В Европе альтернативные источники энергии стремительно развиваются, демонстрируя впечатляющие достижения. Вводятся новые модели солнечных батарей, а их эффективность продолжает расти.
Если вы планируете использовать солнечную энергию для обеспечения работы жилого или коммерческого здания, важно сначала изучить различия в оборудовании и выяснить, какие панели лучше всего подходят для климатических условий вашего региона.
В этом материале мы поможем вам разобраться в теме. Мы обсудим, как функционируют фотоэлектрические преобразователи, а также представим сравнительный обзор различных типов солнечных батарей, указав их характеристики, достоинства и недостатки. Ознакомившись с данной информацией, вы сможете сделать осознанный выбор для создания эффективной солнечной энергетической системы.
Краткое содержание статьи
Как работают солнечные панели
Большинство солнечных панелей являются фотоэлектрическими преобразователями, работающими на основе физических процессов. Электрический ток генерируется в области полупроводникового p-n перехода.
Основной причиной стоимости солнечных панелей являются кремниевые пластины. Однако для их использования в качестве круглосуточного источника энергии потребуется дополнительно приобретать дорогие аккумуляторы.
Стандартная панель состоит из двух кремниевых пластин, отличающихся по свойствам. Под действием солнечного света в одной пласте наблюдается нехватка электронов, в то время как в другой их избыток. Каждая пластина дополнительно оснащена медными полосками для отвода тока, которые соединяются с преобразователями напряжения.
Промышленная солнечная панель собирается из множества ламинированных фотоэлектрических элементов, соединённых друг с другом и монтированных на гибкую или жесткую основу.
Эффективность этих устройств во многом зависит от чистоты кремния и ориентации кристаллов. Эти параметры активно улучшаются инженерами на протяжении последних десятилетий. Основной сложностью являются высокие затраты на процессы очистки кремния и выравнивания кристаллов по всей панели.
Каждый год максимальная производительность различных типов солнечных панелей увеличивается благодаря вложениям миллиардов долларов в исследования новых фотогальванических материалов.
Кристаллы, используемые в фотоэлектрических преобразователях, могут быть изготовлены не только из кремния, но и других материалов, при этом принцип работы устройства остаётся прежним.
Категории фотоэлектрических преобразователей
Солнечные панели классифицируются в зависимости от их конструктивных особенностей и типа фотоэлектрического слоя.
Существуют следующие типы панелей:
- гибкие панели;
- жесткие модули.
Гибкие тонкоплёночные панели постепенно занимают всё более значительное место на рынке благодаря своей универсальности монтажа, что позволяет устанавливать их на разнообразные поверхности с различной архитектурной формой.
Обычно реальные характеристики солнечных панелей ниже, чем указано в технической документации. Поэтому перед установкой желательно ознакомиться с примерами удачно реализованных проектов.
Солнечные панели можно разделить на следующие категории по типу фотоэлектрического слоя:
- Кремниевые: монокристаллические, поликристаллические, аморфные.
- Теллурид-кадмиевые.
- На основе селенида индия- меди-галлия.
- Полимерные.
- Органические.
- На основе арсенида галлия.
- Комбинированные и многослойные.
К широкому кругу потребителей интересуют только первые два типа кристаллических панелей.
Хотя некоторые другие типы могут иметь более высокую эффективность, их высокая стоимость не позволяет им завоевать широкой популярности на рынке.
Характеристики кремниевых панелей
Кремний для изготовления солнечных батарей получают из измельчённых кристаллов кварца. Наиболее богатые запасы этого сырья располагаются в Западной Сибири и Среднем Урале, что открывает широкие перспективы для солнечной энергетики.
На данный момент кристаллические и аморфные кремниевые панели составляют более 80% всего рынка, что оправдывает необходимость их детального рассмотрения.
