В Европе альтернативная энергетика демонстрирует свой потенциал, бурно развиваясь и принося заметные результаты. Возникают новые типы солнечных панелей, а коэффициент их полезного действия растёт.
Для обеспечения работы промышленного здания или жилого дома энергией солнца нужно изучить характеристики оборудования и подобрать солнечные панели, подходящие для климата конкретного региона.
Этот материал поможет разобраться в вопросе фотоэлектрических преобразователей. В статье изложен принцип работы таких преобразователей, представлен обзор различных видов солнечных батарей с указанием их характеристик, преимуществ и недостатков. С его помощью можно сделать правильный выбор для обустройства эффективной гелиосистемы.
Принцип работы солнечных панелей
Большинство солнечных панелей — это фотоэлектрические преобразователи. Электрогенерация происходит в месте полупроводникового p-n перехода.
Панель включает две кремниевые пластины с разными характеристиками. Свет воздействует на первую пластину, создавая недостаток электронов, а на вторую – избыток. Каждая пластина имеет медные токоотводящие полоски, соединенные с преобразователями напряжения.
Промышленные солнечные панели состоят из большого количества ламинированных фотоэлементов, соединенных друг с другом и прикреплённых к гибкой или жёсткой основе.
Эффективность оборудования во многом определяется чистотой кремния и ориентацией его кристаллов. Инженеры десятилетиями стремятся улучшить эти параметры. Главной трудностью является высокая стоимость процессов, обеспечивающих очистку кремния и одновременное размещение кристаллов в одном направлении по всей панели.
Фотоэлектрические преобразователи можно изготовлять из полупроводников различных материалов, помимо кремния. принцип работы батареи при этом не изменяется.
Типы фотоэлектрических преобразователей
Промышленные солнечные панели разделяют на группы в зависимости от конструкции и типа рабочего светочувствительного слоя.
Существуют различные типы батарей, классифицируемые по конструкции.
- гибкие панели;
- жесткие модули.
Благодаря универсальности монтажа гибкие тонкопленочные панели всё чаще выбирают для реализации проектов с различной архитектурой.
Существуют различные типы солнечных батарей, классифицируемых по типу рабочего фотоэлектрического слоя.
- Кремниевые: монокристаллические, поликристаллические, аморфные.
- Теллурий-кадмиевые.
- На основе селенида индия- меди-галлия.
- Полимерные.
- Органические.
- На основе арсенида галлия.
- Комбинированные и многослойные.
Не все типы солнечных панелей интересны широкому кругу потребителей, интересен лишь первый и второй кристалличнный подвид.
Некоторые виды панелей обладают высоким КПД, однако высокая цена ограничивает их популярность.
Кремниевые солнечные панели достаточно чувствительны к повышенным температурам. Для измерения производства электроэнергии используется базовая температура 25°С. При ее увеличении на каждый градус эффективность панелей падает на 0,45-0,5%.
Будет детально изучено устройство солнечных панелей, пользующихся наибольшей популярностью у покупателей.
Характеристики панелей на основе кремния
Для производства кремния для солнечных батарей используют кварцевый порошок, образованный из перемолотых кристаллов кварца.
В западной Сибири и на Среднем Урале обнаружены огромные месторождения этого сырья, что делает перспективы развития данной отрасли солнечной энергетики почти неограниченными.
Кристаллические и аморфные кремниевые панели составляют уже более 80% рынка, поэтому их стоит изучить подробнее.
Монокристаллические кремниевые панели
Современные монокристаллические кремниевые пластины однородного темно-синего цвета изготавливаются из максимально чистого кремния. Монокристаллические фотоэлементы обладают самой высокой ценой среди всех кремниевых пластин, но обеспечивают наивысшую эффективность преобразования солнечной энергии.
В данном месте созданы предпосылки для достижения наивысшей производительности.
Сложность упорядочения всех кристаллов кремния в одно направление делает производство дорогим. Из-за особенностей рабочего слоя максимальная эффективность достигается только при прямом падении солнечного света на поверхность пластины.
Монокристаллические батареи нуждаются в специальном оборудовании, которое поворачивает их днем таким образом, чтобы поверхность панелей всегда была перпендикулярна солнцу.
Кремниевые слои с кристаллографической ориентацией в одну сторону получают путем резки из металлического цилиндра, так что итоговые фотоэлектрические элементы представляют собой квадраты с закругленными углами.
Преимущества монокристаллических кремниевых батарей состоят в:
- Высокий КПД со значением 17-25%.
