Альтернативные источники энергии активно развиваются в европейских странах, что подтверждает их успешность и потенциальную востребованность. Постоянно появляются новые модели солнечных батарей с увеличенной эффективностью.
Если вы планируете обеспечить энергией какое-либо производственное или жилое здание с помощью солнечной энергии, вам следует заранее изучить различия в оборудовании и выяснить, какие солнечные панели будут наиболее оптимальными для климатических условий определенной местности.
Мы готовы помочь вам разобраться с этим вопросом. В данной статье мы поясним принцип работы фотоэлектрических преобразователей, а также представим обзор различных типов солнечных батарей, включая их характеристики, преимущества и недостатки. После ознакомления с представленным материалом вы сможете выбрать наиболее подходящее решение для установки эффективной солнечной системы.
Краткое содержание статьи
Принцип работы солнечных панелей
Наиболее распространенные солнечные панели в физическом смысле представляют собой фотоэлектрические преобразователи. Электрический ток генерируется в области полупроводникового p-n перехода.
Основу себестоимости солнечных батарей составляют кремниевые пластины, однако для того чтобы использовать их в качестве круглосуточного источника электроэнергии, необходимо дополнительно закупать дорогие аккумуляторы.
Структура панели включает две пластины из кремния с различными свойствами. Под воздействием солнечного света в одной из них образуется нехватка электронов, а в другой — их избыток. Каждая из пластин оснащена проводящими полосками из меди, которые соединяются с преобразователями напряжения.
Промышленные солнечные панели состоят из множества ламинированных фотоэлектрических ячеек, которые скреплены между собой и закреплены на гибкой или жесткой основе.
Эффективность системы во многом зависит от чистоты кремния и ориентации кристаллов. Инженеры уже несколько десятилетий работают над улучшением этих параметров. Главной сложностью остается высокая стоимость процессов, связанных с очищением кремния и выравниванием кристаллов по одному направлению на всей панели.
Каждый год показатели эффективности различных солнечных панелей растут, поскольку в исследования новых фотогальванических материалов инвестируются миллиарды долларов (+)
Фотоэлектрические преобразователи могут быть изготовлены не только из кремния, но и из других материалов, и при этом принцип работы батареи остается прежним.
Типы фотоэлектрических преобразователей
Промышленные солнечные панели классифицируют в зависимости от их конструкции и характеристик работающего фотоэлектрического слоя.
Существуют следующие типы солнечных батарей:
- гибкие панели;
- жесткие модули.
Гибкие тонкопленочные панели становятся всё популярнее на рынке благодаря своей универсальности, так как их можно установить на большинство поверхностей с разными архитектурными формами.
Фактические характеристики солнечных панелей обычно ниже, чем указано в технических документациях. Поэтому перед установкой желательно ознакомиться с уже реализованными проектами.
По типу работающего фотоэлектрического слоя солнечные батареи могут быть разделены на:
- Кремниевые: монокристаллические, поликристаллические, аморфные.
- Теллурий-кадмиевые.
- На основе селенида индия- меди-галлия.
- Полимерные.
- Органические.
- На основе арсенида галлия.
- Комбинированные и многослойные.
Среди типов солнечных панелей, которые будут интересны потребителям, в основном выделяются первые два кристаллических подтипа.
Галерея изображений
Монокристаллические панели можно отличить по белым квадратикам на углах отдельных элементов.
Поликристаллические панели рекомендуется устанавливать с ориентацией на восток и запад, тогда как для южной стороны лучше подойдут монокристаллические модули.
Тонкопленочные солнечные панели хорошо зарекомендовали себя в производстве портативных солнечных систем для туристов.
Солнечные элементы, содержащие индий, активно применяются в космической сфере для спутников.
Мышьяк в солнечных батареях из арсенида галлия становится опасным лишь в случае прямого контакта с водой.
Солнечные панели из редкоземельных металлов могут быть изготовлены любых размеров и форм.
Органические солнечные панели пока недоступны широкой публике из-за недостаточной зрелости технологии.
Полимерные солнечные батареи имеют низкую эффективность, поэтому их применение пока что ограничено.
