При постоянно растущих ценах на электроэнергию поневоле начнешь задумываться об использовании природных источников для электроснабжения. Одна из таких возможностей — солнечные батареи для дома или дачи. При желании они могут обеспечить полностью все потребности даже большого дома.

Устройство системы электропитания от солнечных батарей

Преобразовывать энергию солнца в электричество – эта идея длительное время не давала спать ученым. С открытием свойств полупроводников это стало возможным. В солнечных батареях используются кремниевые кристаллы. При попадании на них солнечного света в них образуется направленное движение электронов, которое называется электрическим током. При соединении достаточного количества таких кристаллов получаем вполне приличные по величине токи: одна панель площадью чуть больше метра (1,3-1,4 м2 при достаточном уровне освещенности может выдать до 270 Вт (напряжение 24 В).

Так как освещенность меняется в зависимости от погоды, времени суток, напрямую подключать устройства к солнечным батареям не получается. Нужна целая система. Кроме солнечных панелей требуется:

• Аккумулятор. На протяжении светового дня под воздействием солнечных лучей солнечные батареи вырабатывают электрический ток для дома, дачи. Он не всегда используется в полном объеме, его излишки накапливаются в аккумуляторе. Накопленная энергия расходуется ненастную погоду.
• Контролер. Не обязательная часть, но желательная (при достаточном количестве средств). Отслеживает уровень заряда аккумулятора, не допуская его чрезмерного разряда или превышения уровня максимального заряда. Оба этих состояния губительны для аккумулятора, так что наличие контролера продлевает срок эксплуатации аккумулятора. Также контролер обеспечивает оптимальный режим работы солнечных панелей.
• Преобразователь постоянного тока в переменный (инвертор). Не все устройства рассчитаны на постоянный ток. Многие работают от переменного напряжения в 220 вольт. Преобразователь дает возможность получить напряжение 220-230 В.

Солнечные батареи для дома — только часть системы

Установив солнечные батареи для дома или дачи, можно стать совершенно независимым от официального поставщика. Но для этого надо иметь большое количество батарей, некоторое количество аккумуляторов. Комплект, который вырабатывает 1,5 кВт а сутки стоит около 1000$. Этого достаточно для обеспечения потребностей дачи или части электрооборудования в доме. Комплект солнечных батарей для производства 4 кВт в сутки стоит порядка 2200$, на 9 кВт в сутки — 6200$. Так как солнечные батареи для дома — модульная система, можно купить установку, которая будет обеспечивать часть потребностей, постепенно увеличивая ее производительность.

Виды солнечных батарей

С ростом цен на энергоносители идея использования энергии солнца для получения электроэнергии становится все более популярной. Тем более, что с развитием технологий солнечные преобразователи становятся эффективнее и, одновременно, дешевле. Так что, при желании, можно свои нужды обеспечить установив солнечные батареи. Но они бывают разных типов. Давайте разбираться.

Сама солнечная батарея — некоторое количество фотоэлементов, которые расположены в общем корпусе, защищенные прозрачной лицевой панелью. Для бытового использования фотоэлементы производят на основе кремния, так как он относительно недорог, и элементы на его основе имеют неплохой КПД (порядка 20-24%). На основе кремниевых кристаллов изготавливают монокристаллические, поликристаллические и тонкопленочные (гибкие) фотоэлементы. Некоторое количество этих фотоэлементов электрически соединены между собой (последовательно и/или параллельно) и выведены на клеммы, расположенные на корпусе.

Фотоэлементы установлены в закрытом корпусе. Корпус солнечной батареи делают из анодированного алюминия. Он легкий, не подвержен коррозии. Лицевую панель делают из прочного стекла, которое должно выдерживать снего-ветровые нагрузки. К тому же оно должно обладать определенными оптическими свойствами — иметь максимальную прозрачность, чтобы пропускать как можно больше лучей. Вообще, из-за отражения теряется значительное количество энергии, так что требования к качеству стекла высокие и еще оно покрывается антибликовым составом.

Виды фотоэлементов для солнечных батарей

Солнечные батареи для дома делают на основе кремневых элементов трех типов;

Если у вас скатная крыша и фасад развернут на юг или восток, слишком сильно думать о занимаемой площади не имеет смысла. Вполне могут устроить поликристаллические модули. При равном количестве производимой энергии они стоят немного дешевле.

