Kokie veiksniai lemia saulės varpelių įkrovimo efektyvumą?

Kaip Saulės Plokštės Pavertžia Saulės Šviesą Į Naudojamą Energiją Varpeliams

Fotovoltinių Elementų Vaidmuo Pradedant Įkrovimo Procesą

Saulės varpeliai veikia naudodami mažas saulės baterijas, vadinamas fotovoltiniais elementais, kurie saulės šviesą paverčia elektra. Pagrindinės dalys pagamintos iš silicio, kuris veikia kaip puslaidininkis. Kai saulės šviesa patenka į šias plokštes, ji iš tikrųjų atskiria kai kuriuos elektronus viduje, sukuriant taip vadinamą kryptinę srovę. Ši srovė tada naudojama saulės varpelio viduje esančiai baterijai įkrauti. Kai pradeda temti, sukaupta energija pasitarnauja LED apšvietimui ar maloniems garsams, būdingiems saulės varpeliams, įjungti. Aukštos kokybės saulės baterijos paprastai pasiekia apie 18–22 procentų efektyvumą, naudojant jas mažesniems projektams. Tai reiškia, kad jos vis dar gali gerai veikti net jei montavimui skirta nedaug vietos.

Monokristalinės, polikristalinės ir plonų sluoksnių: efektyvumo skirtumai mažo masto taikymuose

Saulės varpelių našumas žymiai skiriasi priklausomai nuo plokštės technologijos:

Monokristalinės plokštės dominuoja aukščiausios kokybės saulės varpeliuose dėl jų geresnio elektronų judrumo ir kompaktiško dydžio. Plonasluoksnių alternatyvos, nors mažiau veiksmingos, leidžia kurti inovatyvius dizainus, tokius kaip apvyniojami varpelių vamzdeliai.

Plokštės kokybės poveikis įkrovimui silpnos šviesos sąlygomis ir ilgalaikiam išorėje atsparumui

Geriausi saulės baterijų gamintojai naudoja kietintą stiklą kartu su specialiais antirefleksiniais danga, kurie tikrai padidina našumą, kai šviesos trūksta saulėtekio ir saulėlydžio metu. Kai kalbama apie veikimą dalinėje šešėlyje, aukščiausios kokybės plokštės vis dar gali išlaikyti apie 70 % efektyvumo, o pigesnės alternatyvos nukrenta iki maždaug 40 %. Išplėstiniai laboratoriniai tyrimai parodė, kad šios aukščiausios kokybės plokštės po penkerių pilnų eksploatacijos metų išlaiko apie 85 % pradinės galios, tuo tarpu žemesnės kokybės produktai be tinkamos sertifikacijos greitai blogėja, dažniausiai pasiekiant tik apie 60 % likusios talpos. Geri hermetizavimo metodai taip pat neleidžia vandeniui patekti į plokštes, kas iš tiesų yra viena pagrindinių priežasčių, kodėl silicio elementai laikui bėgant ima tirpti, ilgą laiką veikiami išorės sąlygų.

Baterijos tipas ir sistemos integracija: raktas prie ilgalaikio krūvinimo našumo

NiMH ir Li-jonų baterijų palyginimas saulės varpeliuose: įkrovos išlaikymas ir tarnavimo laikas

Kalbant apie saulės varpelius, ličio jonų baterijos paprastai pranoksta niklio metalo hibrido baterijas našumu. Jos pasiekia apie 92–95 procentų įkrovimo efektyvumą, tuo tarpu NiMH – tik apie 70–75 procentus, kaip nurodyta paskutinių metų „Energy Storage Journal“. Dauguma žmonių pastebi, kad ličio jonų baterijos veikia nuo trijų iki penkerių metų, jei naudojamos kasdien normaliomis oro sąlygomis, o NiMH baterijos dažniausiai susidėvi kur kas greičiau – paprastai per pusantro–du metus. Tačiau viena iš NiMH baterijų ypatybių yra tai, kad jos gana gerai veikia šaltesnėse aplinkose, temperatūroje nuo minus dešimties iki keturiasdešimt penkių laipsnių Celsijaus. Dėl to jos yra kiek tinkamesnės labai šaltoms vietovėms, palyginti su ličio jonų baterijomis, kurios geriausiai veikia tarp nulio ir keturiasdešimt laipsnių Celsijaus.

Kaip saulės baterijų efektyvumas veikia baterijų įkrovimo ciklus ir ilgaamžiškumą

Nesuderintos sistemos švaisto 18–22 % prieinamos saulės energijos, rodo 2023 m. lauko tyrimas:

Aukštos efektyvumo saulės baterijos, derinamos su pažangiais krūvio reguliatoriais, pratęsia Li-jonų akumuliatorių tarnavimo laiką iki 40 % lyginant su paprastais PWM modeliais. Žemesniuose nei 50 W/m² apšvičio lygiuose – dažnas slenkstis debesuotomis dienomis – NiMH sistemos praranda įkrovimo galimybę 25 % greičiau nei Li-jonų atitikmenys.