Монокристаллические панели
Современные монокристаллические кремниевые пластины (mono-Si) имеют однородный тёмно-синий цвет на всей своей поверхности. Их производство требует использования наиболее чистого кремния. Хотя монокристаллические фотоэлементы стоят дороже всех кремниевых технологий, они обеспечивают наиболее высокий коэффициент полезного действия.
Крупные монокристаллические панели с механизмами поворота идеально подходят для установки в пустынных регионах, где создаются оптимальные условия для максимальной продуктивности.
Высоки затраты на производство этих панелей обусловлены необходимостью сохранить однородную ориентацию всех кристаллов кремния. Максимальный КПД достигается только при прямом попадании солнечных лучей на поверхность.
Монокристаллические батареи нуждаются в дополнительном оборудовании, позволяющем им автоматически поворачиваться в течение дня для поддержания максимальной перпендикулярности к солнечным лучам.
Слои кремния с однородной ориентацией кристаллов вырезаются из цилиндрического бруска, что придаёт готовым фотоэлектрическим блокам округлую форму.
К числу достоинств монокристаллических батарей можно отнести:
- Высокий КПД в пределах 17-25%.
- Компактность — требуется меньшая площадь для размещения оборудования на единицу мощности по сравнению с поликристаллическими аналогами.
- Долговечность — эффективная генерация электроэнергии поддерживается до 25 лет.
Однако есть и несколько недостатков:
- Высокая цена и длительные сроки окупаемости.
- Чувствительность к загрязнениям. Пыль уменьшает количество света, что отрицательно сказывается на КПД панелей.
Монокристаллические солнечные панели устанавливаются в основном на открытых площадках или на высоте, поскольку они требуют прямых солнечных лучей. Чем ближе регион к экватору и в нем больше солнечных дней, тем больше целесообразно использовать именно этот тип фотоэлектрических элементов.
Поликристаллические солнечные батареи
Поликристаллические кремниевые модули (multi-Si) имеют неравномерный синий окрас, что связано с разнообразной ориентацией кристаллов. Чистота кремния в их производстве немного ниже, чем в монокристаллических панелях.
Разнонаправленность кристаллов позволяет обеспечить высокий КПД при рассеянном свете — в диапазоне 12-18%. Хотя этот показатель ниже, чем у однонаправленных кристаллов, поликристаллические панели оказываются более эффективными в условиях облачной погоды.
Неоднородный состав материала снижает себестоимость производства кремния, поскольку очищенный металл просто заливается в формы.
Для формирования кристаллов на производстве используют специальные технологии, однако их ориентация не контролируется. После затвердевания кремний нарезается на пластины и обрабатывается по специальному регламенту.
Поликристаллические панели не нуждаются в постоянной подстройке к солнцу, поэтому они популярны для монтажа на крышах зданий.
При легкой облачности преимущества аморфного кремния не будут заметны, свои достоинства они демонстрируют лишь в условиях сильной облачности или тени.
К основным достоинствам поликристаллических солнечных панелей можно отнести:
- Высокая эффективность при рассеянном свете.
- Возможность установки на крыши зданий.
- Более доступная цена по сравнению с монокристаллическими панелями.
- Долгий срок службы — эффективность падет всего на 15-20% за 20 лет эксплуатации.
Поликристаллические панели также имеют свои слабые стороны:
- Сниженный коэффициент полезного действия в диапазоне 12-18%.
- Относительная размеры — требуется больше площади для установки в расчете на единицу мощности по сравнению с аналогами на основе монокристаллического силикона.
Поликристаллические солнечные панели продолжают набирать популярность и занимают все большую долю на рынке среди кремниевых батарей. Это связано с возможностями значительного снижения их производственных затрат. Каждый год наблюдается рост коэффициента полезного действия этих панелей, который уже приближается к 20% для массовых моделей.
Солнечные панели на основе аморфного кремния
Технология производства солнечных панелей из аморфного кремния существенно отличается от способа изготовления кристаллических фотоэлектрических элементов. В этом случае используется не чистый металл, а его гидрид, горячие пары которого осаждаются на поверхность.
