- Принцип роботи сонячних панелей
- Типи фотоелектричних перетворювачів
- Характеристики панелей на основі кремнію
- Огляд бескремніевих пристроїв
- Яку сонячну панель вибрати?
- Висновки і корисне відео по темі
Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!
Альтернативна енергетика максимально розвивається в Європі, показуючи результатами свою перспективність. З'являються нові види сонячних батарей, підвищується їх ККД.
При бажанні забезпечити роботу промислової будівлі або житлового приміщення за рахунок енергії сонця, необхідно попередньо дізнатися про відмінності обладнання, зрозуміти, які сонячні панелі підходять під кліматичні умови певного регіону.
Ми допоможемо розібратися в цьому питанні. У статті розглянуто принцип роботи фотоелектричних перетворювачів, наведено огляд різних видів сонячних батарей із зазначенням їх характеристик, переваг та недоліків. Ознайомившись з матеріалом, ви зможете зробити правильний вибір для облаштування ефективної геліосистеми.
Принцип роботи сонячних панелей
Переважна більшість сонячних панелей є в фізичному сенсі фотоелектричними перетворювачами. Електрогенеруючих ефект виникає в місці напівпровідникового pn переходу.
Саме кремнієві пластини складають основу собівартості сонячних панелей, але при їх використанні в якості цілодобового джерела електроенергії доведеться додатково купити дорогі акумуляторні батареї
Панель складається з двох кремнієвих пластин з різними властивостями. Під дією світла в одній з них виникає нестача електронів, а в іншій - їх надлишок. Кожна пластина має токоотводящий смужки з міді, які приєднуються до перетворювачів напруги.
Промислова сонячна панель складається з безлічі ламінованих фотоелектричних осередків, скріплених між собою і закріплених на гнучкій або жорсткої підкладці.
ККД обладнання залежить багато в чому від чистоти кремнію і орієнтації його кристалів. Саме ці параметри намагаються поліпшити інженери останні десятиліття. Основною проблемою при цьому є висока вартість процесів, які лежать в основі очищення кремнію і розташування кристалів в одному напрямку на всій панелі.
Щорічно максимальні ККД різних сонячних панелей змінюються в більшу сторону, тому що в дослідження нових фотогальванічних матеріалів вкладаються мільярди доларів (+)
Напівпровідники фотоелектричних перетворювачів можуть виготовлятися не тільки з кремнію, а й з інших матеріалів - принцип роботи батареї при цьому не змінюється.
Типи фотоелектричних перетворювачів
Класифікують промислові сонячні панелі по їх конструкційним особливостям і типу робочого фотоелектричного шару.
Розрізняють такі види батарей по типу пристрою:
- гнучкі панелі;
- жорсткі модулі.
Гнучкі тонкоплівкові панелі поступово займають все більшу нішу на ринку завдяки своїй монтажної універсальності, адже встановити їх можна на більшості поверхонь з різноманітними архітектурними формами.
Реальні характеристики сонячних панелей зазвичай нижче, ніж зазначені в інструкції. Тому перед їх установкою будинку бажано самому побачити схожий реалізований проект
За типом робочого фотоелектричного шару сонячні батареї поділяються на такі різновиди:
- Кремнієві: монокристалічні, полікристалічні, аморфні.
- Телурій-кадмієві.
- На основі селеніду індія- міді-галію.
- Полімерні.
- Органічні.
- На основі арсеніду галію.
- Комбіновані і багатошарові.
Інтерес для широкого споживача представляють не всі типи сонячних панелей, а тільки лише перші два кристалічних підвиду.
Хоча деякі інші типи панелей і мають великі ККД, але через високу вартість вони не набули широкого поширення.
Монокристалічні панелі легко вгадати по білим квадратикам в куточках окремих елементів 
Полікристалічні панелі рекомендується орієнтувати на схід і захід, а для південної сторони краще придбати монокристаллический модуль 
Тонкоплівкові сонячні панелі популярні при виготовленні портативних туристичних сонячних батарей 
Сонячні панелі з вмістом індію активно використовуються на космічних супутниках 
Миш'як в сонячних батареях з арсенідом галію стає токсичним тільки при прямому контакті з водою 
Сонячні панелі з рідкісних металів можуть бути виготовлені будь-яких розмірів і форми 
Органічні сонячні панелі поки що недоступні для масового споживача через недостатню випробування технології 
Полімерні сонячні батареї мають низький ККД, тому поширення поки не отримали
Кремнієві фотоелектричні елементи досить чутливі до нагрівання. Базова температура для вимірювання електрогенерації складає 25 ° C. При її підвищенні на один градус ефективність панелей знижується на 0, 45-0, 5%.
