効率と材料および技術との関係
ソーラーパネルはどのように機能しますか？半導体の特性に基づいています。それらに当たる光は、原子の外側の軌道にある電子の粒子によってノックアウトを生成します。閉回路条件下では、多数の電子が電流ポテンシャルを生成します。
通常の電力インジケータを提供するには、1つのモジュールでは不十分です。パネルが多いほど、ラジエーターの操作が効率的になり、バッテリーに電気が供給され、バッテリーが蓄積されます。このため、太陽電池パネルの効率は、取り付けられているモジュールの数にも依存します。それらが多ければ多いほど、それらはより多くの太陽エネルギーを吸収し、それらの電力インジケーターは桁違いに高くなります。
バッテリーの効率を上げることはできますか？そのような試みは、彼らの作成者によって、そして何度も行われました。将来の道は、いくつかの材料とそれらの層からなる要素の生産かもしれません。モジュールがさまざまな種類のエネルギーを吸収できるように、材料が追跡されます。
たとえば、一方の物質がUVスペクトルで機能し、もう一方の物質が赤外線スペクトルで機能する場合、太陽電池の効率は大幅に向上します。理論のレベルで考えると、最高の効率は約90％の指標になります。
また、シリコンの種類は、太陽系の効率に大きな影響を与えます。その原子はいくつかの方法で取得でき、これに基づくすべてのパネルは3つの種類に分けられます。
- 単結晶;
- 多結晶;
- アモルファスシリコン元素。
太陽電池は単結晶から製造されており、その効率は約20％です。それらは最も効率的であるため高価です。多結晶は、この場合、その作業の品質が製造に使用されるシリコンの純度に直接依存するため、コストがはるかに低くなります。
アモルファスシリコンをベースにした元素は、薄膜フレキシブルソーラーパネルの製造の基礎となっています。それらの製造技術ははるかに単純で、コストは低くなりますが、効率は低くなります-6％以下です。彼らはすぐに消耗します。そのため、耐用年数を延ばすために、セレン、ガリウム、インジウムを添加しています。
使用法
ポータブルエレクトロニクス
電卓、プレーヤー、懐中電灯など、さまざまな家電製品の電気を供給したり、バッテリーを充電したりするため。
建物のエネルギー供給
家の屋根の太陽電池
太陽集熱器のような大型の太陽電池は、晴れた日が多い熱帯および亜熱帯地域で広く使用されています。家の屋根の上に置かれる地中海諸国で特に人気があります。
スペインの新しい家には、2007年3月以降、太陽熱温水器が装備されており、家の場所と予想される水の消費量に応じて、必要な温水の30％から70％を提供しています。非住宅用の建物（ショッピングセンター、病院など）には、太陽光発電設備が必要です。
現在、ソーラーパネルへの移行は人々の間で多くの批判を引き起こしています。これは、電気料金の値上げ、自然景観の乱雑さによるものです。移行の反対者 ソーラーパネルはそのようなものとして批判されています 移行、家と土地の所有者として 設置されたソーラーパネル 風力発電所は、州から補助金を受け取りますが、通常のテナントは受け取りません。これに関連して、ドイツ連邦経済省は、近い将来、太陽光発電設備またはブロック火力発電所からエネルギーが供給される住宅に住むテナントに利益を導入することを可能にする法案を作成しました。代替エネルギーを利用する住宅の所有者への補助金の支払いに加えて、これらの住宅に住むテナントへの補助金の支払いが計画されています。
宇宙での使用
ソーラーパネルは、宇宙船で電気エネルギーを生成する主な方法の1つです。ソーラーパネルは、材料を消費せずに長時間動作すると同時に、原子力や放射性同位元素のエネルギー源とは異なり、環境に優しいものです。
しかし、太陽から遠い距離（火星の軌道を超えて）で飛行する場合、太陽エネルギーの流れは太陽からの距離の2乗に反比例するため、それらの使用は問題になります。逆に、金星と水星に飛ぶと、太陽電池の電力が大幅に増加します（金星地域では2倍、水星地域では6倍）。
医学での使用
韓国の科学者たちは皮下太陽電池を開発しました。ペースメーカーなどの体内に埋め込まれたデバイスのスムーズな動作を保証するために、ミニチュアエネルギー源を人の皮膚の下に埋め込むことができます。このような電池は髪の毛の15分の1の薄さで、日焼け止めを肌に塗っても充電できます。
