Ефективність сонячних батарей, їх ККД і терміни окупності

1. Розбираємо поняття ККД
2. Як швидко окупляться сонячні батареї?
3. Скільки прослужать сонячні батареї?
4. Останні розробки, що збільшують показник ККД

Щодня на нашу планету надходять мільярди кіловат сонячної енергії. Люди вже давно почали використовувати цю енергію для своїх потреб. З плином прогресу для перетворення енергії сонячного світла стали використовувати сонячні батареї. Але чи ефективні ці прилади? Скільки становить ККД сонячних батарей, і від чого він залежить? Який їхній термін окупності і як можна обчислити рентабельність використання сонячних батарей? Ці питання хвилюють кожного, хто планує або вже вирішив придбати сонячні панелі, тому цій актуальній темі присвячена ця стаття.

Давайте коротко розберемо, на чому заснований принцип дії сонячних панелей. В основі лежить фізичне властивість напівпровідників. Внаслідок вибивання фотонами світла електронів з зовнішньої орбіти атомів, утворюється досить велика кількість вільних електронів. Після замикання ланцюга і виникає електричний струм. Але, як правило, одного-двох фотоелементів для отримання достатньої потужності не вистачає, тому, до складу сонячних модулів найчастіше входить кілька сонячних батарей. Чим більше фотоелементів з'єднують разом, тобто чим більше площа сонячних панелей, тим більше і вироблена ними потужність. Крім площі панелей відчутний вплив на вироблену потужність надають інтенсивність сонячного світла і кут падіння променів.

Розбираємо поняття ККД

Значення ККД панелі отримують шляхом ділення потужності електричної енергії на потужність сонячного світла, що падає на панель. На сьогоднішній день середнє значення цього показника на практиці становить 12-25%, в теорії ж ця цифра наближається до 80-85%. У чому ж причина такої великої різниці? В першу чергу, це залежить від використовуваних для виготовлення сонячних панелей матеріалів. Як вже відомо, основний елемент, що входить до складу панелей, це кремній. Один з головних недоліків цієї речовини - здатність поглинати лише інфрачервоне випромінювання, тобто енергія ультрафіолетових променів витрачається даремно. Тому одне з основних напрямків, в якому працюють вчені, які намагаються збільшити ККД сонячних панелей - це розробка багатошарових модулів.

Багатошарові батареї являють собою конструкцію, що складається з шарів різних матеріалів. Їх підбирають в розрахунку на кванти різної енергії. Тобто один шар поглинає енергію зеленого кольору, другий - синього, третій - червоного. В теорії різні комбінації цих шарів можуть дати значення ККД 87%. Але це, на жаль, лише теорія. Як показує практика, виготовлення подібних конструкцій у виробничих масштабах дуже трудомістке заняття, та й вартість таких модулів дуже висока.

На ККД сонячних модулів впливає і вид використовуваного кремнію. Панелі, виготовлені з монокристалічного кремнію, мають більш високий коефіцієнт корисної дії, ніж панелі з полікристалічного кремнію. Але і ціна монокристалічних батарей вище.

Основне правило: при більш високому ККД для генерації електроенергії заданої потужності потрібно модуль меншої площі, тобто до складу сонячної панелі буде включено меншу кількість фотоелементів.

Як швидко окупляться сонячні батареї?

Вартість сонячних батарей сьогодні досить висока. А з огляду на невисокий значення ККД панелей, питання їх окупності дуже актуальне. Термін служби батарей, що працюють від сонячної енергії, становить близько 25 і більше років. Про те, чим обумовлений такий довгий термін експлуатації, ми поговоримо трохи пізніше, а поки з'ясуємо озвучений вище питання.

На термін окупності впливають:

• Тип вибраного обладнання. Одношарові фотоелементи мають більш низький ККД в порівнянні з багатошаровими, а й набагато меншу ціну.
• Географічне положення, тобто чим більше сонячного світла у Вашій місцевості, тим швидше окупиться встановлений модуль.
• Вартість обладнання. Чим більше коштів Ви витратили на придбання і монтаж елементів, що входять до складу сонячної системи енергозбереження, тим довший термін окупності.
• Вартість енергоресурсів у Вашому регіоні.

Середні цифри терміну окупності для країн Південної Європи складають 1,5-2 роки, для країн Середньої Європи - 2,5-3,5 року, а в Росії термін окупності дорівнює приблизно 2-5 років. У найближчому майбутньому ефективність сонячних батарей значно збільшиться, пов'язано це з розробкою більш досконалих технологій, що дозволяють збільшувати ККД і знижувати собівартість панелей. А як наслідок зменшиться і термін, протягом якого система енергозбереження на сонячній енергії окупить себе.

Скільки прослужать сонячні батареї?

До складу сонячних панелей не входять механічні рухомі частини, тому вони досить надійні і довговічні. Як уже згадувалося вище, термін їх служби складає більше 25 років. При правильній експлуатації вони можуть прослужити і 50 років. Великим плюсом є те, що такий довгий термін служби обходиться без великих поломок, досить лише систематично очищати дзеркала фотоелементів від пилу і інших забруднень. Це необхідно для кращого поглинання енергії, а, отже, і для більш високого показника ККД.

Довгий період служби є одним з головних критеріїв при прийнятті рішення «купувати чи ні сонячні батареї». Після того як батареї окуплять самі себе, що отримується Вами електрична енергія, буде абсолютно безкоштовною. Навіть якщо період окупності буде максимальним (близько 6 років), Ви як мінімум 20-25 років не будете платити за енергоресурси.

Останні розробки, що збільшують показник ККД

Чи не кожен день вчені по всьому світу заявляють про розробку нового методу, що дозволяє збільшити коефіцієнт корисної дії сонячних модулів. Познайомимося з найцікавішими з них. У минулому році компанія Sharp представила громадськості сонячний елемент, ефективність якого склала 43,5%. Цією цифри вони змогли домогтися за допомогою установки лінзи для фокусування енергії безпосередньо в елементі.

Не відстають від компанії Sharp і німецькі фізики. У червні 2013 року вони представили свій фотоелемент площею всього в 5,2 кв. мм, що складається з 4-х шарів напівпровідникових елементів. Така технологія дозволила добитися ККД в 44,7%. Максимальна ефективність в даному випадку також досягається за рахунок приміщення увігнутого дзеркала в фокус.

У жовтні 2013 року було опубліковано результати робіт вчених зі Стенфорда. Вони розробили новий жароміцний композит, здатний збільшити продуктивність фотоелементів. Теоретичне значення ККД становить близько 80%. Як ми писали вище, напівпровідники, до складу яких входить кремній, здатні поглинати лише ІК-випромінювання. Так ось дію нового композитного матеріалу направлено на переклад високочастотного випромінювання в інфрачервоне.

Наступними стали англійський вчені. Вони розробили технологію, здатну збільшити ефективність елементів на 22%. Вони запропонували на гладкій поверхні тонкоплівкових панелей розмістити наношіпи з алюмінію. Цей метал був обраний через те, що сонячне світло їм не поглинається, а, навпаки, розсіюється. Отже, збільшується кількість поглинається сонячної енергії. Звідси і зростання продуктивності сонячної батареї.

Тут наведені лише основні розробки, але справа ними не обмежується. Вчені борються за кожну десяту частку відсотка, і поки їм це вдається. Будемо сподіватися, що в найближчому майбутньому показники ефективності сонячних батарей будуть на належному рівні. Адже тоді і вигода від використання панелей буде максимальною.

Статтю підготувала Абдулліна Регіна

У Москві вже застосовують нові технології освітлення вулиць і парків, я думаю, там економічна ефективність була прорахована: