CC BY
0
УВЕЛИЧЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ЗА СЧЕТ СОЛНЕЧНЫХ
БАТАРЕЙ
А.С. Иноземцев, студент Р.Р. Канюкаев, студент А.А. Николаев, студент
Научный руководитель: Э.Г. Ахметшина, канд. техн. наук, доцент Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики (Россия, г. Самара)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-8-2-145-149
Аннотация. В статье тщательно анализируются перспективы повышения эффективности солнечных панелей, которые становятся всё более актуальными в условиях современного энергетического кризиса. Обсуждаются принципы работы трекеров и их различные виды, которые помогают оптимизировать солнечное излучение и повышают производительность установки. Кроме того, подробно описываются передовые антибликовые покрытия, способствующие значительному увеличению выработки энергии. Включены также основные подробности о типах фотоэлектрических панелей: монокристаллические, поликристаллические, тонкоплёночные и перспективные перовскитовые решения. Рассматриваются также последние исследования и достижения в этой области.
Ключевые слова: солнечные панели, солнечная энергия, эффективность, трекеры.
Почему нам нужна солнечная энергия?
Сложно представить современный мир без электричества, но с каждым годом ресурсов на планете всё меньше. Поэтому стоит обратить внимание на возобновляемые источники энергии. Одним из которых является солнечная энергия. Солнечные панели могут быть установлены, как и на крыши домов, так и просто на поляне в качестве солнечной электростанции. Только в России таких станций свыше 50. Так же солнечные фермы позволяют удешевить расходы на электроэнергию. По сравнению с другими возобновляемыми источниками энергии солнечная энергия бо-
лее универсальна, ей не нужна вода как гидроэлектростанциям, и не нужно столько места как ветроэлектростанции. Солнечная батарея может быть установлена прямо на крыше дома.
Как работают солнечные панели?
Чтобы узнать, как повысить эффективность солнечных батарей, для начала стоит понять, как они работают. Солнечные панели используют фотоэлементы для преобразования фотонов в электроэнергию. Как можно увидеть из таблицы 1 в зависимости от угла падения света бывают различные потери мощности солнечных батарей.
Таблица 1. Потери мощности в зависимости от угла падения солнечных лучей
Угол наклона Потери
0° 0%
1° 0,015%
3° 0,14%
8° 1%
15° 3,4%
30° 13,4%
45° 30%
60° >50%
75° >75%
Способы повышения эффективности солнечных батарей
После рассмотрения таблицы 1 сразу можно понять, что одним из способов избежать таких потерь является установка специальных трекеров, что будут поворачивать фотоэлектрическую панель к солнцу. Солнечные трекеры - это устройства, которые позволяют солнечным панелям следовать за движением Солнца по небу в течение дня, чтобы максимально увеличить количество солнечной энергии, попадающей на панели. Они повышают эффективность солнечных батарей, обеспечивая оптимальный угол падения солнечных лучей на поверхность панелей. Солнечные трекеры работают за счёт системы, которая контролирует и регулирует положение солнечных панелей в зависимости от положения Солнца. Существуют два основных типа солнечных трекеров:
Одноосные трекеры (Single-Axis Trackers):
Одноосные трекеры вращаются вокруг одной оси, которая обычно ориентирована с севера на юг. Они позволяют панелям следовать за Солнцем с востока на запад в течение дня. Такие трекеры часто используются в районах с высокой солнечной активностью и на ровных участках земли, где изменение угла наклона в течение дня дает значительное увеличение производительности.
Двухосные трекеры (Dual-Axis Trackers):
Двухосные трекеры могут двигаться как по горизонтальной оси (север-юг), так и по вертикальной оси (восток-запад). Это позволяет им следить за Солнцем по всей траектории его движения, обеспечивая максимальный угол падения солнечных лучей на панели в течение всего дня и года. Эти трекеры часто используются в районах с более сложным рельефом или в местах с большими изменениями в угле наклона солнечных лучей, например, в высоких широтах, где изменение угла наклона Солнца в течение года значительно.
Использование солнечных трекеров позволяет значительно повысить производительность солнечных панелей. Основные показатели эффективности включают:
1. Увеличение выработки энергии: В зависимости от географического положения и типа трекера, одноосные системы могут увеличить генерацию энергии на 10-25%, а двухосные - на 20-40% по сравнению с фиксированными солнечными панелями.