Как правильно выбрать систему солнечных батарей для дома

Есть распространенные заблуждения, которые заставляют вас тратить лишние деньги на приобретение чересчур дорогого оборудования. Ниже приведем рекомендации того, как правильно выстроить систему электропитания от солнечных батарей и не потратить лишних денег.

Что надо купить

Далеко не все компоненты солнечной электростанции жизненно необходимы для работы. Без некоторых частей вполне можно обойтись. Они служат для повышения надежности, но без них система работоспособна. Первое, что стоит запомнить — приобретайте солнечные батареи в конце зимы, начале весны. Во-первых, погода в это время отличная, много солнечных дней, снег отражает солнце, увеличивая общую освещенность. Во-вторых, в это время традиционно объявляют скидки. Далее советы такие:

Если воспользоваться только этими советами, и подключить только технику, которая работает от постоянного напряжения, система солнечных батарей для дома обойдется в гораздо более скромную сумму чем самый дешевый комплект. Но это еще не все. Можно еще часть оборудования оставить «на потом» или вообще обойтись без него.

Без чего можно обойтись

Стоимость комплекта солнечных батарей на 1 кВт в сутки — более тысячи долларов. Немалые вложения. Поневоле задумаешься, а стоит ли оно того и каков же будет срок окупаемости. При нынешних тарифах ждать пока отобьются свои деньги придется не один год. Но можно затраты уменьшить. Не за счет качества, но за счет незначительного снижения комфортности эксплуатации системы и за счет разумного подхода к подбору ее компонентов.

Итак, если бюджет ограничен, можно обойтись несколькими солнечными панелями и аккумуляторными батареями, емкость которых на 20-25% выше максимального заряда солнечных панелей. Для мониторинга состояния купите автомобильные часы, которые еще измеряют напряжение. Это избавит вас от необходимости несколько раз в день измерять заряд на АКБ. Вместо этого вам надо будет время от времени смотреть на показания часов. Для старта это все. В дальнейшем можно докупать солнечные батареи для дома, увеличивать количество АКБ. При желании, можно купить инвертор.

Определяемся с размерами и количеством фотоэлементов

В хороших солнечных батареях на 12 вольт должно быть 36 элементов, на 24 вольта — 72 фотоэлемента. Это количество оптимально. При меньшем числе фотоэлементов вы никогда не получите заявленный ток. И это — лучший из вариантов.

Не стоит покупать сдвоенные солнечные панели — по 72 и 144 элемента соответственно. Во-первых, они очень большие, что неудобно при перевозке. Во-вторых, при аномально низких температурах, которые у нас периодически случаются, они первыми выходят из строя. Дело в том, что ламинирующая пленка при морозах сильно уменьшается в размерах. На больших панелях из-за большого натяжения она отслаивается или даже рвется. Теряется прозрачность, катастрофически падает производительность. Панель идет в ремонт.

Второй фактор. На больших по размерам панелях должна быть больше толщина корпуса и стекла. Ведь увеличивается парусность и снеговые нагрузки. Но далеко не всегда это делают, так как значительно возрастает цена. Если вы видите сдвоенную панель, а цена на нее ниже, чем на две «обычных», лучше ищите что-то другое.

Еще раз: лучший выбор — солнечная панель для дома на 12 вольт, состоящая из 36 фотоэлементов. Это оптимальный вариант, проверенный практикой.

Технические характеристики: на что обратить внимание

В сертифицированных солнечных батареях всегда указывается рабочий ток и напряжение, а также напряжение холостого хода и ток КЗ. При этом стоит учесть, что все параметры обычно указываются для температуры +25°C. В солнечный день на крыше батарея разогревается до температур, значительно превышающих эту цифру. Это объясняет наличие большего рабочего напряжения.

Также обратите внимание на напряжение холостого хода. В нормальных батареях оно порядка 22 В. И все бы ничего, но если проводить работы на оборудовании не отключив солнечные батареи, напряжение холостого ходы выведет из строя инвертор или другую подключенную технику, не рассчитанную на подобный вольтаж. Потому при любых работах — переключении проводов, подключении/отключении аккумуляторов и т.д. и т.п — первое что вы должны сделать — отключить солнечные батареи (снять клеммы). Перебрав схему, их подключаете последними. Такой порядок действий сохранит вам много нервов (и денег).