- Компактность Мощность на единицу площади размещения оборудования меньше по сравнению с поликристаллическими кремниевыми панелями.
- Долговечность Энергетические установки работают эффективно в течение не менее двадцати пяти лет.
Недостатков у таких батарей всего два:
- Высокая стоимость и длительная окупаемость.
- Чувствительность к загрязнениюЗапыленные солнечные панели производят меньше электроэнергии из-за поглощения света пылью.
Из-за необходимости получать прямые солнечные лучи монокристаллические… солнечные панели устанавливаются В большинстве случаев установление проводится на открытых пространствах либо на возвышенности. Близость к экватору и частые солнечные дни делают такой тип фотоэлементов особенно привлекательным для установки.
Поликристаллические солнечные батареи
Поликристаллические кремниевые панели отличаются неравномерным голубым оттенком вследствие разной ориентации кристаллов. Кремний, применяемый в их изготовлении, имеет меньшую чистоту по сравнению с монокристаллическими панелями.
Разнонаправленный крісталлик достигает КПД 12-18% при рассеянном свете. Это меньше, чем у однонаправленных кристаллов, однако в пасмурную погоду такие панели демонстрируют большую эффективность.
Разнородность исходного материала уменьшает затраты на изготовление кремния. Металл, очищенный для изготовления поликристаллических солнечных панелей, без труда заливают в формы.
На производстве применяются особые технические приемы для формирования кристаллов, но направление не регулируется. Кремний после охлаждения режут слоями и обрабатывают по определенному алгоритму.
Поликристаллические панели неприхотливы к солнцу, благодаря чему широко применяются на кровлях домов и сооружений.
Преимущества солнечных панелей с многонаправленным кристаллом заключаются в:
- Высокая эффективность в условиях рассеянного света.
- Возможность стационарного монтажа на крышах зданий.
- Меньшая стоимость по сравнению с монокристаллическими панелями.
- Длительность эксплуатации Через двадцать лет работы эффективность снижается всего на 15-20 процентов.
У поликристаллических панелей есть недостатки.
- Пониженный КПД со значением 12-18%.
- Относительная громоздкость Установка требует большего пространства по сравнению с монокристаллическими версиями, если учитывать мощность.
Поликристаллические солнечные панели всё активнее занимают долю рынка среди кремниевых батарей благодаря возможности снижения затрат на производство. Ежегодно растёт и их КПД, приближаясь к 20% в серийной продукции.
Солнечные панели из аморфного кремния
Производство солнечных панелей из аморфного кремния отличается от изготовления кристаллов, здесь применяется гидрид кремния, пар которого оседает на подложку при высоких температурах.
Благодаря этой технологии традиционные кристаллы не формируются, а производственные расходы существенно уменьшаются.
В настоящее время выпущено три поколения панелей из аморфного кремния, каждое из которых демонстрирует увеличение КПД. Первые фотоэлектрические модули достигали эффективности 4-5%, а сейчас на рынке распространены модели второго поколения с КПД 8-9%.
Новые аморфные панели достигают эффективности до 12%, появились в продаже, но остаются дорогими.
Благодаря особенностям производственной технологии возможно создание слоя кремния на жесткой и гибкой подложке. Модули из аморфного кремния благодаря этому востребованы в гибких тонкоплёночных солнечных модулях, однако варианты с эластичной основой стоят значительно дороже.
Благодаря физико-химической структуре, аморфный кремний эффективно поглощает фотоны рассеянного света, что позволяет генерировать электроэнергию. Такая особенность делает панели подходящими для использования в северных регионах с обширными открытыми пространствами.
Батареи на основе аморфного кремния сохраняют высокую эффективность даже при высокой температуре, несмотря на то что уступают в этом показателе панелям из арсенида галлия.
В итоге можно выделить следующие плюсы аморфных солнечных панелей:
- Универсальность Можно создавать гибкие и тонкие панели, а также монтировать батареи на различные архитектурные конструкции.
- Высокий КПД при рассеянном свете.
- Стабильная работа при высоких температурах.
- Простота и надежность конструкции. Такие панели практически не ломаются.
- Сохранение работоспособности в сложных условиях При загрязнении поверхность демонстрирует меньшее снижение производительности по сравнению с кристаллическими материалами.
Фотоэлектрические элементы второго и последующих поколений функционируют 20-25 лет, теряя при этом 15-20% мощности. Недостаток панелей из аморфного кремния — необходимость больших площадей для установки оборудования необходимой мощности.
Обзор бескремниевых устройств
Некоторые солнечные панели, изготовленные с применением редких и дорогостоящих металлов, имеют КПД более 30%.