Массив монокристаллических солнечных фотоэлементов
Солнечная панель, изготовленная из поликристаллического кремния
Солнечная панель в тонкопленочном исполнении
Фотоэлементы на основе селенида индия-меди-галлия
Фотоэлемент, использующий арсенид галлия
Солнечные панели с включением теллурида кадмия
Процесс производства органических солнечных панелей
Солнечная батарея из полиэфира
Кремниевые фотоэлектрические элементы подвержены влиянию температуры. Оптимальная температура для оценки их работы составляет 25°C. При увеличении температуры на один градус, эффективность панелей снижается на 0,45-0,5%.
В следующем разделе мы более подробно рассмотрим солнечные панели, представляющие наибольший интерес для потребителей.
Характеристики панелей на основе кремния
Для производства кремния, используемого в солнечных батареях, применяется кварцевый порошок, который изготавливается из размолотых кристаллов кварца. Основные запасы этого материала располагаются в Западной Сибири и Среднем Урале, что открывает широкие перспективы для этой сферы солнечной энергетики.
Сейчас кристаллические и аморфные кремниевые панели занимают более 80% рынка, поэтому их стоит рассмотреть более подробно.
Монокристаллические кремниевые панели
Активно используемые монокристаллические кремниевые пластины (mono-Si) имеют однородный тёмно-синий цвет на лицевой стороне. Их производство базируется на использовании наиболее чистого кремния. Монокристаллические фотоэлементы стоят дороже всех других кремниевых аналогов, однако обеспечивают наивысшую эффективность.
Большие монокристаллические панели с поворотными механизмами отлично подходят для установки в пустынных условиях, что позволяет им достигать максимума производительности.
Высокая стоимость их производства объясняется сложностью ориентирования всех кристаллов кремния в одном направлении. Максимальная эффективность достигается только при перпендикулярном падении солнечных лучей на поверхность панели.
Монокристаллические батареи нуждаются в дополнительном оборудовании, которое автоматизирует процесс их поворота в течение дня для поддержания максимально вертикального положения по отношению к солнечным лучам.
Пластины с односторонне ориентированными кристаллами вырезаются из цилиндрического бруска, поэтому готовые фотоэлектрические модули выглядят как закругленные квадраты.
К основным преимуществам монокристаллических батарей можно отнести:
- Высокий КПД — 17-25%.
- Компактные размеры — меньшая площадь для установки на единицу вырабатываемой мощности по сравнению с поликристаллическими панелями.
- Долговечность — эффективность генерации электричества может сохраняться до 25 лет.
Среди недостатков таких панелей выделяют:
- Дороговизна и длительный срок окупаемости.
- Чувствительность к загрязнениям. Накопившаяся пыль снижает светопропускную способность, соответственно эффективность панелей падает.
В силу необходимости прямого солнечного света, монокристаллические панели чаще всего устанавливаются на открытых площадках или на высоте. Чем ближе местность к экватору и чем больше солнечных дней в году, тем более предпочтительно использовать данный тип фотоэлектрических элементов.
Поликристаллические солнечные батареи
Поликристаллические кремниевые панели (multi-Si) имеют неоднородный синий цвет из-за различной ориентации кристаллов. Чистота кремния в их производстве ниже по сравнению с монокристаллическими аналогами.
Разнонаправленность кристаллов обеспечивает decent КПД при рассеянном свете — 12-18%. Хотя он меньше, чем у однонаправленных кристаллов, в условиях облачной погоды такие панели оказывается более продуктивными.
Неровности материала приводят к снижению себестоимости производства кремния. Очищенный кремний легко заливается в формы для получения необходимых слитков.
На производстве применяются специальные методы для формирования кристаллов, но контроль за их направленностью не осуществляют. После охлаждения кремний нарезают на пластины и обрабатывают согласно определённой технологии.
Поликристаллические панели не требуют постоянной ориентации к солнцу, и поэтому их часто устанавливают на крышах жилых и промышленных зданий.
Днём, даже при легкой облачности, преимущества панелей из аморфного кремния не всегда очевидны, их положительные качества проявляются в условиях плотной облачности или тени (+)
Среди достоинств солнечных батарей с разнообразной кристаллической структурой можно выделить:
- Хорошая эффективность при рассеянном освещении.
- Возможность монтажа на крышах зданий.
- Низкая цена по сравнению с аналогами из монокристаллического кремния.