効率とは
したがって、バッテリーの効率は、実際に生成される電位の量であり、パーセンテージで示されます。それを計算するには、電気エネルギーのパワーをソーラーパネルの表面に落ちる太陽エネルギーのパワーで割る必要があります。
現在、この数値は12〜25％の範囲にあります。実際には、天候や気候条件を考えると、15を超えることはありません。これは、太陽電池の材料であるためです。それらの製造の主要な「原料」であるシリコンは、UVスペクトルを吸収する能力がなく、赤外線放射でのみ機能します。残念ながら、この欠陥のために、UVスペクトルのエネルギーを浪費し、それを有効に活用していません。
さまざまな要因のパフォーマンスへの影響。
ソーラーモジュールの効率を上げることは、この方向で働くすべての研究者にとって頭痛の種です。現在まで、このようなデバイスの効率は15〜25％の範囲です。パーセンテージは非常に低いです。太陽電池は非常に気まぐれな装置であり、その安定した動作は多くの理由に依存します。
2つの方法でパフォーマンスに影響を与える可能性のある主な要因は次のとおりです。
- 太陽電池のベース材料。この点で最も弱いのは、最大15％の効率の多結晶ソーラーパネルです。最大20％の生産性を持つインジウム-ガリウムまたはカドミウム-テルルをベースにしたモジュールは、有望であると見なすことができます。
- ソーラーレシーバーの向き。理想的には、作業面を備えたソーラーパネルは直角に太陽に面している必要があります。この位置では、それらは可能な限り長くする必要があります。太陽の領域でモジュールを正しく配置する期間を長くするために、より高価なカウンターパートは、星の動きに続いてバッテリーを回転させる太陽追跡装置を武器に持っています。
- 設備の過熱。高温は発電に悪影響を与えるため、設置時には、パネルの十分な換気と冷却を確保する必要があります。これは、パネルと設置面の間に換気ギャップを設置することによって実現されます。
- オブジェクトが影を落とすと、システム全体の効率が大幅に低下する可能性があります。
すべての要件を満たし、可能であれば、パネルを正しい位置に設置することで、高効率のソーラーパネルを手に入れることができます。最大ではなく、高いです。事実、計算された、または理論上の効率は、日中の時間と曇りの日数の平均パラメーターを使用して、実験室の条件で導出された値です。
もちろん、実際には、効率のパーセンテージは低くなります。
太陽を拾う あなたの家のための電池、パフォーマンスの上限ではなく、パフォーマンスの下限に焦点を当てた方がよいでしょう。このようにソーラーモジュールとその仕事に適したすべてのコンポーネントを選択することで、設置された設備の容量が十分であることを確認できます。計算でパフォーマンスの下限を選択することにより、電力不足の場合に再保険のために購入される追加のパネルの購入を節約できます。
開発の見通しを奨励する。
現在までのところ、太陽エネルギーの効率の絶対的な記録はアメリカの開発者のものであり、42.8％です。この値は、2010年の以前の記録より2％高くなっています。結晶シリコン製の太陽電池を改良することで、記録的なエネルギー量を達成しました。このような研究の独自性は、すべての測定が実験室や温室の敷地ではなく、提案された設備の実際の場所でのみ行われたという事実です。
すべての同じ技術研究所の傍観者として、最後の記録を増やすための作業は止まりません。開発者の次の目標は、ソーラーモジュールの効率限界を50％にすることです。太陽エネルギーが現在使用されている有害で高価なエネルギー源に完全に取って代わり、水力発電所などの巨人と同等になる瞬間に、人類は日々ますます近づいています。
さまざまなタイプのソーラーパネルの効率
最新の太陽電池はすべて、半導体の物理的特性に基づいて動作します。太陽光発電パネルに当たる太陽光の光子は、原子の外側の軌道から電子をノックアウトします。その結果、それらの動きが始まり、電流の出現につながります。
単一のパネルは通常の電力を供給できないため、一般的な太陽電池に一定量接続されています。システムに含まれる太陽電池が多いほど、電気の出力は高くなります。
