Эффективность солнечных панелей

• Коэффициент полезного действия
• Всепогодные и ночные панели
• Особенности б/у панелей
• Зависимость от времени года
• Что может быть еще хуже, чем полная затененность
• Как увеличить КПД
• Климатический фактор
• Сохранение эффективности

Данный вопрос правильно было бы разделить на две части, так как уровень выработки состоит из двух факторов - КПД и качества модулей, а также климатических условий эксплуатации. Прежде всего стоит рассмотреть уровень преобразования энергии и значимые характеристики.

Техническая производительность солнечных батарей

Большинство панелей, применяемых в украинских домашних электростанциях - поликристаллические. Их КПД составляет от 13% до 17%. Для сравнения, в монокристаллических этот показатель равен 18-22%. Огромные потери вызваны тем, что большая часть свет отражается от кремниевых пластин или идет на нагрев самой конструкции.

На уровень преобразования световой энергии влияет и материал модулей. Так, у более дешевых кадмиевых пластин КПД составляет 11%, у фотоэлементов, состоящих из смесей солей галлия, меди, индия и селена (CIGS) - 15%, а у аналогов из органических полимеров - от 5%.

В 2018 году компанией Solliance совместно с Исследовательским центром по энергетике Нидерландов была создана и испытана первая кремниево-перовскитная панель с показателем эффективности 26,3%. В массовое производство пока еще не запущена.

Тем не менее такой показатель считается очень высоким, так как до недавнего времени пределом было 18%. Но, применение новых материалов и фотогальванического стекла сделало этот показатель еще выше.

«Всепогодные» панели

В 2017 году китайские ученые создали так называемые всепогодные солнечные батареи, работающие не только в любую погоду, но и ночью. Секрет разработки в том, что стекло покрытое люминофором длительного послесвечения (LPP), сохраняющем инфракрасный и ультрафиолетовый спектр, невидимый для человеческого глаза. Ночью LPP высвобождает монохроматический свет, и он преобразуется в электроэнергию.

Благодаря такой технологии панель работает круглосуточно.

Еще одно направление для технического совершенствования - сохранение начального уровня преобразования, по сути базового КПД, на протяжении длительного времени. Дело в том, что кремниевые фотоэлементы деградируют и со временем теряют производительность.

Тем не менее этот показатель постоянно растет, и даже появились аналоги, устойчивые к деградации. Но, пока это только экспериментальная технология, она еще не доказала свою эффективность на практике.

Эффективность панелей с «пробегом»

В странах Европы популярный сервис покупки дешевых б/у-шных панелей. Помните, если Вы купите подержанную модель, скорее всего ее номинальная мощность будет ниже заявленной. Для максимальной продуктивности, лучше всё таки новые батареи. Тем более с каждой новой серией, благодаря увеличению КПД, растет номинальная мощность при сохранении размеров.

Как времена года влияют на эффективность

Помимо базового увеличения КПД, выработка батарей возрастает с приходом лета. Длинный летний день по сравнению с зимой в разы увеличивает время работы, а значит и объем выработанного электричества. Но, из-за жары падает номинальная производительность. Например, вместо заявленного КПД 16%, по факту будет 14-15%.

Зимой же наоборот, на квадратный метр площади будет падать меньше света, но уровень переработки достигнет 18-19%.

На этот показатель влияет и наклон. Дело в том, что зимой Солнце находится низко над горизонтом и панель необходимо немного приподнять, а летом - наоборот, опустить. При этом лучше, чтобы панели были повернуты к Солнцу.

Если вы уже читали статью про установку панелей, то знаете, что нет смысла размещать панели с других сторон, кроме как южной, так как там выработка будет минимальной.

Лучший вариант, когда в односкатная крыша направлена на юг и её площади хватает для размещения. В двускатных крышах, расположенных с севера на юг, полезной будет только половина кровли.

Например, Вам необходимо разместить те же 30 панелей общей площадью 48,9 м2. Для этого понадобится приблизительно 50 м2. Даже если у Вас крыша на 150м2, но только 40 м2 из нее «смотрят» на юг, ее не хватит.

Но, даже если весь скат повернут в правильную сторону, это еще не значит что батареи будут работать как часы. Например, если в определенное время суток на панели упадет тень от соседнего дерева, снизится общая производительность.

Почему частичная затененность хуже полной

Особенность работы инверторов такая, что если часть панелей будет в тени это негативно повлияет на выработку всех модулей, даже тех, что находятся под Солнцем. Они как бы будут работать, но всего лишь на половину от реального потенциала.

От этого не только падает эффективность, но и страдают сами панели. Нагреваются кремниевые ячейки, увеличивается износ токоведущих частей. Если в таком режиме СЭС проработает несколько суток, то ничего страшного, а вот при регулярной частичной затененности будет снижаться базовый КПД и ослабнут контакты между элементами, что выльется в отказ определенных зон батареи.

Вопрос решается подключением одинаково освещенных блоков электростанции к отдельным МРРТ (трекеров поиска точки максимальной мощности) клеммам инвертора, но в большинстве моделей таких трекеров редко встречается больше двух, а в маломощных моделях даже одного.

Если на одной из панелей падает выработка, инвертор подстраивается под ее токовое характеристики из-за чего возникают потери в остальных - принцип слабого звена. МРРТ трекер меняет параметры инвертора, за счет чего потери электричества снижаются.

Например, если вдруг на одну из панелей упадет тень, потери на остальных участках могут достигать 40%. МРРТ снижает этот показатель до 2%.