Корпус и стекло

Солнечные батареи для дома имеют алюминиевый корпус. Этот металл не корродирует, при достаточной прочности имеет небольшую массу. Нормальный корпус должен быть собран из профиля, в котором присутствуют, как минимум, два ребра жесткости. К тому же стекло должно быть вставлено в специальный паз, а не закреплено сверху. Все это — признаки нормального качества.

Еще при выборе солнечной батареи обратите внимание на стекло. В нормальных батареях оно не гладкое, а текстурированное. На ощупь — шершавое, если провести ногтями, слышен шорох. К тому же должно иметь качественное покрытие, которое сводит к минимуму блики. Это означает что в нем не должно ничего отражаться. Если хоть под каким-то углом видны отражения окружающих предметов, лучше найдите другую панель.

Выбор сечения кабеля и тонкости электрического подключения

Подключать солнечные батареи для дома необходимо медным одножильным кабелем. Сечение жилы кабеля зависит от расстояния между модулем и АКБ:

• расстояние менее 10 метров:
  • 1,5 мм2 на одну солнечную батарею мощностью 100 Вт;
  • на две батареи — 2,5 мм2;
  • три батареи — 4,0 мм2;
• расстояние больше 10 метров:
  • для подключения одной панели берем 2,5 мм2;
  • двух — 4,0 мм2;
  • трех — 6,0 мм2.

Можно брать сечение больше, но не меньше (будут большие потери, а оно нам не надо). При покупке проводов, обратите внимание на фактическое сечение, так как сегодня заявленные размеры очень часто не соответствуют действительным. Для проверки придется измерять диаметр и считать сечение (как это делать, прочесть можно ).

При сборе системы можно плюсы солнечных батарей провести используя многожильный кабель подходящего сечения, а для минуса использовать один толстый. Перед подключением к аккумуляторам все «плюсы» пропускаем через диоды или диодные сборки с общим катодом. Это предотвращает возможность замыкания аккумулятора (может вызвать возгорание) при замыкании или обрыве проводов между батареями и аккумулятором.

Диоды используют типа SBL2040CT, PBYR040CT. Если такие на нашли, можно снять со старых блоков питания персональных компьютеров. Там обычно стоят SBL3040 или подобные. Пропускать через диоды желательно. Не забудьте что они сильно греются, так что монтировать их надо на радиаторе (можно на едином).

Еще в системе необходим блок предохранителей. По одному на каждого потребителя. Всю нагрузку подключаем через этот блок. Во-первых, система так безопаснее. Во-вторых, при возникновении проблем, проще определить ее источник (по сгоревшему предохранителю).

Солнечные батареи – это уникальная система, позволяющая преобразовывать солнечные лучи в электрическую и тепловую энергию. Растущий спрос на гелиопродукцию, на сегодня, обуславливается ее быстрой окупаемостью и долговечностью, доступностью теплоносителя. Но, какое напряжение способны вырабатывать солнечные батареи? О том, насколько эффективны гелиосистемы, и от чего зависит коэффициент их полезного действия – читайте в статье.

Солнечные батареи с высоким КПД: виды преобразователей

КПД солнечный батарей – это величина, которая равняется отношению мощности электроэнергии к мощности падающих на панель устройства солнечных лучей. Современные солнечные батареи обладают КПД в диапазоне от 10 до 45%. Такая большая разница обуславливается различиями между материалами изготовления и конструкцией пластин батарей.

Так, пластины солнечных батарей могут быть:

• Тонкопленочными;
• Многопереходными.

Солнечные батареи последнего типа, на сегодня, являются наиболее дорогими, но и наиболее продуктивными. Это связано с тем, что каждый переход в пластине поглощает волны с определенной длиной. Таким образом, устройство охватывает весь спектр солнечных лучей. Максимальный КПД батарей с многопереходными панелями, полученный в лабораторных условиях, составляет 43,5%.

Энергетики с уверенностью заявляют, что через несколько лет этот показатель возрастет до 50%. КПД тонкопленочных пластин зависит, в большей степени, от материала их изготовления.

Так, тонкопленочные солнечные батареи делятся на такие виды:

• Кремниевые;
• Кадмиевые.