Благодаря особым характеристикам, эти панели, хоть и в разы дороже кремниевых аналогов, заняли высокотехнологичную торговую нишу.
Солнечные панели из редких металлов
Существуют типы солнечных панелей из редкоземельных металлов, эффективность которых может быть ниже, чем у монокристаллических кремниевых модулей.
Возможность работы в экстремальных условиях даёт производителям подобных солнечных панелей возможность выпускать конкурентоспособную продукцию и продолжать исследования.
Для изготовления фотоэлектрических элементов чаще всего используют теллурид кадмия, селенид индия-меди-галлия и селенид индия-меди.
Кадмий токсичен, а индий, галлий и теллур – редкие и дорогие элементы, так что массовое производство солнечных панелей с их использованием не представляется возможным.
Эффективность таких панелей составляет 25-35%, иногда достигая 40%. Раньше их использовали преимущественно в космической промышленности, а теперь открылось новое перспективное поле применения.
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 концентрируются на небольшой панели, которая одновременно вырабатывает электроэнергию и передает тепловую энергию водяному теплообменнику.
Нагрев воды создает пар, приводящий турбину в движение и производящий электроэнергию. Солнечная энергия таким образом превращается в электрическую по двум каналам с наибольшей производительностью.
Полимерные и органические аналоги
Разработка фотоэлектрических модулей на базе органических и полимерных соединений началась лишь в прошлом десятилетии, однако учёные достигли заметных результатов. HeliatekКомпания, установившая органические солнечные панели на нескольких небоскрёбах.
Размер её рулонной пленки указанного типа. HeliaFilm составляет всего 1 мм.
Производство полимерных панелей включает вещества: углеродные фуллерены, фталоцианин меди, полифенилен и др. Эффективность таких фотоэлементов достигает 14-15%, а стоимость изготовления существенно ниже, чем у кристаллических солнечных панелей.
Важно выяснить, как долго сохраняет эффективность органический рабочий слой.
Преимущества органических солнечных панелей состоят в следующем:
- возможность экологически безопасной утилизации;
- дешевизна производства;
- гибкая конструкция.
К недостаткам таких фотоэлементов относятся сравнительно низкий КПД и отсутствие достоверной информации о сроках стабильной работы панелей. Возможно, что через 5-10 лет все минусы органических солнечных фотоэлементов исчезнут, и превратится в серьезных конкурентов для кремниевых пластин.
Какую солнечную панель выбрать?
Выбор солнечных панелей для загородных домов в широтах от 45 до 60 градусов имеет две основные разновидности: поликристаллические и монокристаллические кремниевые панели.
Если место ограничено, стоит выбрать более эффективные модели с односторонним размещением кристаллов. При неограниченной площади советуем приобрести поликристаллические батареи.
При выборе производителя, мощности и дополнительного оборудования для фотоэлектрических модулей целесообразно обратиться к специалистам из компаний, торгующих и устанавливающих подобное оборудование. Важно помнить, что качество и цена фотоэлектрических модулей у ведущих производителей практически идентичны.
Заказ комплекта оборудования «под ключ» предполагает, что стоимость солнечных панелей будет около 30-40% от общей суммы. Окупаемость таких проектов составляет 5-10 лет и зависит от потребления энергии и возможности продажи излишков электроэнергии в городскую сеть.
Некоторые мастера сами собирают солнечные батареи. На нашем сайте есть статьи о технологии изготовления таких панелей, их подключении и установке отопительных гелиосистем.
Советуем ознакомиться:
- Изготовление солнечной батареи своими руками: пошаговая инструкция.
- Геlioсиcтeмы для oтoплeния: pазобpыч технологий.
- Подключение солнечных батарей осуществляется к контроллеру, аккумулятору и устройствам, которые получает энергию.
Выводы и полезное видео по теме
Видео демонстрируют функционирование солнечных панелей в естественных условиях и дают представление о необходимых вспомогательных устройствах.
Как подобрать солнечные панели и оборудование к ним?
Виды солнечных панелей:
Тестирование монокристаллической и поликристаллической панелей:
Население и малые предприятия пока не имеют действенных заменителей кристаллическим кремниевым панелям. Разработка новых видов солнечных батарей внушает оптимизм, что в скором времени солнечная энергия станет ведущим источником электроэнергии для многих загородных домов.
Приглашаем всех, кто интересуется солнечными батареями, к участию в дискуссии: оставляйте комментарии, задавайте вопросы. Форма обратной связи находится внизу страницы.