Для недопущения таких ситуаций, важно чтобы все панели были расположены на одном участке под одинаковым углом.

Как Вы помните, угол падения солнечных лучей влияет на производительность. Батареи наиболее эффективные, когда лучи падают под прямым углом.

Такое происходит только на экваторе, у нас же лучи падают на землю под средним наклоном 56-57°. Соответственно, чтобы они падали под прямым углом на поверхность, она должна быть под наклоном 33-34° относительно земли.

Угол падения солнечных лучей меняется от времени года. Летом Солнце находится высоко и лучи падают под углом до 69°, а зимой оно снижается и наклон составляет всего 14°.

Чтобы компенсировать наклон крыши, применяют специальный каркас, увеличивающий или уменьшающий угол крепления фотоэлементов. Он выглядит менее эстетично, чем обычный, но зато так Вы не потеряете ценные киловатты.

В проектах новых домов с солнечными батареями наклон крыши обычно планируется еще на этапе строительства. Если у Вас старый дом и не хватает кровли для размещения всей конструкции, не останавливайтесь только на классическом варианте.

Как увеличить КПД

Что делать, если крыша не подходит для солнечных панелей. Решением такого вопроса станет установка на опору. В отличие от кровли, здесь ничего не ограничивает пространство вокруг панели, что делает возможным ее вращение. А чтобы оно было автоматическим - поставьте поворотный трекер.

Он вращает панели на 360°, одновременно меняя угол и направление. Принцип работы достаточно простой: индикатор определяет место положения Солнца, дает сигнал на электромотор, вращающий трекер и он плавно поворачивает фотоэлементы на него. Вся система автономная и запитана от самой батареи.

Поворотный трекер увеличивает эффективность на 30-40%, но из-за высокой стоимости чаще применяется в промышленных электростанциях, чем домашних.

Сама установка - очень сложный и точный процесс, потому его лучше доверить специалистам. А вот как определиться с каркасом и мощностью солнечных батарей читайте тут.

Климатический фактор производительности

Эффективность панелей зависит от интенсивности света. Чем лучше освещенность, тем больше мощности будет выработано. Соответственно погодные и климатические условия - не менее весомый фактор, влияющий на продуктивность.

Большинство панелей рассчитаны для работы в температурном режиме от -40°C до +80°C, и чем меньше температура, тем выше уровень преобразования. Стандартной температурой считается +25°C, именно при ней измеряется номинальная мощность. С каждым градусом эффективность теряется или повышается на 0,41%.

Например, если Вы поставили 270-ваттную панель, жарким летом при +35°C ее мощность составит примерно 257Вт, а зимой при -20°C - 298 Вт.

В полярных широтах моментальная эффективность за счет пониженной температуры больше чем на экваторе, но за счет меньшего количества света - в целом эффективность ниже. Поэтому в жарких странах солнечные электростанции более популярны.

Фото: Солнечные панели на британской антарктической исследовательской станции «Принцесса Елизавета»

Фото: Солнечная ферма Топаз, Калифорния, США - самая мощная в мире - (1096 МВт)

Фото: Солнечный парк Перово, Крым - крупнейшая в Европе СЭС - (133 МВт)

Еще на производительность влияет географическое расположение. Так, например, в северных широтах летом длинный день, а зимой - короткая ночь, значит летом СЭС работает дольше и у нее больше выработка. В южном полушарии все с точностью до наоборот.

В Украине, чем южнее будет расположение, тем больше производительность. На карте солнечной инсоляции подана информация, сколько световой энергии получает квадратный метр земли в среднем за год. По ней прослеживаются такие тенденции, что чем дальше на юг, тем чаще там светит Солнце.

В восточной Украине уровень инсоляции выше, чем на западе. Это вызвано скорее климатическими особенностями и близостью западных областей к странам Балтийского региона, где часто формируются зоны низкого давления с частыми осадками.

Чтобы узнать, где выгоднее всего добывать «солнечное» электричество достаточно посмотреть готовую таблицу средней годовой выработки на этой странице, где мы рассчитывали окупаемость солнечной электростанции.

В среднем каждый год в определенном населенном пункте вырабатывается одинаковый объем электроэнергии. Но, в с мая по август батарея работает эффективнее, чем в другие месяцы, а с ноября по февраль - наоборот.

Такую закономерность подтверждают диаграммы исследований влияния времени года на среднюю выработку. Для сравнения и анализа возьмем несколько регионов Украины. В графиках представлен пример СЭС на 10 кВт, наклоненной на 33,5° к Солнцу.

В некоторых областях, как в Киевской, максимальная отдача достигается пару месяцев в году, в остальном нарастает и снижается к зимнему периоду. Практически по всей территории страны наиболее продуктивные 6 месяцев - с мая по август.

Исключения из этой закономерности - Одесская область и Крым, где эффективность сравнительно высокая на протяжении всего года, даже зимой.

Это усредненные результаты, и точно подсчитать невозможно, так на выработку влияет количество облачных и безоблачных дней. Сложно предугадать ясную и безоблачную зиму или дождливое лето. Тем не менее в общем по Украине показатели достаточно высокие.

Как сохранить эффективность солнечных батарей

Большинство бытовых СЭС установлены на крышах домов. Со временем стеклянная поверхность покрывается пылью и опавшим листьям. И если листву время от времени сдувает ветер, то пыль обычно остается там до первого дождя. Чтобы поддерживать эффективную производительность, нужен определенный порядок ухода за поверхностью панелей.