Такая методика не приводит к образованию традиционных кристаллов, что значительно сокращает затраты на производство.
Фотоэлементы, полученные с помощью данной технологии, можно размещать как на гибкой полимерной основе, так и на жестком стекле.
На сегодняшний день имеется уже три поколения аморфных солнечных панелей, и в каждом из них наблюдается устойчивый рост их эффективности. Если первые модели имели КПД в пределах 4-5%, то сейчас на рынке массово представлены решения второго поколения с коэффициентом полезного действия 8-9%.
Панели последнего поколения достигают эффективности до 12% и начинают появляться в продаже, хотя их цена все еще достаточно высокая.
Благодаря инновационной производственной технологии, слой кремния можно укладывать как на жесткой, так и на гибкой основе. Это делает панели из аморфного кремния особенно популярными для создания гибких тонкопленочных решений. Варианты с гибкой основой, однако, обойдутся значительно дороже.
Физико-химические характеристики аморфного кремния позволяют максимально эффективно поглощать фотоны при слабом освещении, что делает такие панели идеальными для применения в северных регионах с большими свободными пространствами.
Эффективность солнечных батарей на основание аморфного кремния также сохраняется при высоких температурах, хотя они все же уступают по этому показателю панелям из арсенида галлия.
Сравнивая стоимость оборудования, солнечные панели из гидрида кремния демонстрируют более высокую производительность по сравнению с монокристаллическими и поликристаллическими аналогами.
Подводя итоги, следует выделить несколько преимуществ аморфных солнечных панелей:
- Универсальность — возможность создания гибких и тонких панелей, что открывает новые пути для монтажа на любые архитектурные формы.
- Высокий КПД при рассеянном свете.
- Стабильная работа при значительных температурах.
- Простота и надежность конструкции. Такие панели практически не подвержены поломкам.
- Сохранение производительности в сложных условиях — меньшее снижение эффективности при запыленности по сравнению с кристаллическими аналогами.
Срок службы таких фотоэлектрических модулей второго поколения составляет 20-25 лет с уменьшением мощности в пределах 15-20%. Основным недостатком аморфных панелей остается необходимость в большем количестве площади для установки оборудования с требуемой мощностью.
Обзор безкремниевых технологий
Некоторые солнечные панели, использующие редкие и дорогостоящие металлы, обладают КПД свыше 30%. Они значительно дороже кремниевых моделей, но занимают кресло в высокотехнологичном сегменте рынка благодаря своим уникальным характеристикам.
Солнечные панели из редких металлов
Существуют различные типы солнечных панелей, изготовленных из редких металлов, и не все из них обладают коэффициентом полезного действия, превышающим показатели монокристаллических кремниевых решений.
Тем не менее, их способность функционировать в экстремальных условиях позволяет производителям производить конкурентоспособную продукцию и продолжать исследования.
Панели из теллурида кадмия активно применяются для облицовки зданий в экваториальных и арабских странах, где их поверхность может нагреваться до 70-80 градусов Цельсия в течение дня.
Основными сплавами, используемыми для изготовления фотоэлектрических элементов, являются теллурид кадмия (CdTe), селенид индия-меди-галлия (CIGS) и селенид индия-меди (CIS).
Кадмий является токсичным металлом, а индий, галлий и теллур — достаточно редкими и дорогими, поэтому массовое производство солнечных панелей на их основе вряд ли будет осуществимо.
Коэффициент полезного действия таких панелей колеблется в пределах 25-35%, хотя в исключительных случаях может достигать 40%. Ранее их преимущественно использовали в космической индустрии, сейчас открываются новые перспективные направления.
Благодаря устойчивой работе фотоэлементов из редких металлов при температурах 130-150°C, их применяют в солнечных тепловых электростанциях. На панели концентрируются солнечные лучи от множества зеркал, которые одновременно генерируют электрическую энергию и передают тепловую энергию водяному теплообменнику.
