Сравнительный обзор различных видов солнечных батарей

Альтернативная энергетика развивается в Европе максимально активно, показывая многообещающие результаты. Появляются новые типы солнечных элементов, увеличивается их эффективность.

Если вы хотите обеспечить работу промышленного здания или жилого дома с использованием солнечной энергии, необходимо для начала знать отличия в оборудовании, понимать, какие солнечные панели подходят для климатических условий того или иного региона.

Мы поможем вам разобраться в этой проблеме. В статье рассматривается принцип работы фотоэлектрических преобразователей, дается обзор различных типов солнечных элементов с указанием их характеристик, достоинств и недостатков. Ознакомившись с материалом, вы сможете сделать правильный выбор для обустройства эффективной солнечной системы.

Как работают солнечные панели

Подавляющее большинство солнечных панелей являются фотоэлектрическими преобразователями в физическом смысле. Эффект выработки энергии возникает на pn переходе полупроводника.

Именно кремниевые пластины составляют основу стоимости солнечных панелей, но когда они используются в качестве источника электричества круглосуточно, также необходимо будет покупать дорогие батареи

Панель состоит из двух кремниевых пластин с разными свойствами. Под действием света в одном из них возникает недостаток электронов, а в другом – их избыток. Каждая пластина имеет медные токопроводящие полоски, которые подключены к преобразователям напряжения.

Промышленная солнечная панель состоит из множества ламинированных фотоэлектрических элементов, соединенных вместе и прикрепленных к гибкой или жесткой подложке.

Эффективность оборудования во многом зависит от чистоты кремния и ориентации его кристаллов. Это параметры, которые инженеры пытались улучшить на протяжении последних десятилетий. Основная проблема в этом случае – высокая стоимость процессов, лежащих в основе очистки кремния, и расположение кристаллов в одном направлении по всей панели.

Каждый год максимальная эффективность различных солнечных панелей увеличивается, поскольку миллиарды долларов инвестируются в исследования новых фотоэлектрических материалов (+)

Полупроводники фотоэлектрических преобразователей могут быть выполнены не только из кремния, но и из других материалов: в этом случае принцип работы батареи не меняется.

Типы фотоэлектрических преобразователей

Промышленные солнечные панели классифицируются по конструктивным характеристикам и типу функционирующего фотоэлектрического слоя.

Батареи бывают следующих типов в зависимости от типа устройства:

  • гибкие панели;
  • жесткие модули.

Гибкие тонкопленочные панели постепенно занимают все большую рыночную нишу из-за универсальности их установки, поскольку их можно устанавливать на большинстве поверхностей с различными архитектурными формами.

Реальные характеристики солнечных панелей обычно ниже указанных в инструкции. Поэтому перед тем, как устанавливать их дома, желательно своими глазами увидеть такой реализованный проект

По типу функционирования фотоэлектрического слоя солнечные панели делятся на следующие типы:

  1. Кремний: монокристаллический, поликристаллический, аморфный.
  2. Теллур-кадмий.
  3. На основе селенида индия-меди-галлия.
  4. Полимерный.
  5. Биологический.
  6. На основе арсенида галлия.
  7. Комбинированные и многослойные.

Не все типы солнечных панелей интересны широкому потребителю, а только первые два кристаллических подвида.

Хотя некоторые другие типы панелей обладают высокой эффективностью, они не получили широкого распространения из-за своей высокой стоимости.

Галерея изображенийФото из Монокристаллические панели легко угадать по белым квадратам в углах отдельных элементов. Рекомендуется ориентировать поликристаллические панели на восток и запад, а для южной стороны лучше покупать монокристаллический модуль. Тонкопленочные солнечные панели – это популярны в производстве портативных туристических солнечных панелей. Индийсодержащие солнечные панели активно используются на космических спутниках. Мышьяк в солнечных панелях из арсенида галлия становится токсичным только при прямом контакте с водой. Солнечные панели из редких металлов могут быть изготовлены из монокристаллов любого размера и формы солнечные элементы Солнечная панель на основе поликристаллического кремния Солнечная панель в виде пленки Фотоэлектрические элементы из селенида индия-меди-галлия Фотоэлемент и элемент арсенида галлия Солнечные панели из теллурида кадмия Производство органических солнечных панелей Солнечные элементы из полиэстера

Кремниевые фотоэлектрические элементы довольно чувствительны к нагреванию. Базовая температура для измерения выработки энергии составляет 25 ° C. При увеличении на один градус КПД панелей снижается на 0,45-0,5%.