2. Оптимизация использования пространства: Трекеры позволяют более эффективно использовать ограниченное пространство, так как они увеличивают количество энергии, производимой на единицу площади. Это особенно важно для крупных солнечных ферм, где пространство ограничено.
3. Улучшенная производительность в периоды низкой инсоляции: Трекеры особенно полезны в утренние и вечерние часы, когда Солнце находится под низким углом. Они позволяют панелям собирать больше энергии в течение дня, даже при низком положении Солнца.
Современные солнечные трекеры оснащены датчиками освещенности, которые отслеживают положение Солнца и регулируют положение панелей. Некоторые системы также используют прогнозы погоды и алгоритмы для предсказания движения Солнца, что позволяет панели занимать оптимальное положение даже при переменной облачности.
Управление трекерами может быть как автоматическим, так и ручным. Автоматические системы являются наиболее распространенными и надежными, так как они обеспечивают постоянное корректирование угла панели в реальном времени.
Но несмотря на значительные преимущества, солнечные трекеры имеют и некоторые недостатки:
1. Высокая стоимость: Солнечные трекеры добавляют дополнительные затраты к стоимости установки солнечных панелей. Это связано как с затратами на оборудование, так и с необходимостью в более сложной инфраструктуре.
2. Техническое обслуживание: Трекеры требуют регулярного технического обслуживания, так как они содержат движущиеся части, которые могут изнашиваться или выходить из строя. Это также увеличивает эксплуатационные расходы.
3. Чувствительность к погодным условиям: Ветряные нагрузки, сильный дождь или снег могут негативно влиять на работу трекеров, особенно в регионах с экстремальными погодными условиями.
Так же говоря про повышение эффективности фотоэлектрических панелей стоит сказать про специальные антибликовые покрытия. Без антибликовых покрытий панели могут терять до 4-10% солнечного света только из-за отражения, особенно в случае наклонного солнечного света или в условиях сильного освещения. Таким образом антибликовые покрытия для солнечных панелей играют важную роль в повышении эффективности преобразования солнечной энергии. Как уже стало ясно основная цель таких покрытий - минимизировать отражение света от поверхности солнечной панели и увеличить количество света, поглощаемого солнечными элементами, что непосредственно влияет на производительность панелей.
Антибликовые покрытия представляют собой тонкие слои материалов, которые наносятся на поверхность солнечных элементов. Эти слои могут быть однослойными или многослойными и обычно имеют толщину в несколько сотен нанометров. Принцип их работы основывается на явлении интерференции света - когда свет проходит через тонкий слой покрытия, часть его отражается от верхней поверхности покрытия, а часть - от нижней, уже на границе с материалом солнечного элемента. Если толщина покрытия и его оптические свойства подобраны правильно, эти две отраженные волны могут интерферировать, то есть накладываться друг на друга так, что они взаимно гасятся, что приводит к значительному снижению отраженного света. В среднем, использование таких покрытий позволяет повысить КПД панели на 2-3%, что может оказаться значительным улучшением на больших установках.
Так же, несомненно, не малую часть играет сам материал фотоэлектрических компонентов. Будут рассмотрены 4 вида:
Монокристаллические панели (Mono-Si)
Монокристаллические панели изготавливаются из высококачественного крем-
ния. Для их производства используется технология выращивания одного кристалла кремния, который затем нарезается на тонкие пластины. Монокристаллические панели являются наиболее эффективными среди всех типов традиционных солнечных панелей, с коэффициентом преобразования энергии в диапазоне от 17% до 22%. При этом они обладают высоким сроком службы (25-30 лет) и устойчивы к деградации. Так же из-за сложности производства они являются одними из самых дорогих на рынке.
Поликристаллические панели (Poly-Si)
Поликристаллические панели производятся путем плавления кремния и заливки его в форму для кристаллизации. Полученный материал затем разрезается на ячейки. Данные панели имеют эффективность в диапазоне от 15% до 18%. Это немного ниже, чем у монокристаллических панелей, из-за менее упорядоченной структуры кристаллов. Срок службы таких панелей составляет примерно 25 лет, хотя они более подвержены деградации, чем монокристаллические панели. Но при этом поликристаллические панели дешевле в производстве, что делает их более доступными по цене.
