В Европе альтернативные источники энергии интенсивно развиваются, демонстрируя свой потенциал. Совершенствуются существующие и появляются новые типы солнечных батарей, увеличивается их эффективность.
Для того чтобы отапливать промышленное здание или жилое помещение солнечной энергией, нужно изучить особенности оборудования и подобрать подходящие солнечные панели для конкретного климата.
Эта статья поможет разобраться в вопросе работы фотоэлектрических преобразователей. В ней рассмотрен принцип действия разных видов солнечных батарей, указаны их характеристики, преимущества и недостатки. После прочтения материала вы сможете сделать правильный выбор для создания эффективной гелиосистемы.
Принцип работы солнечных панелей
Большинство солнечных панелей — это фотоэлектрические преобразователи.
Панель состоит из двух кремниевых пластин с разными свойствами. В одной из них при освещении образуется недостаток электронов, а в другой – их избыток. Каждая пластина оснащена токоотводящими медными полосками, соединенными с преобразователями напряжения.
Промышленная солнечная панель — это множество ламинированных фотоэлектрических ячеек, объединенных и установленных на гибкой или жесткой основе.
Эффективность оборудования сильно зависит от чистоты кремния и правильной ориентации его кристаллов. Последние десятилетия инженеры стремятся улучшить эти показатели. Главная трудность заключается в высокой стоимости процессов очистки кремния и упорядочения кристаллов по всей панели.
Фотоэлектрические преобразователи могут изготавливать из различных полупроводников, а не только кремния. принцип работы батареи при этом не изменяется.
Типы фотоэлектрических преобразователей
Промышленные солнечные панели разделяют на группы по конструкции и типу рабочего фотоэлектрического слоя.
Существуют различные типы батарей, которые классифицируются по конструкции.
- гибкие панели;
- жесткие модули.
Тонкопленочные панели из-за своей гибкости все чаще используются в строительстве, так как их можно монтировать на разных поверхностях с разной формой.
Существуют различные типы солнечных батарей, которые различаются по рабочему фотоэлектрическому слою.
- Кремниевые: монокристаллические, поликристаллические, аморфные.
- Теллурий-кадмиевые.
- На основе селенида индия- меди-галлия.
- Полимерные.
- Органические.
- На основе арсенида галлия.
- Комбинированные и многослойные.
Для массового использования интересны лишь первые два вида кристаллических солнечных панелей.
Несмотря на то, что некоторые другие типы панелей обладают более высоким КПД, высокая стоимость сдерживает их широкое использование.
Кремниевые фотоэлектрические элементы достаточно чувствительны к повышению температуры. Для измерений эффективности генерации электричества используется базовая температура в 25°C. При её увеличении на один градус эффективность панелей снижается на 0,45-0,5%.
Вниманию читателей будет представлен детальный анализ солнечных панелей, пользующихся наибольшей популярностью среди потребителей.
Характеристики панелей на основе кремния
Для производства кремния для солнечных батарей используют кварцевый порошок, представляющий собой измельченные кристаллы кварца. В западной Сибири и на Среднем Урале находятся огромные месторождения этого сырья, благодаря чему перспективы развития данной отрасли солнечной энергетики практически неограниченны.
Кристаллические и аморфные кремниевые панели составляют свыше 80% рынка, поэтому их следует изучить более тщательно.
Монокристаллические кремниевые панели
Монокристаллические кремниевые пластины (моно-Si) uniformly окрашены в темно-синий цвет. Для их изготовления используют наичистейший кремний. Монокристаллические фотоэлементы – самые дорогие среди всех кремниевых, но и обладают наивысшим КПД.
Производство дорогостоящее из-за сложности выравнивания всех кристаллов кремния в одном направлении. Максимальную эффективность достигается только при прямом попадании солнечного света на поверхность пластины, благодаря таким физическим свойствам слоя.
Для оптимального функционирования монокристаллических батарей необходимо оборудование, автоматизирующее поворот панелей в течение суток, обеспечивая максимальное соответствие плоскости панелей направлению солнечных лучей.
Кристаллы кремния, ориентированные в одну сторону, отделяются от цилиндрического металлического стержня, потому готовые фотоэлектрические модули имеют форму квадратной площадки с закругленными углами.
Достоинства монокристаллических кремниевых батарей состоят в:
- Высокий КПД со значением 17-25%.
- КомпактностьМощность занимаемой площади меньше по сравнению с монокристаллическими кремниевыми панелями.
- ДолговечностьСистема генерирует электроэнергию эффективно в течение 25 лет.
Недостатков у таких батарей всего два:
- Высокая стоимость и длительная окупаемость.
