Ce este eficiența panourilor solare? Definiție și importanță

Într-o singură oră, soarele furnizează suficientă energie pentru a alimenta civilizația umană pentru un an întreg. Panourile solare pot capta cel mult un sfert din energia solară care le lovește și o pot converti în electricitate – o îmbunătățire semnificativă de când a fost creată prima celulă fotovoltaică în 1839 – dar cercetările sunt în desfășurare pentru a crește eficiența electricității solare și a accelera tranziția către energia curată, regenerabilă.

Există mulți factori care contribuie la crearea unui panou solar eficient, așa că știind ce să cauți te poate ajuta să economisești bani la o instalație și să menții eficiența acestora în timp. Reține, totuși, că hardware-ul efectiv dintr-un sistem solar reprezintă doar aproximativ o treime (35%) din costul total al unui sistem solar de acoperiș. Restul sunt „costuri neesențiale”, cum ar fi manopera, permisele și proiectarea. Deci, deși eficiența panourilor solare este importantă, este doar un element dintr-un pachet mai mare.

De ce contează eficiența

Dacă ai spațiu nelimitat și instalezi panouri solare la sol într-un câmp sau pe un teren gol, eficiența contează mai puțin decât dacă le instalezi pe un acoperiș, unde obținerea maximului din spațiul limitat este importantă. O eficiență mai mare reduce costul total al unui sistem solar și scade timpul necesar proprietarilor de sisteme solare pentru a-și recupera costurile de instalare. Impactul asupra mediului al producerii panourilor solare este, de asemenea, redus, deoarece panourile cu eficiență mai mare pot recupera mai rapid energia utilizată pentru a produce panourile în primul rând, iar un număr mai mic de panouri, dar mai eficiente, trebuie produse pentru a genera aceeași cantitate de electricitate.

Ce factori determină eficiența panourilor solare?

Celulele solare convertesc fotonii (pachete de energie) de la soare în curenți de electroni, măsurați în volți, de unde și termenul fotovoltaic (PV). Celulele PV utilizate frecvent în panourile solare sunt fabricate din cristale de siliciu, deși și alte elemente (cum ar fi seleniul și germaniul) au proprietăți fotovoltaice. Găsirea celui mai eficient element sau a combinației de elemente în structura cristalină potrivită determină cât de eficiente pot fi panourile solare, dar sunt implicați și alți factori.

Reflecția

Netratate, 30% sau mai mult din fotonii care lovesc o celulă PV vor fi reflectați înapoi ca lumină. Minimizarea reflexiei implică acoperirea și texturarea celulelor PV pentru a absorbi, mai degrabă decât a reflecta lumina, motiv pentru care panourile solare au o culoare închisă.

Lungimea de undă

Radiația solară care ajunge pe Pământ include majoritatea spectrului electromagnetic, de la raze X la unde radio, aproximativ jumătate din această radiație venind în banda de la ultraviolete la infraroșu. Pe măsură ce lungimile de undă devin mai scurte, energia fotonilor crește, motiv pentru care culoarea albastră are mai multă energie decât roșie. Proiectarea celulelor PV implică luarea în considerare a acestor diferite lungimi de undă pentru a maximiza eficiența generării de electricitate din fotoni cu lungimi de undă diferite și niveluri diferite de energie.

Recombinarea

Recombinarea este opusul generării. Atunci când fotonii de la soare sunt absorbiți de o celulă PV, fotonii excită electronii din cristale și îi fac să sară într-un material conductiv, generând un curent de „electroni liberi” (electricitate). Dar dacă energia unui electron este slabă, acesta se recombinează cu „gaura” lăsată în urmă de un alt electron și nu părăsește niciodată cristalul de siliciu. În schimb, el eliberează căldură sau lumină în loc să genereze un curent.

Recombinarea poate fi cauzată de defecte sau impurități în structura cristalină a celulei PV. Cu toate acestea, impuritățile din cristal sunt necesare pentru a deplasa electronii într-o anumită direcție; altfel, nu se creează curent. Provocarea este de a reduce nivelul de recombinare menținând în același timp un curent electric.