Далі будуть детально розглянуті сонячні панелі, які становлять найбільший споживчий інтерес.
Характеристики панелей на основі кремнію
Кремній для сонячних батарей виготовляють з кварцового порошку - розмелених кристалів кварцу. Багатющі поклади сировини є в Західному Сибіру і Середньому Уралі, тому перспективи даного напрямку сонячної енергетики практично безмежні.
Навіть зараз кристалічні і аморфні кремнієві панелі займають вже більше 80% ринку. Тому варто розглянути їх більш детально.
Монокристалічні кремнієві панелі
Сучасні монокристалічні кремнієві пластини (mono-Si) мають рівномірний темно-синій колір по всій поверхні. Для їх виробництва використовується найбільш чистий кремній. Монокристалічні фотоелементи серед усіх кремнієвих пластин мають найвищу ціну, але забезпечують і найкращий ККД.
Великі монокристалічні сонячні панелі з поворотними механізмами ідеально вписуються в пустельні пейзажі. Там забезпечуються умови для максимальної продуктивності
Висока вартість виробництва обумовлена складністю орієнтації всіх кристалів кремнію в одному напрямку. Через таких фізичних властивостей робочого шару максимальний ККД забезпечується тільки при перпендикулярному падінні сонячних променів на поверхню пластини.
Монокристалічні батареї вимагають додаткового обладнання, яке автоматично повертає їх протягом дня, щоб площину панелей була максимально перпендикулярна сонячним променям.
Шари кремнію з односторонньо орієнтованими кристалами вирізаються з циліндричного бруска металу, тому готові фотоелектричні блоки мають вигляд закругленого по кутах квадрата.
До переваг монокристалічних кремнієвих батарей відносять:
- Високий ККД зі значенням 17-25%.
- Компактність - менша площа розміщення обладнання з розрахунку на одиницю потужності, в порівнянні з полікристалічний кремнієвими панелями.
- Довговічність - достатня ефективність генерації електроенергії забезпечується до 25 років.
Недоліків у таких батарей всього два:
- Висока вартість і тривала окупність.
- Чутливість до забруднення. Пил розсіює світло, тому у покритих нею сонячних панелей різко знижується ККД.
Через потреби в прямих сонячних променях монокристалічні сонячні панелі встановлюються в основному на відкритих майданчиках або на висоті. Чим ближче місцевість до екватора і чим більше в ній сонячних днів, тим більш краща установка саме цього типу фотоелектричних елементів.
Полікристалічні сонячні батареї
Полікристалічні кремнієві панелі (multi-Si) мають нерівномірний по інтенсивності синій колір через різнобічної орієнтованості кристалів. Чистота кремнію, використовуваного при їх виробництві, трохи нижче, ніж у монокристалічних аналогів.
Різноспрямованість кристалів забезпечує високий ККД при розсіяному світлі - 12-18%. Він нижче, ніж в односпрямованих кристалах, але в умовах похмурої погоди такі панелі виявляються більш ефективні.
Неоднорідність матеріалу призводить і до зниження собівартості виробництва кремнію. Очищений метал для полікристалічних сонячних панелей без особливих хитрувань заливається в форми.
На виробництві використовуються спеціальні технічні прийоми для формування кристалів, проте їх спрямованість не контролюється. Після охолодження кремній нарізають шарами і обробляють за спеціальним алгоритмом.
Полікристалічні панелі не вимагають постійної орієнтації в бік сонця, тому для їх розміщення активно використовуються дахи будинків і промислових будівель.
Днем при легкій хмарності переваг сонячних панелей з аморфного кремнію помітно не буде, їх гідності розкриваються тільки при щільних хмарах або в тіні (+)
До переваг сонячних батарей з різноспрямованими кристалами відносять:
- Висока ефективність в умовах розсіяного світла.
- Можливість стаціонарного монтажу на дахах будівель.
- Менша вартість у порівнянні з монокристаллическими панелями.
- Тривалість експлуатації - падіння ефективності через 20 років експлуатації становить всього 15-20%.