- Чувствительность к загрязнениюСвет размывается пылью, из-за чего эффективность солнечных панелей с пылью на поверхности значительно уменьшается.
Из-за необходимости прямого попадания солнечного света монокристаллические… солнечные панели устанавливаютсяЧаще всего такие элементы устанавливают на открытых участках или на возвышенностях. Близость к экватору и количество солнечных дней оказывают влияние на выбор места установки.
Поликристаллические солнечные батареи
Поликристаллические кремниевые панели отличаются неравномерным синим оттенком из-за разной ориентации кристаллов. Кремний, применяемый в их изготовлении, обладает меньшей чистотой по сравнению с монокристаллическими панелями.
Разнонаправленный квант кристаллов дает высокий КПД при рассеянном свете – 12-18 процентов. Этот показатель меньше, чем у однонаправленных кристаллов, но в пасмурную погоду такие панели работают лучше.
Разнородность сырья понижает цену на производство кремния. Металл, очищенный для поликристаллических солнечных панелей, просто разливают по формам.
На производстве применяются специальные технические приемы для формирования кристаллов, но их направление не регулируется. Остывший кремний разрезают слоями и обрабатывают по заданному алгоритму.
Поликристаллические панели можно устанавливать на крышах домов и промышленных построек, так как им не нужна постоянная ориентировка к солнцу.
Преимущества солнечных панелей с многонаправленными кристаллами состоят в:
- Высокая эффективность в условиях рассеянного света.
- Возможность стационарного монтажа на крышах зданий.
- Меньшая стоимость по сравнению с монокристаллическими панелями.
- Длительность эксплуатацииЧерез двадцать лет работы эффективность снижается на 15-20%.
У поликристаллических панелей есть недостатки.
- Пониженный КПД со значением 12-18%.
- Относительная громоздкостьДля размещения такого же количества мощности требуется больше площади по сравнению с монокристаллическими аналогами.
Поликристаллические солнечные панели всё активнее занимают место на рынке среди других кремниевых батарей. Такой успех обусловлен широкими перспективами снижения расходов на их производство. Ежегодно растёт и эффективность таких панелей, всё ближе приближаясь к 20% у массовой продукции.
Солнечные панели из аморфного кремния
Производство солнечных панелей из аморфного кремния основано на иной технологии по сравнению с изготовлением фотоэлементов из кристаллического кремния. Вместо чистого неметалла применяется его гидрид, пары которого при нагревании осаждаются на подложку.
Благодаря этой технологии традиционные кристаллы не формируются, что существенно уменьшает производственные расходы.
В настоящее время выпущено три поколения панелей из аморфного кремния, каждое с заметным ростом КПД. Первые фотоэлектрические модули имели эффективность 4-5%, сейчас же на рынке продаются модели второго поколения с КПД 8-9%.
Новые аморфные панели достигают эффективности до 12%, появились в продаже, однако остаются дорогими.
Благодаря особенностям технологии можно создавать слой кремния как на твердой, так и на гибкой поверхности. Из-за этого модули из аморфного кремния применяют в гибких тонкоплёночных солнечных панелях. Однако варианты с эластичной основой стоят значительно дороже.
Благодаря своей структуре аморфный кремний способен эффективно поглощать свет даже при слабом освещении, что позволяет получать энергию из фотонов. Такие панели подходят для использования в северных областях с обширными территориями.
Эффективность батарей на основе аморфного кремния сохраняется даже при высокой температуре, несмотря на то что панели из арсенида галлия превосходят их в этом показателе.
В заключение можно выделить такие плюсы аморфных солнечных панелей:
- УниверсальностьСоздание гибких и тонких панелей, установка батарей на разнообразные конструкции зданий.
- Высокий КПД при рассеянном свете.
- Стабильная работа при высоких температурах.
- Простота и надежность конструкции. Такие панели практически не ломаются.
- Сохранение работоспособности в сложных условияхВ случае загрязнения поверхность демонстрирует меньшее снижение эффективности по сравнению с кристалличными материалами.
Фотоэлектрические элементы второго и последующих поколений служат 20-25 лет с падением мощности на 15-20%. Недостаток панелей из аморфного кремния заключается в необходимости больших площадей для установки оборудования необходимой мощности.
Обзор бескремниевых устройств
Некоторые солнечные панели, изготовленные с применением редких и дорогостоящих металлов, имеют КПД более 30%. Их цена в разы выше кремниевых аналогов, но всё-таки они заняли высокотехнологичную торговую нишу благодаря особым характеристикам.