Pramonės paradoksas: aukštos efektyvumo saulės baterijos veikia neefektyviai dėl blogos sistemos integracijos

Nors naudojamos aukščiausios kokybės saulės baterijos, 27 % saulės varpelių nepatenkina energijos išlaikymo standartų (Atsinaujinančiųjų energijos šaltinių kokybės iniciatyva, 2023 m.) dėl sistemingų trūkumų:

1. Įtampos neatitikimas tarp saulės baterijos išvesties ir baterijos reikalavimų
2. Didžiausio galios taško sekimo (MPPT) funkcijos nebuvimas biudžetiniuose reguliatoriuose
3. Šiluminis ribojimas esant maksimaliam saulėjimui

Valdomų tyrimų metu 22 % efektyvumo plokštės su neatitinkančiais įtampos keitikliais perdavė 40 % mažiau naudingo energijos kiekio nei 18 % efektyvumo plokštės su optimizuota integracija. Tinkamas krūvio valdymas ir subalansuotas grandinės projektavimas turi didesnį poveikį nei grynieji plokščių rodikliai vien.

Saulės šviesos pasiekiamumo sąlygos ir realios įkrovimo išvestys

Tiesioginis ir pavėsintas išdėstymas: matomi skirtumai tarp kaupiamo įkrovimo

Saulės varpeliai, esantys tiesioginėje saulės šviesoje, generuoja 40 % daugiau kasdienio įkrovimo nei esantys pavėsyje. Lauko tyrimai parodė, kad dalinis medžių prisidengimas – užtikrinantis tik tris valandas tiesioginės saulės šviesos – sumažina veikimo trukmę iki 58 % maksimalios vertės, palyginti su nekliudomomis sistemomis.

Ar saulės varpeliai gali įsikrauti be tiesioginės saulės šviesos? Sklaidytos šviesos vaidmuo

Šiuolaikiniai fotovoltiniai elementai gali naudoti sklaidytą šviesą 65 % efektyvumu (Vašingtono universitetas, 2022 m.), leidžiantys įkrovimą debesuotomis dienomis. Nors tai veiksminga, tokios sąlygos reikalauja 2–3 kartų ilgesnio laiko, kad pasiektų pilną įkrovimą, palyginti su tiesiogine saulės šviesa.

Našumas debesuotomis ar lietingomis sąlygomis: duomenys iš realiųjų bandymų

Bandomosios vienetai liko veiksnūs 18 lietingų dienų eigoje, pasisavinę trumpus vidurdienio šviesos padidėjimus.

Atvejo analizė: saulės varpelių našumo stebėjimas per 12 mėnesių Ramiajame Vakaruose

2023 metų ilgalaikis tyrimas Seatile – kur kas metai vidutiniškai būna 152 debesuotos dienos – parodė, kad saulės varpeliai išlaikė 82 % veikimo patikimumą. Įrenginiai savaime įsikrovė pakankamai 89 % dienų, o gedimai buvo koncentruoti gruodžio mėnesį, kai šviesos diena sutrumpėja mažiau nei aštuonias valandas.

Vietos ir dizaino optimizavimas maksimaliam saulės energijos kaupimo efektyvumui

Idealus skydelio padėties ir pasvirimo kampo nustatymas pagal geografinę vietovę

Norint iš gauti maksimalią naudą iš saulės žvangučių, jie turi būti nukreipti į tikrąją pietų pusę, jei yra įrengti šiaurės pusrutulyje, arba į tikrąją šiaurę, jei yra įrengti pietų pusrutulyje. Taip pat svarbu ir kampas, kuriuo jie pasvirusi – paprastai tarp 15 laipsnių ir 40 laipsnių, priklausomai nuo tikslaus jų buvimo vietos. Paskutiniųjų metų tyrimai parodė, kad reguliuojant skydelių kampą pagal platumą plius arba minus apie 15 laipsnių per skirtingus metų sezonus, įkrovimo efektyvumas padidėja apie 18 procentų, palyginti su fiksuotu kampos visus metus. Ypač tiems, kurie gyvena pajūryje, geriau tinka statresni kampai – apie 30–40 laipsnių, nes dažnai oras yra drėgnesnis, o tai skiria saulės šviesą kitaip nei sausumos viduje.

Vengti kliūčių, sumažinančių kasdienį saulės šviesos poveikį

Net net du valandų ryto šešėlis gali sumažinti kasdienį energijos sugavimą 33 %. Norėdami sumažinti šešėlių trukdžius, laikykitės 3:1 aukščio ir atstumo taisyklės : kiekvienam kliūties aukščio metrui užtikrinkite ne mažiau kaip tris metrus horizontalaus atstumo. Miesto vietose montuojant skydelius turėtų būti laikomasi aukščio virš 2,5 metro, kad būtų išvengta žemės paviršiaus šešėlių.