パネルの原理を知っていると、それらの効率を判断できます。理論的には、効率の定義は、生成された電気の量を、特定のパネルに当たる太陽光線からのエネルギーの量で割ったものです。理論的には、最新のシステムは最大25％を提供できますが、実際にはこの数値は15％以下です。多くは、パネルが作られている材料に依存します。たとえば、広く使われているシリコンは赤外線しか吸収できず、紫外線のエネルギーは感知されずに無駄になります。
現在、ソーラーパネルを高効率で製造できる多層パネルの開発に取り組んでいます。彼らのデザインには、いくつかの層に配置されたさまざまな素材が含まれています。それらは、すべての主要なエネルギー量子を取り込むことができるように選択されます。つまり、特定の材料の各層は、エネルギーのタイプの1つを吸収することができます。
理論的には、このようなデバイスの場合、効率は最大87％向上する可能性がありますが、実際には、このようなパネルを製造するための技術は非常に複雑です。さらに、それらのコストは、標準的なソーラーシステムと比較してはるかに高くなります。
太陽電池の効率は、太陽電池に使用されているシリコンの種類に大きく依存します。この材料に基づくすべてのパネルは、3つのタイプに分けられます。
- 単結晶、10〜15％の効率。それらは最も効果的であると考えられており、それらの価格は他のデバイスよりもはるかに高いです。
- 多結晶のレートは低くなりますが、ワットあたりのコストははるかに低くなります。高品質の材料を使用する場合、そのようなパネルは単結晶よりも効率が優れている場合があります。
- アモルファスシリコンをベースにした柔軟な薄膜パネル。それらは製造が容易で低コストです。ただし、これらのデバイスの効率は非常に低く、約5〜6％です。徐々に、動作中にパフォーマンスが低下し、生産性が低下します。
プロ
- パネルに可動部品や要素がないため、耐久性が向上します。メーカーは25年の耐用年数を保証します。
- すべての日常の保守および操作規則に従うと、そのようなシステムの操作は50年に延長されます。メンテナンスは非常に簡単です。ほこり、雪、その他の自然汚染物質からフォトセルをタイムリーに清掃してください。
- パネルの購入と設置の決定要因となるのは、システムの耐久性です。すべての費用が完済した後、発電された電力は無料になります。
このようなシステムを広く使用する上で最も重要な障害は、コストが高いことです。家庭用ソーラーパネルの効率が低いため、この特定の発電方法の経済的必要性について深刻な疑問があります。
しかし、繰り返しになりますが、これらのシステムの機能を合理的に評価し、これに基づいて期待収益を計算する必要があります。従来の電気を完全に置き換えることはできませんが、ソーラーシステムを使用することでお金を節約することはかなり可能です。
さらに、次のような利点に気付かないことは困難です。
- 文明から最も離れた地域で電気を得る。
- 自律性;
- ノイズレス。
太陽光発電のデメリット
- 広い領域を使用する必要性。
- 太陽光発電所は夜間は機能せず、夕方の薄明では効果的に機能しませんが、電力消費のピークは正確に夕方の時間帯に発生します。
- 受け取ったエネルギーの環境清浄度にもかかわらず、太陽電池自体には、鉛、カドミウム、ガリウム、ヒ素などの有毒物質が含まれています。
太陽光発電所は、コストが高く、複雑なハロゲン化鉛の安定性が低く、これらの化合物の毒性があるために批判されています。現在、ビスマスやアンチモンなどをベースにした太陽電池用の鉛フリー半導体の開発が進んでいます。
効率が低く、せいぜい20％に達するため、ソーラーパネルは非常に高温になります。太陽エネルギーの残りの80パーセント 光はソーラーパネルを最大まで加熱します 平均気温は約55°Cです。から による太陽電池の温度の上昇 1°、その効率は0.5％低下します。この依存性は非線形であり、要素温度が10°上昇すると、効率がほぼ2分の1に低下します。冷媒を圧送する冷却システム（ファンまたはポンプ）のアクティブな要素は、大量のエネルギーを消費し、定期的なメンテナンスを必要とし、システム全体の信頼性を低下させます。パッシブ冷却システムは性能が非常に低く、ソーラーパネルを冷却するタスクに対処できません。
パフォーマンスの計算
太陽エネルギーの使用とそのような概念の経済的合理性がすべての有効性を決定します ソーラーパネルシステムの種類。まず、変革のコストが考慮されます。 太陽エネルギーを電気に.