Temperatura

Augusta, Maine primește aproximativ 4,8 ore de soare pe zi, puțin mai puțin decât cele 5,0 ore de soare pe zi primite în Augusta, Georgia. Cu toate acestea, celulele PV funcționează mai bine la temperaturi mai scăzute, astfel încât panourile de pe un acoperiș din Augusta, Maine ar putea fi mai eficiente în producerea de electricitate decât cele de pe un acoperiș din Augusta, Georgia, chiar dacă insolația lor zilnică este mai mică.

Panourile solare ating eficiența maximă la temperaturi cuprinse între 15°C și 35°C, conform EnergySage, dar panourile în sine pot ajunge la 65°C. Panourile vor fi etichetate cu un coeficient de temperatură, care este rata cu care pierd eficiența pentru fiecare grad peste 25°C. Un panou cu un coeficient de temperatură de -0,50% va pierde jumătate de procent din eficiență pentru fiecare grad peste 25°C.

Cum sunt testate panourile solare pentru eficiență?

În esență, testarea eficienței unui panou solar înseamnă găsirea raportului dintre cantitatea de electricitate pe care panoul solar este capabil să o producă și cantitatea de iradianță solară la care este expus panoul. Iată cum se efectuează acest test:

Panourile solare sunt testate la 25°C și expuse la 1.000 de wați (sau 1 kWh) pe metru pătrat de iradianță solară – ceea ce este cunoscut sub denumirea de „condiții standard de testare” (STC), apoi se măsoară producția lor de electricitate.

Ratingul de putere de ieșire (Pmax) al unui panou, măsurat în wați, este cantitatea maximă de putere pe care un panou solar este proiectat să o producă în condiții STC. Un panou rezidențial standard ar putea avea un rating de ieșire de 275-400 de wați.

De exemplu: Un panou de 2 metri pătrați în condiții STC ar fi expus la 2.000 de wați. Dacă are un rating de putere de ieșire (Pmax) de 350 de wați, va avea un rating de eficiență de 17,50%.

Pentru a calcula eficiența unui panou, împărțiți Pmax la iradianța solară a panoului, apoi înmulțiți cu 100%. Deci, 350 / 2000 = 0,1750, iar 0,1750 x 100 = 17,50%.

Sfaturi pentru maximizarea eficienței

Este posibil ca panourile cele mai eficiente să nu fie cea mai bună utilizare a banilor tăi. Ia în considerare costul întregului sistem pentru panouri (separat de „costurile neesențiale”). Având în vedere eficiența panourilor, câți wați vor genera pe parcursul următorilor 25 de ani (presupunând condiții standard de testare)? De câți wați ai nevoie? Poate supraconstruiești, în timp ce un sistem mai puțin eficient îți va satisface toate nevoile la un cost mai mic.

După ce ai instalat un sistem solar, menține panourile curate. Ploaia obișnuită își va face treaba, dar dacă locuiești într-un climat secetos, folosește apă curată (fără săpun, care poate lăsa o peliculă) de două ori pe an pentru a îndepărta praful și murdăria. Taie crengile dacă atârnă peste acoperișul tău și îndepărtează orice resturi dintre panouri și acoperiș, deoarece o circulație mai bună a aerului menține panourile mai răcoroase. Dacă este necesar, obține o servitute solară pentru a îndepărta umbra de la obstacolele învecinate.

Software-ul care vine cu un sistem solar va monitoriza producția acestuia în kilowați-oră (kWh). Dacă observi că producția scade în timp, în condiții egale, testează-ți sistemul. Pentru aceste teste sunt necesare un ampermetru și un multimetru: Consultă un profesionist, deoarece poți deteriora panourile dacă efectuezi testele incorect.

Viitorul energiei solare este luminos

În iunie 2021, eficiența maximă a unui panou solar PV pe piață era de 22,6%, în timp ce un număr de alți producători aveau celule de peste 20%. De aceea se desfășoară cercetări pentru a crea combinații de materiale mai eficiente, care pot fi viabile comercial. Perovskitele sau celulele PV organice ar putea ajunge curând pe piața comercială, în timp ce metode mai inventive, cum ar fi fotosinteza artificială, arată promițător, chiar dacă sunt încă într-un stadiu incipient de dezvoltare. Cercetările de laborator au produs celule PV cu eficiențe apropiate de 50%, dar aducerea acestei cercetări pe piață este cheia viitorului tehnologiei solare.