Далее мы более подробно рассмотрим солнечные панели, представляющие наибольший интерес для потребителей.

Характеристики панелей на основе силикона

Кремний солнечных элементов изготавливается из кварцевого порошка – измельченных кристаллов кварца. Богатейшие запасы сырья находятся в Западной Сибири и на Среднем Урале, поэтому перспективы этого направления солнечной энергетики практически безграничны.

Даже сегодня панели из кристаллического и аморфного кремния занимают более 80% рынка. Поэтому стоит рассмотреть их более подробно.

Панели из монокристаллического кремния

Пластины из современного монокристаллического (mono-Si) кремния имеют однородный темно-синий цвет по всей поверхности. Для их производства используется чистейший кремний. Монокристаллические солнечные элементы среди всех кремниевых пластин имеют самую высокую цену, но также обеспечивают лучшую эффективность.

Большие монокристаллические солнечные панели с вращающимися механизмами прекрасно вписываются в пустынные ландшафты. Здесь гарантированы условия для максимальной производительности

Высокая стоимость производства связана с трудностью ориентирования всех кристаллов кремния в одном направлении. Благодаря этим физическим свойствам рабочего слоя максимальная эффективность обеспечивается только перпендикулярным падением солнечного света на поверхность пластины.

Монокристаллические батареи требуют дополнительного оборудования, которое автоматически вращает их в течение дня, чтобы плоскость панелей была как можно более перпендикулярна солнечным лучам.

Слои кремния с кристаллами, ориентированными с одной стороны, вырезаются из цилиндрического металлического бруска, так что готовые фотоэлектрические блоки напоминают закругленный квадрат по углам.

К преимуществам монокристаллических кремниевых батарей можно отнести:

  1. Высокий КПД со значением 17-25%.
  2. Компактность: меньшая площадь размещения оборудования на блок питания по сравнению с панелями из поликристаллического кремния.
  3. Долговечность – достаточная эффективность выработки электроэнергии обеспечивается до 25 лет.

Минусов у таких аккумуляторов всего два:

  1. Высокая стоимость и долгосрочная окупаемость инвестиций.
  2. Чувствителен к загрязнениям. Пыль рассеивает свет, поэтому эффективность покрываемых ею солнечных панелей резко снижается.

Из-за необходимости попадания прямых солнечных лучей монокристаллические солнечные панели в основном устанавливают на открытых площадках или на высоте. Чем ближе территория к экватору и чем больше солнечных дней, тем предпочтительнее устанавливать именно этот тип фотоэлементов.

Поликристаллические солнечные элементы

Панели из поликристаллического кремния (мульти-Si) имеют неравномерную интенсивность синего цвета из-за разной ориентации кристаллов. Чистота кремния, используемого при их производстве, несколько ниже, чем у монокристаллических аналогов.

Многонаправленность кристаллов обеспечивает высокую эффективность рассеянного света – 12-18%. Он ниже односторонних кристаллов, но в пасмурную погоду такие панели более эффективны.

Неоднородность материала также приводит к снижению стоимости производства кремния. Очищенный металл для поликристаллических солнечных батарей заливается в формы без особых мер предосторожности.

В производстве используются особые приемы формирования кристаллов, но их направление не контролируется. После охлаждения силикон разрезается на слои и обрабатывается по особому алгоритму.

Поликристаллические панели не требуют постоянной ориентации на солнце, поэтому для их размещения активно используются крыши домов и промышленных зданий.

Днем при небольшой облачности преимущества солнечных панелей из аморфного кремния не заметны, их преимущества раскрываются только при плотной облачности или в тени (+)

К преимуществам солнечных элементов с разнонаправленными кристаллами можно отнести:

  1. Высокая эффективность в условиях естественного освещения.
  2. Возможность постоянной установки на крышах зданий.
  3. Более низкая стоимость, чем у монокристаллических панелей.
  4. Продолжительность эксплуатации: Падение КПД после 20 лет эксплуатации составляет всего 15-20%.

Есть и недостатки у поликристаллических панелей:

  1. Пониженный КПД со значением 12-18%.
  2. Относительно громоздкий: требует больше места для установки на блок питания, чем монокристаллические аналоги.

Поликристаллические солнечные панели завоевывают все большую долю рынка среди других кремниевых батарей. Это обеспечивается большим потенциалом снижения себестоимости их производства. Эффективность таких панелей также увеличивается с каждым годом, быстро приближаясь к 20% при массовом производстве.