このようなシステムの収益性と効果は、次のような要因によってどのように決定されますか。
- ソーラーパネルと関連機器の種類。
- フォトセルの効率とそのコスト。
- 気候条件。地域が異なれば、太陽活動も異なります。また、回収期間にも影響します。
適切なパフォーマンスを選択する方法
パネルを購入する前に、太陽電池に必要な効率を知る必要があります。
たとえば、国内の消費レベルが100 kW /月（電力量計による）の場合、太陽電池は同じ量を生成することをお勧めします。
これを決めました。さらに進んでみましょう。
ソーラーステーションは日中のみ稼働していることは明らかです。また、晴天下でも銘板パワーを発揮します。また、太陽光線が表面に当たる条件でピークパワーを実現できます。 直角に.
太陽の位置が変わると、パネルの角度も変わります。したがって、大きな角度では、パワーの顕著な低下が観察されます。これは晴れた日だけです。曇りの日には、15〜20倍の電力低下が保証されます。小さな雲や霞でも2〜3倍の電力低下を引き起こします
これも考慮に入れる必要があります
さて、パネルの動作時間を計算する方法は？
バッテリーがほぼ全容量で効果的に動作できる動作時間は約7時間です。午前9時から午後4時まで夏は日照時間が長くなりますが、朝夕の発電量は非常に少なく、20〜30％以内です。残りの70％は、日中の午前9時から午後4時まで生成されます。
したがって、パネルの銘板出力が1 kWの場合、夏に最も日当たりが良いことがわかります。 1日は7kW/hを生成します 電気。彼らが一日の9から16時間まで働くという条件で。つまり、1か月あたり210kWhの電力になります。
パネルキットです。そして、たった100ワットの電力で1つのソケット？ 1日で700ワット/時間を与えます。月額21kW。
ソーラーパネルを可能な限り効率的に機能させる方法
ソーラーシステムの性能は以下に依存します：
- 温度インジケーター;
- 太陽光線の入射角。
- 表面状態（常にきれいでなければなりません）;
- 気象条件;
- 影の有無。
パネルへの太陽光線の最適な入射角は90°、つまり直線です。独自の装置を備えたソーラーシステムはすでに存在します。彼らはあなたが宇宙の星の位置を監視することを可能にします。地球に対する太陽の位置が変わると、太陽系の傾斜角も変わります。
要素の絶え間ない加熱も、それらの性能に最良の影響を及ぼしません。エネルギーが変換されると、その深刻な損失が発生します。したがって、太陽系とそれが取り付けられている表面との間には、常に小さなスペースを残しておく必要があります。そこを通過する気流は、自然な冷却方法として機能します。
ソーラーパネルの純度も、その効率に影響を与える重要な要素です。それらがひどく汚染されている場合、それらはより少ない光を集めます、それはそれらの効率が低下することを意味します。
また、正しいインストールが大きな役割を果たします。システムを取り付ける際、影を落とすことはできません。それらを設置することが推奨される最良の側は南です。
気象条件に目を向けると、同時に、太陽電池パネルが曇りの天候で機能するかどうかという一般的な質問に答えることができます。もちろん、太陽から放射される電磁放射が一年中いつでも地球に当たるので、彼らの仕事は続きます。もちろん、パネル（COP）のパフォーマンスは、特に年間に雨や曇りの日が多い地域では、大幅に低下します。言い換えれば、それらは電気を生成しますが、日当たりが良く暑い気候の地域よりもはるかに少量です。
太陽電池の効率に影響を与える要因
フォトセルの構造の特徴により、温度の上昇とともにパネルの性能が低下します。