Недоліки у полікристалічних панелей також є:
- Знижений ККД зі значенням 12-18%.
- Відносна громіздкість - потрібно більше простору для установки з розрахунку на одиницю потужності в порівнянні з монокристаллическими аналогами.
Полікристалічні сонячні панелі завойовують все більшу ринкову частку серед інших кремнієвих батарей. Це забезпечується широкими потенційними можливостями для здешевлення вартості їх виробництва. Щорічно збільшується і ККД таких панелей, стрімко наближаючись до 20% у масових продуктів.
Сонячні панелі з аморфного кремнію
Механізм виробництва сонячних панелей з аморфного кремнію принципово відрізняється від виготовлення кристалічних фотоелектричних елементів. Тут використовується не чистий неметалл, а його гідрид, гарячі пари якого осідають на підкладку.
В результаті такої технології класичні кристали не утворюються, а витрати на виробництво різко знижуються.
Фотоелементи з обложеного аморфного кремнію можна закріплювати як на гнучкій полімерній основі, так і на жорсткому скляному аркуші
На даний момент існує вже три покоління панелей з аморфного кремнію, в кожному з яких помітно підвищується ККД. Якщо перші фотоелектричні модулі мали ефективність 4-5%, то зараз на ринку масово продаються моделі другого покоління з ККД 8-9%.
Аморфні панелі останньої розробки мають ефективність до 12% і вже починають з'являтися в продажу, але вони поки ще досить дорогі.
За рахунок особливостей даної виробничої технології, створити шар кремнію можна як на жорсткій, так і на гнучкій підкладці. Через це модулі з аморфного кремнію активно використовуються в гнучких тонкоплівкових сонячних модулях. Але варіанти з еластичною підкладкою коштують набагато дорожче.
Фізико-хімічна структура аморфного кремнію дозволяє максимально поглинати фотони слабкого розсіяного світла для генерації електроенергії. Тому такі панелі зручні для застосування в північних районах з великими вільними площами.
Чи не знижується ефективність батарей на основі аморфного кремнію і при високій температурі, хоча вони і поступаються за цим параметром панелям з арсеніду галію.
При однаковій вартості обладнання сонячні панелі з гідриду кремнію показують більшу продуктивність, ніж їх моно- і полікристалічні аналоги (+)
Підсумовуючи, можна вказати такі переваги аморфних сонячних панелей:
- Універсальність - можливість виготовлення гнучких і тонких панелей, монтаж батарей на будь-які архітектурні форми.
- Високий ККД при розсіяному світлі.
- Стабільна робота при високих температурах.
- Простота і надійність конструкції. Такі панелі практично не ламаються.
- Збереження працездатності в складних умовах - менше падіння продуктивності при запиленості поверхні, ніж у кристалічних аналогів
Термін служби таких фотоелектричних елементів, починаючи з другого покоління, становить 20-25 років при падінні потужності в 15-20%. До недоліків панелей з аморфного кремнію можна віднести лише потреба у великих площах для розміщення обладнання необхідної потужності.
Огляд бескремніевих пристроїв
Деякі сонячні панелі, виготовлені із застосуванням рідкісних і дорогих металів, мають ККД понад 30%. Вони в рази дорожче своїх кремнієвих аналогів, але все-таки зайняли високотехнологічну торговельну нішу, завдяки своїм особливим характеристикам.
Сонячні панелі з рідкісних металів
Існує кілька типів сонячних панелей з рідкісних металів, і не всі вони мають ККД вище, ніж у монокристалічних кремнієвих модулів.
Однак здатність працювати в екстремальних умовах дозволяє виробникам таких сонячних панелей випускати конкурентоспроможну продукцію і проводити подальші дослідження.
Панелі з телуриду кадмію активно використовуються при облицюванні будівель в екваторіальних і аравійських країнах, де їх поверхня нагрівається вдень до 70-80 градусів
Основними сплавами, застосовуваними для виготовлення фотоелектричних елементів, є телурид кадмію (CdTe), селенід індія- міді-галію (CIGS) і селенід індію-міді (CIS).
Кадмій - токсичний метал, а індій, галій і телур є досить рідкісними і дорогими, тому масове виробництво сонячних панелей на їх основі навіть теоретично неможливо.
ККД таких панелей знаходиться на рівні 25-35%, хоча у виняткових випадках може доходити до 40%. Раніше їх застосовували в основному в космічній галузі, а зараз з'явилося нове перспективний напрям.
