Оборудование энергоэффективных СЭС – одно из главных направлений развития альтернативной энергетики. Основным инженерным вопросом в данной отрасли является поиск путей повышения КПД и нахождение сопутствующих материалов для изготовления фотопанелей. В перспективе при появлении нужных ресурсов для создания близкой к идеалу технологии преобразования солнечного света в ток можно увеличить нынешние показатели получения энергии как минимум втрое.
КПД современных фотопанелей
Нынешние фотоэлементы имеют коэффициент полезного действия в 15-30%, что гораздо меньше теоретических показателей в 85-88%. Этот разрыв связан с большими вынужденными потерями, появляющимися в процессе преобразования света в электричество. Основными факторами, оказывающими влияние на величину энергопотерь, являются:
-
физические особенности p/n-перехода для разных видов проводников;
-
оптические законы светопоглощения и светопреломления;
-
внешняя температура и степень влажности;
-
угол размещения панелей к свету;
-
КПД и материал ячеек.
Производительность фотопанелей находится в большой зависимости от типа полупроводников, из которых изготовлены ячейки. Современные фотоэлементы изготавливают из следующих веществ и компонентов.
-
Аморфный кремний (A-Si). До перехода на тонкопленочные технологии отдача данных батарей равнялась 5-7%, но после возросла до 14-16%. Показатель энергоэффективности находится на стабильном уровне благодаря «рыхлой» структуре, позволяющей поглощать в том числе слабое или рассеянное излучение.
-
Поликремний (Poli-Si). Заявленный КПД находится на уровне 19-21%. Снижение показателей при неблагоприятном освещении среднее из-за того, что кристаллы поглотительного слоя расположены разнонаправленно.
-
Монокристаллический кремний (Mono-Si). В идеальных условиях освещенности отдача способна достичь 24%. Смена угла размещения к Солнцу и увеличение температуры резко снижает показатель.
-
Теллурид кадмия (Cd-Te). Данные фотоэлементы получают широкое распространение все больше благодаря низкой стоимости при значительной средней производительности. Они демонстрируют более стабильные показатели, нежели панели из чистого кремния из-за идеальной ширины запрещенной зоны p/n-перехода. КПД слегка уступает поликристаллам, однако в среднем энергоотдача этих батарей выше.
-
Селенид меди/индия/галлия (CIGS). Производительность таких моделей в 40% и более достигается посредством многослойного расположения ячеек. Данные элементы имеют высокую стоимость, потому пока распространены в основном в авиакосмической отрасли.
-
Фотоэлементы на основе органических веществ, полимеров и полупроводников с квантовыми точками. Низкая цена, простота в производстве и отличный уровень поглощения этих панелей перечеркивает незначительный срок эксплуатации, не более 2000 часов, и весьма небольшая энергоотдача в 6-15%.
Сторонние факторы, влияющие на энергоэффективность батарей
Помимо вида производственного материала на КПД фотоэлементов влияют и внешние обстоятельства. Наиболее значимыме из них перечислены ниже.
-
Степень освещенности. Основополагающий фактор, без которого функционирование любой солнечной станции практически невозможно.
-
Положение панелей относительно Солнца и рассеянный свет. Увеличение угла наклона больше всего действует на элементы из монокристаллов. Незначительные изменения в производительности при ухудшении условий освещения покажут редкоземельные панели.
-
Падение тени. Моно- и поликристаллические батареи критично реагируют на данный фактор, вплоть до возникновения неисправностей. Тонкопленочные элементы этому менее подвержены.
-
Осадки. Влага не воздействует на ячейки, однако нарушение целостности защитного слоя вследствие механического воздействия чревато потерей герметичности и появлению эффекта деградации PID.
-
Колебания температуры. Резкие скачки пагубны для фотомодулей. При этом заморозки почти не влияют на КПД, тогда как нагрев свыше +25 градусов для элементов из моно- и поликремния вызывают снижение энергоэффективности на 0,5% с каждым градусом. Так, нагрев поверхности до 60-70 может привести к снижению производительности на 20% от заявленной.
