ВПеределке

В Европе альтернативная энергетика демонстрирует свой потенциал, бурно развиваясь и принося заметные результаты. Возникают новые типы солнечных панелей, а коэффициент их полезного действия растёт.

Если вы планируете использовать энергию солнца для питания производственного комплекса или жилого строения, важно заранее изучить особенности доступного оборудования и определить, какие именно панели будут оптимальны с учетом климатических особенностей конкретной местности.

Наша команда готова предоставить вам необходимую информацию. В данной статье мы объясняем принцип действия фотоэлектрических устройств, представляем обзор различных типов солнечных батарей, описывая их параметры, сильные и слабые стороны. Изучив представленный материал, вы сможете принять обоснованное решение при создании эффективной системы использования солнечной энергии.

Принцип работы солнечных панелей

Большинство солнечных панелей — это фотоэлектрические преобразователи. Электрогенерация происходит в месте полупроводникового p-n перехода.

Солнечная панель включает в себя две кремниевые подложки с отличающимися характеристиками. Под воздействием солнечного света в одной из них формируется дефицит электронов, а в другой – их переизбыток. Обе пластины оснащены медными проводниками для тока, которые соединяются с устройствами преобразования напряжения.

Солнечная панель промышленного образца объединяет большое количество слоев фотоэлектрических элементов, соединенных вместе и установленных на гибкой или твердой 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.

Материалы для создания полупроводников, используемых при преобразовании света в электричество, не ограничиваются кремнием и могут включать альтернативные соединения. принцип работы батареи при этом не изменяется.

Типы фотоэлектрических преобразователей

Промышленные солнечные батареи делят на категории в зависимости от их архитектуры и состава активного фотоэлектрического элемента.

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.

1. Кремниевые: монокристаллические, поликристаллические, аморфные.
2. Теллурий-кадмиевые.
3. На основе селенида индия- меди-галлия.
4. Полимерные.
5. Органические.
6. На основе арсенида галлия.
7. Комбинированные и многослойные.

Для обычного пользователя наиболее интересны не все существующие типы панелей, а только две разновидности с кристаллическим кремнием.

Несмотря на то, что существуют и другие виды панелей с более высокими показателями эффективности преобразования энергии, их высокая цена препятствует массовому внедрению.

Эффективность кремниевых фотоэлектрических устройств значительно зависит от температуры. Стандартная температура, используемая для оценки выработки электроэнергии – 25 градусов Цельсия; каждое повышение этого значения на один градус приводит к уменьшению производительности панелей примерно на 0,45-0,5 процента.

В дальнейшем будет проведен детальный анализ солнечных батарей, представляющих наибольший интерес для потребителей.

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.

Значительные производственные затраты связаны со сложностью выстраивания всех кристаллов кремния в едином направлении. Благодаря подобным физическим особенностям рабочего слоя, наилучший коэффициент полезного действия достигается только при попадании солнечного света под прямым углом к поверхности 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.

К достоинствам монокристаллических солнечных батарей относят:

1. Высокий КПД со значением 17-25%.
2. Компактность— более компактные размеры по отношению к производимой мощности, если сравнивать их с поликристаллическими аналогами.
3. Долговечность Энергетические установки работают эффективно в течение не менее двадцати пяти лет.

Недостатков у таких батарей всего два:

1. Высокая стоимость и длительная окупаемость.
2. Чувствительность к загрязнениюЗапыленные солнечные панели производят меньше электроэнергии из-за поглощения света пылью.

В силу необходимости получать непосредственные лучи солнца, монокристаллические солнечные панели устанавливаютсяобычно размещаются на возвышенностях или в открытых пространствах. Регионы, расположенные ближе к экватору и характеризующиеся большим количеством солнечных дней, являются наиболее подходящими для монтажа данных фотоэлектрических устройств.

Поликристаллические солнечные батареи

Солнечные батареи из поликристаллического кремния (multi-Si) демонстрируют неоднородный, голубоватый оттенок вследствие различной ориентации кристаллических зерен. Содержание примесей в сырье для их изготовления несколько выше по сравнению с панелями на основе монокристаллов.

Кристаллы, расположенные хаотично, обеспечивают высокую эффективность преобразования энергии при слабом освещении – от 12 до 18 процентов. Этот показатель уступает однородным структурам, но в условиях недостатка солнечного света такие устройства превосходят их по производительности.

Разнородность исходного материала уменьшает затраты на изготовление кремния. Металл, очищенный для изготовления поликристаллических солнечных панелей, без труда заливают в формы.

В процессе производства применяются определенные методы формирования кристалов, но их ориентация не регулируется. После охлаждения полученный материал разделяется на слои и подвергается специальной обработке.

Поскольку поликристаллические солнечные модули не нуждаются в точной настройке по отношению к солнечному свету, они часто устанавливаются на крышах жилых и коммерческих строений.

К положительным качествам фотоэлектрических элементов с многонаправленной кристаллической структурой относят:

1. Высокая эффективность в условиях рассеянного света.
2. Возможность стационарного монтажа на крышах зданий.
3. Меньшая стоимость по сравнению с монокристаллическими панелями.
4. Длительность эксплуатации — снижение эффективности в течение двадцати лет работы не превышает 15-20%.

У поликристаллических панелей есть недостатки.