パネルを部分的に調光すると、消灯している要素の損失により出力電圧が低下し、寄生負荷として機能し始めます。この欠点は、パネルの各フォトセルにバイパスを設置することで解消できます。曇りの日、直射日光が当たらない場合、レンズの効果がなくなるため、レンズを使用して放射線を集中させるパネルは非常に非効率になります。
太陽光発電パネルの性能曲線から、最大の効率を達成するには、負荷抵抗を正しく選択する必要があることがわかります。これを行うには、太陽光発電パネルを負荷に直接接続するのではなく、太陽光発電システム管理コントローラーを使用して、パネルの最適な動作を保証します。
太陽電池はどのように機能しますか？
現代のすべての太陽電池は、1839年に物理学者のアレクサンドル・ベクレルによって発見されたおかげで機能します。これは、半導体の動作原理そのものです。
天板のシリコンフォトセルが加熱されると、シリコン半導体の原子が放出されます。彼らは下のプレートの原子を捕らえようとしています。物理法則に完全に従って、底板の電子は元の状態に戻らなければなりません。これらの電子は一方向に開きます-ワイヤーを通して。蓄積されたエネルギーはバッテリーに転送され、トップのシリコンウェーハに戻されます。
話
1842年、アレクサンドルエドモンドベクレルは、光を電気に変換する効果を発見しました。チャールズ・フリッツは、光を電気に変えるためにセレンを使い始めました。太陽電池の最初のプロトタイプは、イタリアの光化学者GiacomoLuigiChamichanによって作成されました。
1948年3月25日、ベル研究所は、電流を生成する最初のシリコンベースの太陽電池の作成を発表しました。この発見は、カルビン・サウザー・フラー、ダリル・チャピン、ジェラルド・ピアソンの3人の会社員によって行われました。すでに4年後の1958年3月17日、米国でソーラーパネルを使用した衛星「ヴァンガード1号」が打ち上げられました。 1958年5月15日、ソーラーパネルを使用した衛星スプートニク3号もソ連で打ち上げられました。
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ソーラーパネルはどれくらい早く報われるのでしょうか？
今日のソーラーパネルのコストはかなり高いです。また、パネルの効率の価値が低いことを考慮すると、パネルの回収の問題は非常に重要です。太陽エネルギーを動力源とする電池の耐用年数は約25年以上です。このような長い耐用年数の原因については少し後で説明しますが、今のところ、上記の質問を見つけます。
回収期間は次の影響を受けます。
- 選択した機器タイプ。単層太陽電池は、多層太陽電池に比べて効率が低くなりますが、価格もはるかに低くなります。
- 地理的な場所、つまり、お住まいの地域の日光が多いほど、インストールされたモジュールの効果が早くなります。
- 機器のコスト。太陽エネルギー節約システムを構成する要素の購入と設置に多くのお金を費やすほど、回収期間は長くなります。
- お住まいの地域のエネルギー資源のコスト。
南ヨーロッパの国々の平均回収期間は1.5〜2年、中央ヨーロッパの国々の平均回収期間は2.5〜3.5年、ロシアでは約2〜5年です。近い将来、ソーラーパネルの効率は大幅に向上します。これは、効率を高め、パネルのコストを削減する、より高度な技術の開発によるものです。その結果、太陽エネルギーの省エネシステムがそれ自体で利益を得る期間も短縮されます。
効率を高める最新の開発
ほぼ毎日、世界中の科学者がソーラーモジュールの効率を高めるための新しい方法の開発を発表しています。それらの中で最も興味深いものを知りましょう。シャープは昨年、43.5％の効率で太陽電池を公開しました。彼らは、要素に直接エネルギーを集中させるレンズを取り付けることによって、この数値を達成することができました。
