Почему солнечные панели настолько неэффективны? (Надо знать!)

Солнечные панели состоят из ячеек, каждая из которых имеет «активную» площадь поверхности около 60,0 см². Ячейки состоят из полупроводникового материала, который преобразует солнечный свет в электричество посредством фотогальванического эффекта.

Однако из-за явления, известного как внутренняя рекомбинация, клетки могут преобразовывать в электричество только теоретический максимум 33,16% (±0,5%) ^1 энергии, переносимой фотонами с энергией более значительной, чем ширина запрещенной зоны.

Чтобы больше энергии можно было преобразовать в электричество, необходимо соединить несколько ячеек, что увеличивает стоимость и снижает эффективность.

В этой статье мы рассмотрим некоторые ключевые моменты, такие как:

• Что такое КПД солнечной панели?
• Как повысить КПД солнечной батареи.
• Почему солнечные батареи такие неэффективные.

Вы будете удивлены, насколько низка эффективность большинства солнечных панелей. Прочтите статью, чтобы узнать больше.

Содержание показывать

Что такое КПД солнечной панели?

Эффективность солнечной панели — это процент солнечной энергии, которая преобразуется в электричество. Это отношение выходной мощности к входной мощности. Например, 100-ваттная панель с эффективностью 16% будет иметь выходную мощность 16 Вт.

Эффективность однопереходной ячейки ограничила эффективность солнечных панелей.

Теоретический верхний предел для высокоэффективных солнечных элементов составляет около 33,16% (±0,5%).

В настоящее время коммерчески доступны многопереходные фотоэлектрические элементы с эффективностью более 44%..

НАСА работает над различными технологиями для достижения эффективности более 100%. Но на практике большинство установленных солнечных панелей имеют эффективность от 10 до 20%.

Почему солнечные панели такие неэффективные?

Несмотря на то, что сегодня доступно много различных типов солнечных элементов с эффективностью от 10% до 45%, большинство коммерчески доступных солнечных элементов имеют среднюю эффективность от 17 до 20%.

Это означает, что если вы разместите их достаточное количество рядом друг с другом, они будут более эффективны, чем массив с эффективностью 20%, поскольку он производит больше энергии на определенной площади.

Фундаментальный предел заключается в том, что ни одна отдельная клетка никогда не преобразует более 33,7% входящих фотонов в электричество..

Это полностью отсоединило бы электроны от их ядер, создав таким образом электрический ток без перемещения заряда между электродами. Сегодня самые эффективные солнечные панели используют высокоочищенный кремний с чрезвычайно четкими границами кристаллов.

Эти полупроводниковые слои могут преобразовывать 41% всей доступной энергии фотосинтеза в электричество, просто перемещая заряды через материал (не требуя химических реакций, как это делают растения).

Это обеспечивает общий КПД преобразования энергии 90%.

Но даже если бы мы взяли за отправную точку чистый кристаллический кремний, в солнечных панелях все еще есть много других факторов, которые мешают идеальной эффективности..

Солнечные панели имеют не лучшее соотношение площади к выходной электрической мощности — они поглощают меньше света, чем плоская поверхность той же площади.

Это связано с тем, что только определенный диапазон длин волн поглощается кремнием и другими материалами, используемыми для производства солнечных элементов.

Это также связано с тем, что для достижения максимального потенциала необходимо использовать несколько технологий вместе: фотоэлектрические элементы могут преобразовывать солнечный свет в электричество, но им нужны инверторы для преобразования постоянного тока в переменный, а массив конденсаторов будет хранить избыточную энергию до тех пор, пока она не понадобится.

См. также Влияние ветра на солнечные панели.

Потери инвертора составляют в среднем еще 7%, а это означает, что при КПД 20% мы могли бы иметь массив, способный генерировать электроэнергию с КПД 97%, но это не так..

Солнечные панели рассчитаны на максимальную производительность в пиковые солнечные часы, которые в большинстве мест совпадают с периодами пикового спроса.