1. Пониженный КПД со значением 12-18%.
2. Относительная громоздкость — для размещения необходимо большая площадь приходящаяся на одну единицу генерируемой энергии, по сравнению с монокристаллическими версиями.

Поликристаллические солнечные батареи постепенно расширяют свое присутствие на рынке среди прочих кремниевых устройств. Это обусловлено значительным потенциалом для снижения затрат при их создании. Кроме того, ежегодно отмечается рост эффективности таких панелей, которая неуклонно приближается к отметке в 20% у серийных изделий.

Солнечные панели из аморфного кремния

Технология производства солнечных батарей из аморфного кремния существенно отличается от способа изготовления кристаллических фотоэлектрических элементов. В данном случае применяется не чистый материал, а его соединение с водородом, горячие пары которого формируются на поверхности подложки.

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 специфике применяемого метода производства, слой кремнезёма может быть сформирован как на твёрдой основе, так и на эластичном материале. В связи с этим, элементы из аморфного кремния нашли широкое применение в гибких солнечных батареях тонкоплёночного типа. Однако, использование материалов, обеспечивающих упругость, значительно увеличивает общую стоимость.

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.

Энергетические характеристики батарей, изготовленных на основе аморфного кремния, остаются стабильными даже при повышенной температуре, хотя и несколько ниже показателей панелей из арсенида галлия.

В итоге можно выделить следующие плюсы аморфных солнечных панелей:

1. Универсальность— их способность к созданию эластичной и малогабаритной конструкции, что позволяет устанавливать панели на разнообразные архитектурные элементы.
2. Высокий КПД при рассеянном свете.
3. Стабильная работа при высоких температурах.
4. Простота и надежность конструкции. Такие панели практически не ломаются.
5. Сохранение работоспособности в сложных условиях— более устойчивая работа при загрязнении поверхности по сравнению с традиционными кристаллическими панелями

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

Различают различные виды солнечных элементов на основе редких металлов, и эффективность некоторых из них не превосходит показатели монокристаллических кремниевых устройств.

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 представляет собой ядовитое вещество, а такие элементы как индий, теллур и галлий встречаются нечасто и стоят дорого. Поэтому создание больших объемов солнечных батарей на их основе даже в перспективе представляется затруднительным.

Эффективность таких панелей составляет 25-35%, иногда достигая 40%. Раньше их использовали преимущественно в космической промышленности, а теперь открылось новое перспективное поле применения.

Благодаря надежной работе фотоэлементов на основе дефицитных металлов при высоких температурах (до 130-150°C), их применяют для работы солнечных тепловых электростанций. В этом случае, лучи света от множества зеркал фокусируются на небольшой панели, которая одновременно вырабатывает электричество и передает тепловую энергию в систему водоснабжения.

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 элементов на основе органики и полимеров стартовала относительно недавно – всего несколько десятилетий назад, однако ученые уже достигли заметных результатов. Лидирующие позиции занимает европейская компания HeliatekКомпания, установившая органические солнечные панели на нескольких небоскрёбах.

Её структура представляет собой тонкую рулонную пленку. 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.

Существенная проблема заключается в снижении эффективности органического слоя, выполняющего роль активного элемента. На данный момент невозможно точно определить, как долго сохранятся заявленные характеристики после продолжительной работы.

К достоинствам органических солнечных панелей относятся:

• 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?

Подбор солнечных батарей для частных домовладений в регионах с географической широтой от 45 до 60 градусов не представляет большой сложности. В данном случае целесообразно учитывать только два типа: поликристаллические и монокристаллические кремниевые элементы.

Если место ограничено, стоит выбрать более эффективные модели с односторонним размещением кристаллов. При неограниченной площади советуем приобрести поликристаллические батареи.

Определение конкретного изготовителя, требуемой мощности и сопутствующего оборудования лучше доверить специалистам компаний, которые осуществляют продажу и монтаж подобных систем. Важно учитывать, что разница в качестве продукции и её стоимости между крупными производителями незначительна.

Важно понимать, что при приобретении готового комплекта оборудования для альтернативной энергетики, доля стоимости солнечных панелей обычно не превышает 30-40% от общего бюджета. Период возврата инвестиций в такие проекты колеблется между пятью и десятью годами, определяясь объемом потребляемой энергии и наличием возможности передачи непрофилированной электроэнергии в общую электрическую сеть.

Некоторые специалисты предпочитают самостоятельную сборку солнечных батарей. На нашем ресурсе представлены публикации с детальным описанием методики изготовления подобных панелей, а также инструкциями по их подключению и созданию систем отопления на базе солнечной энергии.

Советуем ознакомиться:

1. Изготовление солнечной батареи своими руками: пошаговая инструкция.
2. Геlioсиcтeмы для oтoплeния: pазобpыч технологий.
3. Солнечные панели подключаются последовательно: сначала к регулятору заряда, затем – к аккумуляторам и потребителям энергии.

Выводы и полезное видео по теме

Видео демонстрируют функционирование солнечных панелей в естественных условиях и дают представление о необходимых вспомогательных устройствах.

Рекомендации по выбору солнечных панелей и необходимого оборудования:

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.

Для всех, кто интересуется приобретением и применением солнечных панелей, приглашаем к высказыванию мнений, вопросам и активному взаимодействию. Контактная форма находится в нижней части страницы.