При нагреве воды образуется пар, который приводит в движение турбину, вырабатывающую электроэнергию. Таким образом, солнечная энергия преобразуется в электрическую сразу двумя способами с наибольшей эффективностью.
Полимерные и органические альтернативы
Разработка фотоэлектрических модулей на основе органических и полимерных материалов началась всего в последнем десятилетии, но исследователи уже достигли впечатляющих результатов. Наиболее значительных успехов добилась европейская компания Heliatek, которая уже оснастила органическими солнечными панелями несколько высотных зданий.
Толщина её рулонной пленки типа HeliaFilm составляет всего 1 мм.
Для производства полимерных панелей используются такие компоненты, как углеродные фуллерены, медный фталоцианин, полифенилен и другие. Эффективность таких фотоэлементов уже достигает 14-15%, а стоимость их производства значительно ниже, чем у кристаллических солнечных панелей.
Актуальным остается вопрос долговечности органического рабочего слоя. На данный момент однозначно подтвердить уровень его КПД после нескольких лет эксплуатации не представляется возможным.
К преимуществам органических солнечных панелей можно отнести:
- возможность экологически безопасной утилизации;
- низкая стоимость производства;
- гибкая конструкция.
Недостатками таких фотоэлементов являются относительно низкий КПД и отсутствие надежной информации о сроках стабильной работы панелей. Возможно, в течение 5-10 лет все недостатки органических солнечных фотоэлементов будут устранены, и они станут серьезными конкурентами кремниевым модулям.
Какую солнечную панель выбрать?
Выбор солнечных панелей для загородных домов, расположенных на широте 45-60°, не представляет сложности. Здесь стоит учитывать лишь два варианта: поликристаллические и монокристаллические кремниевые панели.
При ограниченном пространстве лучше выбирать более эффективные модели с однонаправленной ориентацией кристаллов, а если площадь неограничена, предпочтение стоит отдать поликристаллическим батареям.
Не стоит ориентироваться на прогнозы аналитических компаний относительно развития рынка солнечных панелей, поскольку лучшие образцы, возможно, еще не были представлены.
Рекомендуется выбирать конкретного производителя, нужную мощность и дополнительное оборудование с участием менеджеров компаний, специализирующихся на продаже и установке такого оборудования. Необходимо помнить, что стоимость и качество фотоэлектрических модулей у крупных производителей часто не сильно различаются.
Также следует учитывать, что при заказе комплекта «под ключ», стоимость самих солнечных панелей составит лишь 30-40% от общей суммы. Сроки окупаемости таких проектов колеблются от 5 до 10 лет и зависят от уровня потребления энергии и возможности продажи излишков электричества в городскую сеть.
Некоторые специалисты предпочитают собирать солнечные батареи самостоятельно. На нашем сайте вы найдете статьи с детальным описанием технологий изготовления таких панелей, их подключения и организации отопительных гелиосистем.
- Как собрать солнечную батарею своими руками: подробный инструктаж
- Системы отопления на солнечных батареях: исследование технологий по созданию отопления на основе гелиосистем
- Схема подключения солнечных батарей: к контроллеру, к аккумулятору и к обслуживаемым системам
Заключение и полезное видео
Представленные видеоролики демонстрируют работу разных солнечных панелей в реальных условиях. Они помогут лучше разобраться в вопросах выбора сопутствующего оборудования.
Рекомендации по выбору солнечных панелей и дополнительного оборудования:
Типы солнечных панелей:
Тестирование монокристаллических и поликристаллических панелей:
Для частных лиц и малых промышленных объектов альтернативы кристаллическим кремниевым панелям на данный момент нет. Однако темпы разработки новых типов солнечных батарей внушают оптимизм, что скоро солнечная энергия станет основным источником электроэнергии во многих загородных домах.
Всех заинтересованных в вопросах выбора и использования солнечных батарей приглашаем оставлять комментарии, задавать вопросы и принимать участие в обсуждениях. Форма для связи находится в нижнем блоке.