Тонкопленочные панели
Тонкопленочные панели изготавливаются путем нанесения тонкого слоя фоточувствительного материала, например, кадмий-теллурид (CdTe) или аморфный кремний на подложку, такую как стекло, металл или пластик. Эффективность тонкопленочных панелей ниже по сравнению с кремниевыми панелями и составляет примерно 10-12%, хотя последние разработки позволяют достигать до 15%. Стоит отметить, что благодаря своей конструкции они могут быть гибкими и легкими, это позволяет устанавливать их на нестандартные поверхности. Так же производство тонкопленочных панелей дешевле, что делает их доступными для широкого круга применения хоть и их срок службы ниже (15-20 лет) и они более подвержены деградации под воздействием внешних факторов.
Перовскитовые панели
Перовскитовые солнечные панели основаны на использовании перовскитовых материалов, которые обладают выдающимися фотоэлектрическими свойствами. Эффективность таких панелей стремительно растет и уже достигла значений около 25%, что сравнимо с лучшими кремниевыми панелями. Перовскитовые панели могут быть дешевле и проще в производстве, но их долговечность остав-
ляет желать лучшего у таких батарей проблемы с деградацией и устойчивостью к влаге. При этом возможны варианты гибких и полупрозрачных панелей, что открывает новые области применения, например, в оконных конструкциях.
Подводя итоги в таблице 2, можно понять, что на данный момент лучшими являются монокристаллические панели, из минусов которых только их стоимость.
Таблица 2. Сравнение материалов солнечных панелей
Вид панели Эффективность Срок службы
Монокристаллические панели (Mono-Si) 17%-22% 25-30 лет
Поликристаллические панели (Poly-Si) 15%-18% ~25 лет
Тонкопленочные панели (CdTe) 10-12% 15-20 лет
Перовскитовые панели 25% 10-15 лет
Заключение
Солнечные трекеры представляют собой мощный инструмент для повышения выработки энергии солнечными панелями, особенно в условиях, когда угол падения солнечных лучей значительно меняется в течение дня или года. Их применение может существенно увеличить производительность солнечных установок, однако требует дополнительных инвестиций и регулярного технического обслуживания.
Выбор использования трекеров необходимо основывать на детальном анализе экономической целесообразности, а также на учете климатических особенностей региона установки.
Библиографический список
1. «Электрик Инфо» - онлайн журнал про электричество. Характеристики солнечных батарей. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://electrik.info/main/energy/1550-harakteristiki-solnechnyh-batarey.html.
2. 11 Ways to Boost Your Solar Efficiency. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.wikihow.com/Increase-Solar-Panel-Efficiency.
3. Renewable Costs 2020 - infographic. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://infogram.com/renewable-costs-2020-infographic-1h7k230d0vdeg2x?live.
4. Романов моторс. Выбор оптимального угла наклона солнечных панелей. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://romanov-motors.ru/stati/269-vybor-optimalnogo-ugla-naklona-solnechnykh-panelej.
Кроме того, эффективность солнечных панелей можно значительно повысить за счет нанесения антибликовых покрытий, что способствует лучшему поглощению света. Не менее важным является и выбор материала панелей.
Максимальная эффективность достигается при использовании новейших технологий, таких как перовскитовые панели и двухосные трекеры. Забота о солнечных панелях также играет важную роль: регулярное обслуживание и применение антибликовых покрытий способствуют увеличению их общей производительности.
INCREASING THE AMOUNT OF ELECTRICITY DUE TO SOLAR PANELS
A.S. Inozemtsev, Student R.R. Kanyukaev, Student A.A. Nikolaev, Student
Supervisor: E.G. Akhmetshina, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics (Russia, Samara)
Abstract. The article carefully analyzes the prospects for improving the efficiency of solar panels, which are becoming increasingly relevant in the context of the current energy crisis. The principles of operation of trackers and their various types are discussed, which help to optimize solar radiation and increase the productivity of the installation. In addition, advanced anti-glare coatings are described in detail, contributing to a significant increase in energy production. Basic details about the types of photovoltaic panels are also included: monocrystalline, poly-crystalline, thin-film and promising perovskite solutions. The latest research and achievements in this field are also considered.
Keywords: solar panels, solar energy, efficiency, trackers.