Наиболее популярными солнечными батареями, которые можно использовать в бытовых целях, считаются установки с кремниевыми пленочными пластинами. Объем таких устройств на рынке составляет 80%. Их КПД достаточно низкий – всего 10%, но они отличаются доступностью и надежностью. На несколько процентов показатель полезного действия выше у кадмиевых пластин. Пленки с частицами селенида, меди, индия и галлия имеют более высокий КПД, который равняется 15%.

От чего зависит эффективность солнечных батарей

На КПД фотоэлектрических преобразователей влияет масса факторов. Так, как было отмечено выше, количество вырабатываемой энергии зависит от структуры панели преобразователя, материала их изготовления.

Кроме того, эффективность солнечных преобразователей зависит от:

• Силы солнечного излучения. Так, при снижении солнечной активности, мощность гелиоустановок снижается. Чтобы батареи обеспечивали потребителя энергией и в ночное время, их снабжают специальными аккумуляторами.
• Температуры воздуха. Так, солнечные батареи с охлаждающими устройствами являются более продуктивными: нагрев панелей негативно сказывается на их способности преобразовывать энергию в ток. Так, в морозную ясную погоду КПД гелиобатарей выше, нежели в солнечную и жаркую.
• Угла наклона устройства и падения солнечных лучей. Для обеспечения максимальной эффективности, панель солнечной батареи должна быть направлена строго под солнечное излучение. Наиболее эффективными считаются модели, уровень наклона которых можно менять относительно расположения Солнца.
• Погодных условий. На практике отмечено, что в районах с пасмурной, дождливой погодой эффективность солнечных преобразователей значительно ниже, нежели в солнечных регионах.

Кроме того, на эффективность солнечных преобразователей влияет и уровень их чистоты. Для того, чтобы устройство могло работать продуктивно, его пластины должны потреблять как можно больше солнечного излучения. Сделать это можно лишь в том случае, если приборы чистые.

Скопление на экране снега, пыли и грязи может уменьшить КПД устройства на 7%.

Мыть экраны рекомендуется 1-4 раза в год в зависимости от степени загрязнений. При этом, для очистки можно использовать шланг с насадкой. Технический осмотр преобразовательных элементов следует проводить раз в 3-4 месяца.

Мощность солнечных батарей на квадратный метр

Как было замечено выше, в среднем, один квадратный метр фотоэлектрических преобразователей обеспечивает выработку 13-18% от мощности попадающих на него солнечных лучей. То есть, при самых благоприятных условиях, с квадратного метра солнечных батарей можно получить 130-180 Вт.

Мощность гелиосистем можно увеличивать, наращивая панели и увеличивая площадь фотоэлектрических преобразователей.

Получить большую мощность можно и, установив панели с более высоким КПД. Тем не менее, достаточно низкий (в сравнении, например, с индукционными преобразователями) коэффициент полезного действия доступных солнечных батарей является главной преградой на пути к их широкому использованию. Увеличение мощности и КПД гелиосистем является первостепенными задачами современной энергетики.

Самые эффективные солнечные батареи: рейтинг

Наиболее эффективные солнечные преобразователи, на сегодня, производит фирма Sharp. Трехслойные, мощные, концентрирующие солнечные панели имеют эффективность в 44,4%. Стоимость их невероятно высока, поэтому они нашли применение лишь в авиационно-космической промышленности.

Наиболее доступными и эффективными являются современные солнечные батареи от компаний:

• Panasonic Eco Solutions;
• First Solar;
• MiaSole;
• JinkoSolar;
• Trina Solar;
• Yingli Green;
• ReneSola;
• Canadian Solar.

Компания Sun Power производят самые надежные солнечные преобразователи с КПД в 21,5%. Продукция этой компании пользуется абсолютной популярностью на коммерческих и производственных объектах, уступая, разве что, устройствам от Q-Cells.

КПД солнечных батарей (видео)

Современные солнечные батареи, как экологически чистые устройства преобразования энергии с неиссякаемым теплоносителем, набирают всю большую популярность. Уже сегодня девайсы с фотоэлектрическими преобразователями используют для бытовых целей (зарядки телефонов, планшетов). Эффективность солнечных установок пока уступает альтернативным способам получения энергии. Но, повышение КПД преобразователей – это первостепенная задача современной энергетики.

Сейчас вы узнаете то, о чем никогда не расскажут продавцы солнечных панелей.