ドイツの物理学者はシャープに遅れをとっていません。 2013年6月に、彼らはわずか5.2平方メートルの面積で彼らの太陽電池を導入しました。 mm、4層の半導体素子で構成されています。この技術により、44.7％の効率を達成することができました。この場合の最大効率は、凹面ミラーに焦点を合わせることによっても達成されます。
2013年10月、スタンフォード大学の科学者の研究結果が発表されました。彼らは、太陽電池の性能を向上させることができる新しい耐熱性複合材料を開発しました。効率の理論値は約80％です。上で書いたように、シリコンを含む半導体は、IR放射のみを吸収することができます。したがって、新しい複合材料の作用は、高周波放射を赤外線に変換することを目的としています。
次はイギリスの科学者でした。彼らは、セル効率を22％向上させることができる技術を開発しました。彼らは、薄膜パネルの滑らかな表面にアルミニウムナノスタッドを配置することを提案しました。この金属は、太陽光を吸収しないが、逆に散乱するという事実から選ばれました。その結果、吸収される太陽エネルギーの量が増加します。したがって、太陽電池の性能が向上します。
ここでは主な開発のみを示しますが、問題はそれらに限定されません。科学者たちは10分の1パーセントごとに戦っていますが、これまでのところ成功しています。近い将来、太陽電池パネルの効率が適切なレベルになることを期待しましょう。結局のところ、パネルを使用することによるメリットは最大になります。
記事はAbdullinaReginaによって作成されました
モスクワはすでに街路や公園の照明に新しい技術を使用しています。経済効率はそこで計算されていると思います。
ソーラーフォトセルの種類とその効率
ソーラーパネルの動作は、半導体素子の特性に基づいています。太陽光発電パネルに当たる太陽光は、光子によって原子の外側の軌道から電子をノックアウトします。結果として生じる多数の電子は、閉回路に電流を供給します。通常の電力用の1つまたは2つのパネルでは不十分です。したがって、いくつかの部品がソーラーパネルに結合されます。必要な電圧と電力を得るために、それらは並列および直列に接続されています。太陽電池の数が多いほど、太陽エネルギーを吸収してより多くの電力を生成するためのより大きな領域が得られます。
フォトセル
効率を上げる方法の1つは、多層パネルを作成することです。このような構造は、層状に配置された一連の材料で構成されています。材料の選択は、さまざまなエネルギーの量子がキャプチャされるように実行されます。1つの材料を持つ層は、あるタイプのエネルギーを吸収し、別の層は互いに吸収します。その結果、高効率のソーラーパネルを作ることが可能になります。理論的には、そのようなサンドイッチパネルは提供することができます 最大87％の効率。しかし、これは理論的にはですが、実際には、そのようなモジュールの製造には問題があります。さらに、それらは非常に高価になります。
太陽電池システムの効率は、太陽電池に使用されるシリコンの種類によっても影響を受けます。シリコン原子の生成に応じて、3つのタイプに分けることができます。
- 単結晶;
- 多結晶;
- アモルファスシリコンパネル。
単結晶シリコンで作られた太陽電池の効率は10〜15パーセントです。それらは最も効率的で、最もコストがかかります。多結晶シリコンモデルの電力は最も安価です。材料の純度に大きく依存し、場合によっては、多結晶元素が単結晶よりも効果的である可能性があります。
アモルファスシリコンパネル
