывающие несколько p-n переходов. Идеальный солнечный элемент в теории должен иметь сотни различных слоев (p-n переходов), каждый из которых настроен на небольшой диапазон длин волн света во всем спектре, от ультрафиолетового до инфракрасного. Каждый переход поглощает солнечное излучение с определенной длиной волны, таким образом, охватывая весь спектр. Основным материалом для таких элементов являются соединения галлия (Ga) - фосфид индия галлия, арсенид галлия, и др.
Одним из частных решений преобразования всего солнечного спектра является применение призм, разлагающих солнечный свет на спектры, концентрирующиеся на однопереходных элементах с различным диапазоном преобразования излучения. Не смотря на то, что исследования в области многопереходных солнечных элементов продолжаются уже два десятилетия, и фотомодули из таких ячеек успешно работают в космосе (солнечные батареи станции «Мир», марсоходов «Mars Exploration Rover» и др.), их практическое земное использование начато сравнительно недавно. Первые коммерческие продукты на таких элементах вышли на рынок несколько лет назад и показали отличный результат, а исследования в этом направлении постоянно приковывают к себе внимание. Дело в том, что теоретический КПД двухслойных ячеек может составить 42% эффективности, трехслойных ячеек 49%, а ячеек с бесконечным количеством слоев - 68% не фокусированного солнечного света. Предел продуктивности ячеек с бесконечным количеством слоев составляет 86,8% при применении концентрированного солнечного излучения. На сегодня практические результаты КПД для многопереходных ячеек составляют порядка 30% при не сфокусированном солнечном свете. Этого недостаточно, чтобы компенсировать затраты на производство таких ячеек - стоимость многопереходной ячейки примерно в 100 раз выше аналогичной по площади кремниевой, поэтому в конструкциях модулей из многопереходных ячеек применяются концентраторы для фокусировки света в 500 - 1000 раз. Концентратор в виде линзы Френеля и параболического зеркала собирает солнечный свет с площади, в 1000 раз превышающей площадь ячейки. Полная стоимость фотомодулей из многопереходных ячеек с применением концентраторов (СРV) значительно удешевляется за счет недорогих линз и подложек, компенсируя высокую стоимость производства самой ячейки. При этом производительность ячеек возрастает до 40%.
Солнечные батареи характеристики. Например, КПД ячеек компании SolFocus размером 5,5 мм х 5,5 мм составляет 40% при применении концентраторов; а средние размеры ячеек в СРV системах имеют размеры в диапазоне от 5,5 мм х 5,5 мм до 1 см х 1 см. При чем для производства 1см? ячеек необходима 1/1000 сырья в сравнении с ячейкой аналогичной продуктивности из кристаллического кремния. Чтобы многопереходные ячейки работали с максимальной эффективностью, необходима постоянная высокая интенсивность солнечного излучения, для этого применяются двухосевые системы ориентации СРV систем. Местами развертывания солнечных ферм на базе модулей из многопереходных ячеек с концентраторами являются регионы с высокой солнечной инсоляцией.
Максимальный КПД многопереходных ячеек, полученный в лабораторных условиях c применением концентраторов, составляет на сегодня 43,5% (Solar Junction), и по прогнозам, будет увеличен в ближайших пару лет до 50%.
Как видим, на сегодня существуют солнечные ячейки с высокой продуктивностью, изготавливаемые по различным технологиям, и основная задача производителей - удешевление конечного продукта, адаптация лабораторных исследований для массового производства. Не смотря на малый расход сырья в тонкопленочных солнечных элементах, стоимость некоторых компонентов в разных видах довольно высокая, так же, как энергоемки сами технологии производства. Остается под вопросом долговременная стабильность параметров. Пока еще очень дорогими являются многопереходные солнечные ячейки, для максимальной эффективной работы которых к тому же необходима повышенная концентрация солнечного излучения. Поэтому кристаллические кремниевые элементы в ближайшее время будут удерживать лидирующие позиции на рынке фотоэлектрических преобразователей, снижаясь в цене. Потеснят их только эффективные и дешевые тонкопленочные модули, возможно, из полимерных полупроводников, или светочувствительных красителей. Но прогнозы в развитии той, или иной технологии - дело не благодарное. Поживем - увидим.