Таким образом, солнечные компании проектируют свои панели таким образом, чтобы максимизировать количество энергии, которую вы можете ожидать в период с 10:00 до 14:00; таким образом, несмотря на то, что вы можете использовать их в течение всего дня, вы получите только ~ 80% емкости, потому что они были разработаны для работы с высокой эффективностью в эти идеальные времена.

Многие компоненты также исключены из более дешевых продуктов, чтобы снизить затраты, например, обходные диоды, повышающие эффективность панели на 2%.

Могут ли солнечные панели быть эффективными на 100%?

Эффективность солнечной панели ограничена однопереходной ячейкой. Солнечные панели действуют как клапан для солнечного света, пропуская фотоны, но не позволяя им выйти.

Фотоны с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны, поглощаются и создают мобильные электроны, которые можно использовать для создания электрического тока.

Однако внутренняя рекомбинация происходит из-за того, что электроны находятся в состояниях внутри запрещенной зоны примерно в середине солнечного спектра; они действуют как крошечные антенны, поглощающие световые волны определенной длины и посылающие энергию в виде тепла, а не преобразующие ее в электричество..

Чтобы больше энергии можно было преобразовать в электричество, необходимо соединить несколько ячеек, что увеличивает стоимость и снижает эффективность. Текущие коммерчески доступные многопереходные фотоэлектрические элементы имеют КПД более 44%.

Как мы можем повысить эффективность солнечных батарей?

НАСА работает над различными технологиями для повышения эффективности солнечных батарей. Одним из наиболее многообещающих подходов будет использование нескольких тонкопленочных тандемных ячеек, уложенных слоями, причем каждый слой предназначен для разных частей солнечного спектра. Этот подход использует совместное испарение

Для создания полупроводниковых слоев с различной шириной запрещенной зоны, чтобы фотоны всегда сталкивались с материалом, ширина запрещенной зоны которого меньше, чем энергия их фотонов.

Верхняя ячейка в ячейке с тройным соединением может быть настроена на улавливание в основном синего и зеленого света; эта ячейка будет иметь толщину в несколько тысяч ангстрем, потому что ей нужно поглощать только коротковолновый свет.

Каждая последующая клетка поглощает все более длинные волны; таким образом, современные технологические реализации состоят примерно из 20 полупроводниковых слоев, каждый толщиной в тысячу ангстрем или около того.

В результате общая толщина составляет от 30 до 60 микрометров, что достаточно для крупномасштабного развертывания на крышах или на электростанциях.

Насколько мы близки к тому, чтобы сделать солнечные панели со стопроцентной эффективностью?

Ближе всего к этому ученые подошли к использованию многопереходных фотоэлектрических элементов с эффективностью более 44%..

НАСА работает над различными технологиями для достижения эффективности более 100%, но на практике большинство установленных солнечных панелей имеют эффективность от 10 до 20%.

Это означает, что если бы эти панели были размещены рядом, они производили бы больше энергии, чем такое же количество панелей, со средней эффективностью 20%.

В целом, лучшие коммерчески доступные солнечные панели имеют КПД от 17 до 20%.

Хотя несколько многообещающих технологий находятся в разработке, ни одна из них не будет готова к коммерческому использованию примерно до 2020 года. Тем временем другие подходы могут повысить эффективность, не требуя никаких новых технологий.

Одним из решений было бы добавление крошечных наноконусов или нанопроводов к существующим клеткам, которые будут рассеивать свет в боковые пути, которые в противном случае не собирались бы обычными плоскими клетками..

См. также Как проверить полярность панели солнечных батарей (обратная + исправления)

Такой подход желателен, потому что его можно дешево и эффективно применить на этапе производства даже к старым панелям — и он должен работать практически с любым типом ячеек.

Покрытие также может поглощать некоторые длины волн лучше, чем другие, из-за своего химического состава, что требует от ученых точной настройки спектра поглощаемого света.

Любой подход может повысить эффективность солнечных панелей на крышах на 30%. Тем не менее, вероятно, сначала это будет реализовано на солнечных фермах, где большая площадь поверхности означает более значительную экономию средств.