Ровно год назад, в октябре 2015 года, в качестве эксперимента я решил записаться в ряды «зеленых», спасающих нашу планету от преждевременной гибели, и приобрел солнечные панели максимальной мощностью 200 ватт и грид-инвертор рассчитанный максимум на 300 (500) ватт вырабатываемой мощности. На фотографии вы можете увидеть структуру поликристаллической 200-ваттной панели, но через пару дней после покупки стало ясно, что в одиночной конфигурации у неё слишком низкое напряжение, недостаточное для правильной работы моего грид-инвертора.

Поэтому мне пришлось её поменять на две 100-ваттных монокристаллических панели. Теоретически они должны быть немного эффективнее, по факту же они просто дороже. Это панели высокого качества, российского бренда Sunways. За две панели я заплатил 14 800 рублей.

Вторая статья расходов - грид-инвертор китайского производства. Производитель никак себя не обозначил, но устройство сделано качественно, а вскрытие показало, что внутренние компоненты рассчитаны на мощность до 500 ватт (вместо 300, написанных на корпусе). Стоит такой грид всего 5 000 рублей. Грид - это гениальное устройство. С одной стороны к нему подключается + и - от солнечных панелей, а с другой стороны он с помощью обычной электрической вилки подключается совершенно в любую электрическую розетку в вашем доме. В процессе работы грид подстраивается под частоту в сети и начинает "выкачивать" переменный ток (сконвертированный из постоянного) в вашу домашную сеть 220 вольт.

Грид работает только при наличии напряжения в сети и его нельзя рассматривать как резервный источник питания. Это его единственный минус. А колоссальным плюсом грид инвертора является то, что вам в принципе не нужны аккумуляторы. Ведь именно аккумуляторы являются самым слабым звеном в альтернативной энергетике. Если та же солнечная панель гарантированно отработает более 25 лет (то есть через 25 лет она потеряет примерно 20% своей производительности), то срок службы обыкновенного свинцового аккумулятора в аналогичных условиях составит 3-4 года. Гелевые и AGM аккумуляторы прослужат дольше, до 10 лет, но они и стоят в 5 раз дороже обычных аккумуляторов.

Поскольку у меня есть сетевое электричество, то мне никакие аккумуляторы не нужны. Если же делать систему автономной, то нужно добавить к бюджету еще 15-20 тысяч рублей на аккумулятор и контроллер к нему.

Теперь, что касается выработки электроэнергии. Вся энергия вырабатываемая солнечными панелями в реальном времени попадает в сеть. Если в доме есть потребители этой энергии, то она вся будет израсходована, а счетчик на вводе в дом «крутиться» не будет. Если же моментальная выработка электроэнергии превысит потребляемую в данный момент, то вся энергия будет передана обратно в сеть. То есть счетчик будет «крутиться» в обратную сторону. Но тут есть нюансы.

Во-первых, многие современные электронные счетчики считают проходящий через них ток без учета его направления (то есть вы будете платить за отдаваемую обратно в сеть электроэнергию). А во-вторых, российское законодательство не разрешает частным лицам продавать электроэнергию. Такое разрешено в Европе и именно поэтому там каждый второй дом обвешан солнечными панелями, что в совокупности с высокими сетевыми тарифами позволяет действительно экономить.

Что делать в России? Не ставить солнечные панели, которые могут выработать энергии больше, чем текущее дневное энергопотребление в доме. Именно по этой причине у меня всего две панели суммарной мощностью 200 ватт, которые с учетом потерь инвертора могут отдать в сеть примерно 160-170 ватт. А мой дом стабильно круглосуточно потребляет примерно 130-150 ватт в час. То есть вся выработанная солнечными панелями энергия будет гарантированно потреблена внутри дома.

Для контроля вырабатываемой и потребляемой энергии я пользуюсь Smappee. Я уже писал про него в прошлом году. У него два трансформатора тока, которые позволяют вести учет как сетевой, так и вырабатываемой солнечными панелями электроэнергии.

Начнём с теории, и перейдем к практике.

В интернете есть много калькуляторов солнечных электростанций. Из моих исходных данных согласно калькулятору следует, что среднегодовая выработка электроэнергии моих солнечных панелей составит 0,66 квтч/сутки, а суммарная выработка за год - 239,9 квтч.