- Долговечность эксплуатации — эффективность после 20 лет эксплуатации теряет лишь 15-20%.
У поликристаллических панелей также имеются свои недостатки:
- Сниженный КПД в пределах 12-18%.
- Относительная объемность — для установки требуется больше пространства на единицу мощности по сравнению с монокристаллическими модулями.
Поликристаллические солнечные модули постепенно занимают все большую нишу на рынке среди прочих кремниевых технологий. Это обусловлено значительными возможностями по снижению затрат их производства. Каждый год наблюдается рост эффективности таких панелей, которая стремительно приближается к 20% для серийных моделей.
Солнечные панели из аморфного кремния
Процесс создания солнечных панелей на основе аморфного кремния существенно отличается от технологии производства кристаллических фотоэлектрических элементов. В данном случае используется не чистый кремний, а его гидрид, пары которого осаждаются на подложку.
Данная методика приводит к отсутствию формирующихся классических кристаллов, что значительно снижает затраты на производство.
Фотоэлементы, созданные из осажденного аморфного кремния, могут быть установлены как на гибкие полимерные, так и на жесткие стеклянные подложки.
На сегодняшний день существует три поколения аморфных солнечных панелей, в каждом из которых наблюдается значительное повышение КПД. Если у первых фотоэлектрических модулей эффективность варьировала между 4-5%, то сейчас на рынке широко представлены модели второго поколения с КПД в 8-9%.
Современные аморфные панели имеют эффективность до 12% и начинают появляться в продаже, однако их стоимость все еще остается высокой.
Благодаря особенностям технологии производства, слой кремния может быть создан как на жесткой, так и на гибкой подложке. Именно поэтому модули из аморфного кремния активно используются в тонкоплёночных солнечных системах с гибкой конструкцией. Однако модели с эластичной основой стоят значительно дороже.
Физико-химическая структура аморфного кремния позволяет ему эффективно поглощать фотоны даже при слабом свете, что делает такие панели идеальными для использования в северных регионах с большими свободными площадями.
Эффективность аморфных панелей не ухудшается при высоких температурах, хотя они и проигрывают по данному параметру модулям на основе арсенида галлия.
При равных ценах солнечные панели из гидрида кремния показывают большую производительность по сравнению с моно- и поликристаллическими аналогами (+)
В заключение, можно выделить следующие преимущества аморфных солнечных панелей:
- Универсальность — возможность создания тонких и гибких панелей, которые можно устанавливать на любые архитектурные формы.
- Высокая эффективность при рассеянном свете.
- Стабильность работы при высоких температурах.
- Простота и надежность конструкции. Такие панели практически не выходят из строя.
- Сохранение работоспособности в сложных условиях — меньшая потеря производительности при загрязнении поверхности по сравнению с кристаллическими моделями.
Срок службы таких фотоэлектрических элементов, начиная со второго поколения, составляет 20-25 лет с уменьшением мощности на 15-20%. К недостаткам аморфных панелей относится потребность в больших площадях для установки оборудования необходимой мощности.
Обзор бескремниевых устройств
Некоторые солнечные панели, созданные с использованием редких и дорогих металлов, достигают КПД более 30%. Они значительно дороже своих кремниевых аналогов, но нашли свою высокотехнологичную нишу благодаря уникальным характеристикам.
Солнечные панели из редких металлов
Существуют различные типы солнечных панелей на основе редких металлов, и не все из них имеют КПД выше, чем у монокристаллических кремниевых модулей.
Тем не менее, их способность работать в экстремальных условиях позволяет производителям таких панелей оставаться конкурентоспособными и продолжать исследования.
Панели из теллурида кадмия активно применяются для облицовки зданий в экваториальных и арабских странах, где их температура может достигать 70-80 градусов в течение дня.
Основные сплавы, используемые для создания фотоэлектрических элементов, включают теллурид кадмия (CdTe), селенид индия-меди-галлия (CIGS) и селенид индия-меди (CIS).
Кадмий считается токсичным металлом, а индий, галлий и теллур являются редкими и дорогими, поэтому массовое производство солнечных панелей на их основе практически невозможно.
КПД таких панелей колеблется на уровне 25-35%, хотя в некоторых случаях может достигать 40%. Ранее они использовались преимущественно в космической индустрии, но в настоящее время открываются новые перспективные направления применения.