Как рассчитать мощность солнечной панели?

Чтобы рассчитать выходную мощность солнечной панели, вам в идеале нужно знать, к какой части цветового спектра и, следовательно, к какому диапазону длин волн ваша ячейка наиболее чувствительна..

Некоторые производители прямо заявляют об этом в своих спецификациях или на веб-страницах, но если нет, вы можете узнать это самостоятельно.

Мультиметра с фотогальванической функцией будет достаточно для измерения VOC (напряжение холостого хода) и JSC (ток короткого замыкания). Затем эти значения можно использовать для расчета выходной мощности.

Зная значение тока короткого замыкания (JSC) и одно другое значение, например, напряжение холостого хода (VOC), мы можем быстро определить, какую мощность (AC) выдает наша панель..

Как только мы узнаем выходное значение переменного тока, мы также можем рассчитать процент света, который наша солнечная панель может преобразовать в электричество (% VOC).

Это значение сильно зависит от кривой спектрального отклика ваших панелей, которую вам придется получить самостоятельно или найти в таблице данных.

Какая солнечная панель самая эффективная?

Есть много факторов, которые влияют на то, какая солнечная панель является наиболее эффективной. Например, существуют разные типы кремниевых элементов с совершенно разной эффективностью:

• монокристаллический Si имеет эффективность от 16 до 18%
• мультикристаллический Si имеет эффективность от 13 до 15%
• тонкопленочные технологии достигли 20%, но в настоящее время они имеют низкое проникновение на рынок.

Ведущие компании солнечной индустрии все более и более эффективно производят кремниевые элементы.

Лидер отрасли SunPower недавно установил новый рекорд с КПД 24%..

Panasonic тоже заслуживает внимания.В настоящее время компания разрабатывает элемент, который будет поглощать 44% энергии солнечного света, что почти вдвое превышает количество света, поглощаемого существующими клетками.

На данный момент нет крупных производителей, которые достигли эффективности выше 32%; однако их исследования показывают, что они должны достичь 40% в течение следующих пяти лет.

Какие факторы влияют на КПД солнечных батарей?

Эффективность солнечной панели определяется:
• используемый материал
• тип клетки (аморфные, монокристаллические и поликристаллические клетки)
• как он был изготовлен.

Кремний в настоящее время является наиболее часто используемым полупроводником в солнечных элементах; однако существуют и другие материалы, такие как арсенид галлия или теллурид кадмия.

Кремний должен быть обработан атомами бора и фосфора, чтобы создать большое количество свободных электронов (электронов, которые могут свободно перемещаться в материале)..

Чем больше свободных электронов доступно, тем больше электричества мы получим от нашей солнечной панели. Этот процесс обработки известен как «легирование» и создает кремний p-типа или n-типа (положительный или отрицательный).

Кремний P-типа имеет множество свободных «дырок», в основном дырок в материале, заполненных электронами. Дырки действуют как положительно заряженные частицы и могут перемещаться в материале так же, как электроны.

Общие вопросы и ответы по солнечным панелям

Какие проблемы решают солнечные батареи?

С точки зрения экологии, солнечные панели потенциально могут решить несколько проблем, в том числе;
1. Загрязнение воздуха
2. Загрязнение воды
3. Парниковые газы
4. Сокращение использования ископаемого топлива

Для частных лиц солнечная энергия позволяет стать полностью самодостаточным, когда речь идет о ваших потребностях в электроэнергии, и может сэкономить вам много денег в долгосрочной перспективе.

Каковы 3 важных применения солнечных панелей?

Три наиболее важных применения солнечных батарей:
1. Солнечное электричество. Его можно использовать для питания практически любой бытовой техники в вашем доме, включая телевизоры, компьютеры и холодильники.
2. Освещение. В дополнение к использованию маломощных светодиодных ламп солнечные панели могут обеспечить эффективный, недорогой и экологически чистый способ освещения домов.
3. Портативный солнечный. В нашей современной, всегда связанной жизни наши телефоны, планшеты и компьютеры почти всегда с нами, и все они работают от батарей. Портативные фотоэлектрические зарядные устройства могут помочь зарядить наши батареи независимо от того, где мы находимся, пока есть солнце для их зарядки.