Через стабільної роботи фотоелементів з рідкісних металів при температурах 130-150 ° C їх використовують в сонячних теплових електростанціях. При цьому промені сонця від десятків або сотень дзеркал концентруються на невеликій панелі, яка одночасно генерує електроенергію і забезпечує передачу теплової енергії водяному теплообміннику.
В результаті нагрівання води утворюється пара, який змушує обертатися турбіну і генерувати електроенергію. Таким чином сонячна енергія перетворюється в електричну одночасно двома шляхами з максимальною ефективністю.
Полімерні та органічні аналоги
Фотоелектричні модулі на основі органічних і полімерних з'єднань почали розробляти лише в останньому десятилітті, але дослідники вже досягли значних успіхів. Найбільший прогрес демонструє європейська компанія Heliatek, яка вже оснастила органічними сонячними панелями кілька висотних будівель.
Товщина її рулонної плівковою конструкції типу HeliaFilm становить всього 1 мм.
При виробництві полімерних панелей використовуються такі речовини, як вуглецеві фулерени, фталоцианин міді, поліфенілен і інші. ККД таких фотоелементів вже досягає 14-15%, а вартість виробництва в рази менше, ніж кристалічних сонячних панелей.
Гостро стоїть питання терміну деградації органічного робочого шару. Поки що достеменно підтвердити рівень його ККД через кілька років експлуатації не представляється можливим.
Перевагами органічних сонячних панелей є:
- можливість екологічно безпечної утилізації;
- дешевизна виробництва;
- гнучка конструкція.
До недоліків таких фотоелементів можна віднести відносно низький ККД і відсутність достовірної інформації про терміни стабільної роботи панелей. Можливо, що через 5-10 років всі мінуси органічних сонячних фотоелементів зникнуть, і вони стануть серйозними конкурентами для кремнієвих пластин.
Яку сонячну панель вибрати?
Вибір сонячних панелей для заміських будинків на широті 45-60 ° не важкий. Тут варто розглядати лише два варіанти: полікристалічні і монокристалічні кремнієві панелі.
При дефіциті місця перевагу краще віддати більш ефективним моделям з односторонньою орієнтацією кристалів, при необмеженій площі рекомендується придбати полікристалічні батареї.
Орієнтуватися на прогнози аналітичних компаній розвитку ринку сонячних панелей не варто, адже кращі їх зразки, можливо, ще не винайдено
Вибирати конкретного виробника, необхідну потужність і додаткове обладнання краще за участю менеджерів компаній, що займаються продажем і установкою такого обладнання. Слід знати, що якість і ціна фотоелектричних модулів у найбільших виробників відрізняються мало.
Слід враховувати, що при замовленні комплекту обладнання «під ключ», вартість самих сонячних панелей буде становити всього лише 30-40% від загальної суми. Терміни окупності таких проектів складають 5-10 років, і залежать від рівня енергоспоживання і можливості продажу надлишків електроенергії в міську мережу.
Деякі майстри вважають за краще збирати сонячні батареї власноруч. На нашому сайті є статті з докладним описом технології виготовлення таких панелей, їх підключення і облаштування опалювальних геліосистем.
Радимо ознайомитися:
- Як зробити сонячну батарею своїми руками: інструктаж по самостійній збірці
- Сонячні системи опалення: розбір технологій облаштування опалення на базі геліосистем
- Схема підключення сонячних батарей: до контролера, до акумулятора і обслуговує системам
Висновки і корисне відео по темі
Представлені відеоролики показують роботу різних сонячних панелей в реальних умовах. Також вони допоможуть розібратися в питаннях вибору супутнього обладнання.
Правила вибору сонячних панелей і супутнього устаткування:
Види сонячних панелей:
Тестування монокристаллической і полікристалічний панелей:
Для населення і невеликих промислових об'єктів реальної альтернативи кристалічним кремнієвим панелям поки що немає. Але темпи розробки нових типів сонячних батарей дозволяють сподіватися, що скоро енергія сонця стане головним джерелом електроенергії в багатьох заміських будинках.
Всім зацікавленим в питанні вибору і використання сонячних батарей пропонуємо залишати коментарі, ставити запитання і брати участь в обговореннях. Форма для зв'язку розташована в нижньому блоці.