Konstrukcijos patobulinimai, padidinantys energijos sugavimą silpnos šviesos aplinkose

Vedančiosios modelių savybės dabar apima mikroprizminius lęšių dengtus , kurie debesuotu oru padidina fotonų sugertį 27 %, kartu su adaptacinių MPPT valdiklių derinimu 800 kartų per sekundę. Aukščiausios klasės įrenginiuose naudojami dviejų ašių sukimosi laikikliai, kurie kompensuoja sezoninius ir kasdienius saulės judėjimo pokyčius, 2024 metų lauko tyrimų duomenimis, žiemos metu pasiekiant 91 % efektyvumą, palyginti su nejudamais modeliais.

Ilgalaikė patikimumas, kokybės kontrolė ir ilgalaikis krūvinio patikimumas

Orų atsparumas ir medžiagų senėjimas, turintys įtakos plokštės laidumui

Kai medžiagos yra veikiamos lauke, jos linksta laikui bėgant blogėti, kas turi įtakos jų energijos kaupimo efektyvumui. Paimkime polikarbonato plokštes – pagal praėjusiais metais atliktus Renewables Lab tyrimus, jos paprastai praranda apie 2,3 procento efektyvumo kiekvienais metais tik dėl saulės spindulių. Be to, yra ir drėgmės patekimo į šias plokštes problema. Per trejus metus tai gali sumažinti jų laidumą net 15 procentų. Taip pat kyla problemų dėl dienos metu vykstančių temperatūros pokyčių. Kalbame apie kasdienius svyravimus nuo maždaug 40 laipsnių pagal Farenheitą iki beveik 95 laipsnių pagal Farenheitą. Šie terminiai ciklai pagreitina sluoksnių atsiskirimo vienas nuo kito procesą, dėl ko plokštės išsikrauna apie 22 procentais greičiau, lyginant su vietomis, kuriose oras yra stabilomesnis.

Baterijos tarnavimo laikas esant pasikartojantiems įkrovos-iškrovos ciklams kintamoje klimato aplinkoje

Li-io baterijos išlaiko 72 % talpos po 500 ciklų esant 21 °C, tačiau tai sumažėja iki 61 %, kai veikia aukštesnėje kaip 35 °C temperatūroje (NREL 2023). Šaltis dar labiau pablogina neefektyvumą: esant -20 °C, vidinė varža triskėtinasi, o įkrovos išlaikymas sumažėja nuo 48 valandų iki tik 16. Tai sukuria ilgaamžiškumo paradoksą – aukštos efektyvumo saulės baterijos praranda vertę, kai jos naudojamos su temperatūros jautriomis baterijomis.

Gaminių skirtumai: tarp patvirtintos ir faktinės efektyvumo spragos užpildymas

2022 m. apklausus 37 saulės varpelių modelius, nustatyta vidutiniškai 22 % skirtumas tarp laboratorijoje nustatyto ir faktinio lauko efektyvumo. 63 % nepakankamo našumo atvejų buvo dėl netinkamo elementų suvirinimo ir nelygių šviesą atspindinčių denginių. Gamintojai, kurie taiko griežtą gamyklos testavimą, efektyvumo skirtumus sumažina 41 %, palyginti su tuo, kurie remiasi tik vizualine apžiūra (SolarQA 2023).

DUK

Kaip veikia saulės varpeliai?

Saulės varpeliai naudoja saulės baterijose esančius fotovoltinius elementus, kad saulės šviesą paverstų elektra. Ši elektros energija įkrauna integruotą akumuliatorių, kuris tamsiu metu maitina varpelių LED lempas arba garsus.

Koks efektyvumo skirtumas tarp monokristalinio, polikristalinio ir plonosios plėvelės saulės baterijų saulės varpeliams?

Monokristalinės saulės baterijos yra efektyviausios – jų efektyvumas siekia 20–22 %, po to seka polikristalinės – 15–17 % efektyvumu, o plonosios plėvelės baterijos – 10–13 % efektyvumu. Monokristalinės baterijos yra idealus pasirinkimas ribotose erdvėse, o plonosios plėvelės baterijos tinka lankstiems ar išlenktiems paviršiams.

Ar saulės varpeliai gali įkrauti akumuliatorių be tiesioginės saulės šviesos?

Taip, šiuolaikiniai fotovoltiniai elementai gali naudoti sklaidytą šviesą su 65 % efektyvumu, todėl saulės varpeliai gali įkrauti akumuliatorių ir apsiniaukus orui, nors tai trunka 2–3 kartus ilgiau nei tiesiogine saulės šviesa.

Koks orų sąlygų poveikis saulės varpelių įkrovimo efektyvumui?

Orai, tokie kaip tanki debesų danga, lengvas lietus ir rūkas, veikia įkrovimo efektyvumą, sumažindami jį iki skirtingų maksimalios efektyvumo procentų ir turėdami poveikį veikimo trukmei.