Дают ли солнечные батареи бесплатное электричество?

Как только стоимость массива полностью оплачена, производимая им энергия становится бесплатной. Также существуют текущие расходы на техническое обслуживание, такие как ежегодная очистка панелей и т. д.

Сколько будет мой счет за электричество с солнечными панелями?

Предположим, ваша солнечная батарея включает в себя резервную систему солнечных батарей, и она достаточно велика, чтобы полностью покрыть потребление энергии в день. В этом случае ваш ежемесячный счет за электроэнергию будет равен нулю, даже если система привязана к сети.

Если ваша солнечная батарея не включает резервную систему солнечной батареи, то ночью ваш дом или бизнес будет использовать электроэнергию из сети. Эта стоимость будет варьироваться, но ожидайте, что вы заплатите от 1/3 до 2/3 вашего среднего счета за электроэнергию, и эта стоимость будет колебаться в зависимости от сезона.

Вы экономите деньги с солнечными панелями?

Простой ответ: да, вы экономите деньги с солнечными панелями. Существует первоначальная предоплата, но, поскольку гарантия на солнечные панели составляет 25 лет, со временем вы сэкономите деньги. Вы также начнете видеть ежемесячную экономию на счетах за электроэнергию, но есть и другие способы, которыми солнечные панели окупают вас. К ним относятся:
1. Повышение ценности вашего дома или коммерческого здания
2. Ежемесячное снижение затрат на электроэнергию
3. Возможность добавления дополнительных энергоприборов без увеличения ежемесячных затрат
4. Потенциал налоговых льгот для перехода на солнечную энергию

Могут ли солнечные батареи питать дом 24 часа в сутки 7 дней в неделю?

Определенно! Солнечные панели, безусловно, могут питать дом 24 часа в сутки 7 дней в неделю, конечно же, с добавлением высококачественного инвертора и подходящего аккумулятора.Однако для питания дома при нормальном использовании потребуется массивная солнечная батарея, и первоначальные финансовые затраты будут очень высокими.

Нужно ли мне сообщать поставщику энергии, что у меня есть солнечные батареи?

Это зависит от того, где вы живете, но в большинстве случаев нет необходимости сообщать вашему поставщику энергии, что у вас есть солнечные батареи. Тем не менее, вы можете производить избыточную энергию с помощью своей солнечной системы, и в этом случае вы сможете продать эту избыточную энергию обратно энергетическим компаниям.

В этом случае вам, естественно, нужно будет с ними связаться.

Как называются солнечные батареи и почему?

Солнечные элементы также называют фотоэлектрическими (PV) элементами. Они называются так потому, что термин «фотоэлектрический» буквально означает свет, т. е. фото, и электричество, т. е. гальванический.

Эти элементы генерируют электричество за счет фотогальванического эффекта. Этот эффект в основном вызывает генерацию свободных электронов из полупроводникового кремниевого материала солнечной панели, когда солнечный свет падает на ее поверхность.

Какой тип солнечных панелей наиболее эффективен и почему?

В настоящее время на рынке доступны три типа солнечных панелей:
1. Монокристаллический
2. Поликристаллический
3. Тонкопленочный

Среди них монокристаллические солнечные панели, как известно, являются наиболее эффективными среди всех остальных.

Тепло поступает в ваш дом через крышу?

Абсолютно. Тепло проникает в ваш дом через крышу, а в жаркий день на чердаке может быть до 150 градусов по Фаренгейту и более. Благодаря теплопроводности солнечное тепло нагревает вашу крышу, которая затем нагревает ваш чердак и остальную часть вашего дома.

Sol Voltaics является аффилированным лицом и партнером Amazon. Мы зарабатываем на соответствующих покупках без каких-либо дополнительных затрат для вас.