Солнечные панели из редких металлов
Некоторые типы солнечных панелей, изготовленных из редких металлов, демонстрируют КПД ниже, чем монокристаллические кремниевые модули.
Возможность функционировать в экстремальных ситуациях дает производителям таких солнечных панелей возможность предлагать конкурентоспособные товары и продолжать научные разработки.
Для создания фотоэлектрических элементов чаще всего используют теллурид кадмия, селенид индия-меди-галлия и селенид индия-меди.
Кадмий – ядовитый металл, а индий, галлий и теллур встречаются редко и стоят дорого, так что массовое производство солнечных батарей из них не представляется возможным.
Эффективность этих панелей составляет 25-35 %, при особом конструктивном исполнении может достигать и 40 %. Ранее их основным применением являлась космонавтика, сейчас сформировался новый перспективный сектор.
Благодаря стабильной работе фотоэлементов из редких металлов при температуре 130-150°C их применяют в солнечных тепловых электростанциях. Солнечные лучи от десятков или сотен зеркал фокусируются на небольшой панели, которая производит электричество и передаёт тепловую энергию водяному теплообменнику.
Нагревание воды создает пар, приводящий турбину в движение и вырабатывающий электроэнергию. Благодаря этому солнечная энергия переходит в электрическую по двум направлениям с наибольшей производительностью.
Полимерные и органические аналоги
Разработка фотоэлектрических модулей на базе органических и полимерных соединений началась всего лишь за последнее десятилетие, но учёные уже достигли заметных результатов. Европейская компания показывает наибольшие успехи в этой области. HeliatekКомпания, установившая на некоторых небоскребах органические солнечные панели.
Её рулонная пленочная конструкция имеет определённую толщину. HeliaFilm составляет всего 1 мм.
Во время изготовления полимерных панелей применяют углеродные фуллерены, медь фталоцианин, полифенилен и другие вещества. Эффективность таких фотоэлементов уже составляет 14-15%, а затраты на производство значительно меньше, чем на кристаллические солнечные панели.
Актуальна проблема скорости износа органических рабочих элементов. Достоверно оценить их работоспособность спустя несколько лет эксплутации пока невозможно.
Органческие солнечные панели обладают рядом преимуществ.
- возможность экологически безопасной утилизации;
- дешевизна производства;
- гибкая конструкция.
К недостаткам таких фотоэлементов относятся относительно низкий КПД и отсутствие достоверной информации о сроках стабильной работы панелей. Возможно, через 5-10 лет все минусы органических солнечных фотоэлементов исчезнут, и они станут серьезными конкурентами для кремниевых пластин.
Какую солнечную панель выбрать?
Выбор солнечных панелей для загородных домов в широте от 45 до 60 градусов несложен. В этом случае стоит обратить внимание на два типа: поликристаллические и монокристаллические кремниевые панели.
Если места мало, выбирайте модели с односторонне ориентированными кристаллами, если площадь не ограничена, то подойдут поликристаллические батареи.
При выборе производителя, мощности и дополнительного оборудования целесообразно обратиться к специалистам из компаний, реализующих и устанавливающих подобное оборудование. Важно понимать, что качество и стоимость фотоэлектрических модулей ведущих производителей практически одинаковы.
При заказе оборудования «под ключ» стоимость солнечных панелей составит 30-40% от общей суммы. Окупаемость таких проектов составляет 5-10 лет и зависит от потребления энергии и возможности продажи избытка в городскую сеть.
Некоторые мастера собирают солнечные батареи самостоятельно. На нашем сайте доступны статьи с подробным описанием технологии изготовления панелей, их подключения и монтажа отопительных гелиосистем.
Советуем ознакомиться:
- Инструкции по изготовлению солнечной батареи своими силами.
- Солнечное отопление: изучение способов организации систем отопления с использованием солнечной энергии.
- Солнечные батареи подключаются к контроллеру, аккумулятору и приборам, которые им питают.
Выводы и полезное видео по теме
Видео демонстрируют функционирование солнечных панелей в практических ситуациях. Видео также могут помочь с выбором дополнительного оборудования.
Как выбрать солнечные панели и вспомогательное оборудование.
Виды солнечных панелей:
Тестирование монокристаллической и поликристаллической панелей:
Кристаллические кремниевые панели остаются единственным реальным вариантом для населения и небольших промышленных объектов. Но быстрое развитие новых типов солнечных батарей внушает надежду, что в скором времени солнечная энергия станет основным источником электроэнергии во многих загородных домах.
Всем, интересующимся выбором и использованием солнечных батарей, предлагаем делиться мнениями, задавать вопросы и принимать участие в дискуссиях. Для связи предоставлена форма в нижней части страницы.