Это данные для идеальных погодных условий и без учета потерь на конвертацию постоянного тока в переменный (вы же не собираетесь переделывать электроснабжение своего домохозяйства на постоянное напряжение?). В реальности полученную цифру можно смело делить на два.

Сравниваем с реальными данными по выработке за год:

2015 год - 5,84 квтч
Октябрь - 2,96 квтч (с 10 октября)
Ноябрь - 1,5 квтч
Декабрь - 1,38 квтч
2016 год - 111,7 квтч
Январь - 0,75 квтч
Февраль - 5,28 квтч
Март - 8,61 квтч
Апрель - 14 квтч
Май - 19,74 квтч
Июнь - 19,4 квтч
Июль - 17,1 квтч
Август - 17,53 квтч
Сентябрь - 7,52 квтч
Октябрь - 1,81 квтч (до 10 октября)

Всего: 117,5 квтч

Вот график выработки и потребления электроэнергии в загородном доме за последние 6 месяцев (апрель-октябрь 2016 года). Именно за апрель-август солнечными панелями была выработана львиная доля (более 70%) электрической энергии. В остальные месяцы года выработка была невозможна по большей части из-за облачности и снега. Ну и не забываем, что КПД грида по конвертации постоянного тока в переменный примерно 60-65%.

Солнечные панели установлены практически в идеальных условиях. Направление строго на юг, поблизости нет высоких домов отбрасывающих тень, угол установки относительно горизонта - ровно 45 градусов. Этот угол даст максимальную среднегодовую выработку электроэнергии. Конечно можно было купить поворотный механизм с электроприводом и функцией слежения за солнцем, но это бы увеличило бюджет всей установки практически в 2 раза, тем самым отодвинув срок её окупаемости в бесконечность.

По выработке солнечной энергии в солнечные дни у меня нет никаких вопросов. Она полностью соответствует расчетным. И даже снижение выработки зимой, когда солнце не поднимается высоко над горизонтом не было бы настолько критично, если бы не... облачность. Именно облачность является главным врагом фотовольтаики. Вот вам почасовая выработка за два дня: 5 и 6 октября 2016 года. Пятого октября светило солнце, а 6 октября небо затянули свинцовые тучи. Солнце, ау! Ты где спряталось?

Зимой есть еще одна небольшая проблема - снег. Решить её можно только одним способом, установить панели практически вертикально. Либо каждый день вручную очищать их от снега. Но снег это ерунда, главное чтобы светило солнце. Пусть даже низко над горизонтом.

Итак, подсчитаем расходы:

Грид инвертор (300-500 ватт) - 5 000 рублей
Монокристаллическая солнечная панель (Grade A - высшего качества) 2 шт по 100 ватт - 14 800 рублей
Провода для подключения солнечных панелей (сечением 6 мм2) - 700 рублей
Итого: 20 500 рублей.
За прошедший отчетный период было выработано 117,5 квтч, по текущему дневному тарифу (5,53 руб/квтч) это составит 650 рублей.
Если предположить, что стоимость сетевых тарифов не изменится (на самом деле они изменяются в большую сторону 2 раза в год), то свои вложения в альтернативную энергетику я смогу вернуть только через 32 года!

А уж если добавить аккумуляторы, то вся эта система никогда себя не окупит. Поэтому солнечная энергетика при наличии сетевого электричества может быть выгодна только в одном случае - когда у нас электроэнергия будет стоить как в Европе. Вот будет стоить 1 квтч сетевого электричества более 25 рублей, вот тогда солнечные панели будут очень выгодны.
Пока же использовать солнечные панели выгодно только там, где нет сетевого электричества, а его проведение стоит слишком дорого. Предположим, что у вас его загородный дом, расположенный в 3-5 км от ближайшей электрической линии. Причем она высоковольтная (то есть потребуется установка трансформатора), а у вас нет соседей (не с кем разделить расходы). То есть за подключение к сети вам придется заплатить условно 500 000 рублей, а после этого еще и платить по сетевым тарифам. Вот в этом случае вам будет выгоднее купить на эту сумму солнечные панели, контроллер и аккумуляторы - ведь после ввода системы в эксплуатацию вам уже больше платить не нужно будет.
А пока стоит рассматривать фотовольтаику исключительно, как хобби.

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.

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.