Из-за стабильной работы фотоэлементов из редких металлов при температурах от 130 до 150 градусов Цельсия их применяют в солнечных тепловых электростанциях. Световые лучи от десятков или сотен зеркал фокусируются на небольшой панели, которая одновременно генерирует электроэнергию и передает теплоту водяному теплообменнику.
При нагреве воды образуется пар, который приводит в движение турбину, производя электроэнергию. Таким образом, солнечная энергия преобразуется в электрическую с высокой эффективностью одновременно двумя способами.
Полимерные и органические аналоги
Разработка фотоэлектрических модулей на основе органических и полимерных материалов началась лишь в последние десять лет, но уже достигнуты впечатляющие результаты. Наибольшие успехи демонстрирует европейская компания Heliatek, установившая органические солнечные панели на нескольких высотных зданиях.
Толщина её рулонной пленки, именуемой HeliaFilm, составляет всего 1 мм.
При производстве полимерных панелей используются такие материалы, как углеродные фуллерены, фталоцианин меди, полифенилен и другие. КПД таких фотоэлементов уже достигает 14-15%, а стоимость их производства существенно ниже, чем у кристаллических солнечных панелей.
Существует актуальная проблема долговечности органического рабочего слоя. На данный момент нельзя достоверно подтвердить уровень его эффективности через несколько лет эксплуатации.
Плюсы органических солнечных панелей заключаются в следующем:
- возможности экологически безопасной утилизации;
- низкой стоимости производства;
- гибкой конструкции.
К недостаткам таких панелей можно отнести сравнительно низкий КПД и отсутствие точной информации о сроках стабильной работы. Возможно, что через 5-10 лет все их недостатки будут устранены, и они смогут стать серьезной конкурентной заменой кремниевым модулям.
Какую солнечную панель выбрать?
Выбор солнечных панелей для загородных домов на широте 45-60° является достаточно простой задачей. На этом этапе стоит рассмотреть лишь две категории: поликристаллические и монокристаллические кремниевые панели.
Если места не хватает, то стоит предпочесть более эффективные модели с односторонней ориентацией кристаллов, а в случае неограниченной площади желательно выбирать поликристаллические батареи.
Не следует опираться на прогнозы аналитических компаний по развитию рынка солнечных панелей, так как лучшие их образцы могут еще не быть изобретены.
Выбор конкретного производителя, необходимой мощности и дополнительного оборудования лучше осуществить в сотрудничестве с менеджерами компаний, занимающимися продажей и установкой такого оборудования. Стоит учесть, что качество и стоимость фотоэлектрических модулей у крупных производителей различаются минимально.
При приобретении комплекта «под ключ» следует знать, что цена самих солнечных панелей составит только 30-40% от общей стоимости. Сроки окупаемости подобных проектов могут составлять 5-10 лет и зависят от уровня энергопотребления и возможности продажи лишней электроэнергии в городскую сеть.
Некоторые мастера предпочитают самостоятельно собирать солнечные батареи. На нашем сайте доступны статьи с подробными рекомендациями по технологии создания таких панелей, их подключению и организации отопительных систем на базе солнечной энергии.
- Как изготовить солнечную батарею своими руками: инструкция по самостоятельной сборке.
- Солнечные системы отопления: обзор технологий установки отопления на основе солнечных систем.
- Схема подключения солнечных батарей: к контроллеру, аккумулятору и обслуживаемым системам.
Выводы и полезное видео по теме
На представленных видео можно увидеть работу различных солнечных панелей в реальных условиях. Они также помогут разобраться в вопросах выбора сопутствующего оборудования.
Рекомендации по выбору солнечных панелей и сопроводительного оборудования:
Типы солнечных панелей:
Тестирование монокристаллических и поликристаллических панелей:
На текущий момент для населения и небольших промышленных объектов не существует реальной альтернативы кристаллическим кремниевым панелям. Однако темпы разработки новых типов солнечных батарей внушают надежду на то, что скоро солнечная энергия станет основным источником электричества во многих загородных домах.
Мы призываем всех заинтересованных в вопросах выбора и эксплуатации солнечных батарей оставлять комментарии, задавать вопросы и участвовать в обсуждениях. Форма для обратной связи расположена в нижней части страницы.