Солнечные панели из аморфного кремния

Механизм изготовления солнечных панелей из аморфного кремния принципиально отличается от изготовления кристаллических фотоэлектрических элементов. Здесь используется не чистый неметалл, а его гидрид, горячие пары которого осаждаются на подложке.

Благодаря этой технологии не образуются классические кристаллы, а производственные затраты резко снижаются.

Фотоэлементы в осажденном аморфном кремнии могут быть установлены как на гибкой полимерной подложке, так и на жесткой стеклянной пластине

В настоящее время существует уже три поколения панелей из аморфного кремния, каждое из которых значительно увеличивает эффективность. Если первые фотоэлектрические модули имели КПД 4-5%, то сейчас на рынке массово продаются модели второго поколения с КПД 8-9%.

Новейшие аморфные панели имеют КПД до 12% и уже начинают появляться на рынке, но все еще довольно дороги.

Благодаря особенностям данной технологии производства возможно создание слоя кремния как на жесткой, так и на гибкой подложке. По этой причине модули из аморфного кремния активно используются в гибких тонкопленочных солнечных модулях. Но варианты с упругой опорой намного дороже.

Физико-химическая структура аморфного кремния позволяет максимально поглощать фотоны слаборассеянного света для выработки электричества. Поэтому такие панели удобны для использования в северных регионах с большими свободными площадями.

КПД аккумуляторов на основе аморфного кремния не снижается даже при высоких температурах, хотя по этому параметру они ниже, чем панели из арсенида галлия.

При той же стоимости оборудования солнечные панели на основе гидрида кремния демонстрируют более высокие характеристики, чем их моно- и поликристаллические аналоги (+)

Подводя итог, можно выделить следующие преимущества аморфных солнечных панелей:

  1. Универсальность – возможность изготавливать гибкие и тонкие панели, устанавливать аккумуляторы на любую архитектурную форму.
  2. Высокая эффективность при рассеянном свете.
  3. Стабильная работа при высоких температурах.
  4. Простота и надежность конструкции. Такие панели практически не ломаются.
  5. Сохранение производительности в суровых условиях – меньшее падение производительности при пыльной поверхности по сравнению с кристаллическими аналогами

Срок службы этих фотоэлементов, начиная со второго поколения, составляет 20-25 лет при падении мощности на 15-20%. К недостаткам панелей из аморфного кремния можно отнести только необходимость больших площадей для размещения оборудования необходимой мощности.

Обзор устройств без кремния

Некоторые солнечные панели из редких и дорогих металлов имеют КПД более 30%. Они во много раз дороже своих кремниевых аналогов, но по-прежнему занимают высокотехнологичную торговую нишу благодаря своим особенностям.

Солнечные панели из редких металлов

Существует несколько типов солнечных панелей из редких металлов, и не все из них более эффективны, чем модули из монокристаллического кремния.

Однако способность работать в экстремальных условиях позволяет производителям таких солнечных панелей производить конкурентоспособную продукцию и проводить дальнейшие исследования.

Панели из теллурида кадмия активно используются для облицовки зданий в экваториальных и арабских странах, где их поверхность днем ​​нагревается до 70-80 градусов

Основными сплавами, используемыми для изготовления фотоэлементов, являются теллурид кадмия (CdTe), селенид индия-меди-галлия (CIGS) и селенид индия-меди (CIS).

Кадмий – токсичный металл, а индий, галлий и теллур довольно редки и дороги, поэтому массовое производство солнечных панелей на их основе невозможно даже теоретически.

КПД таких панелей находится на уровне 25-35%, хотя в исключительных случаях может доходить до 40%. Раньше они в основном использовались в космической отрасли, но сейчас появилось новое перспективное направление.

Благодаря стабильной работе редкометалльных солнечных элементов при температуре 130-150 ° C, они используются в солнечных тепловых электростанциях. В этом случае солнечные лучи, исходящие от десятков или сотен зеркал, концентрируются на небольшой панели, которая одновременно вырабатывает электричество и передает тепловую энергию водяному теплообменнику.

В результате нагрева воды образуется пар, который раскручивает турбину и вырабатывает электричество. Таким образом, солнечная энергия преобразуется в электричество одновременно двумя способами с максимальной эффективностью.

Полимерные и органические аналоги

Фотоэлектрические модули на основе органических и полимерных соединений начали разрабатываться только в последнее десятилетие, но исследователи уже добились значительного прогресса. Наибольший прогресс демонстрирует европейская компания Heliatek, которая уже оборудовала несколько небоскребов органическими солнечными батареями.

Толщина рулонной пленочной структуры HeliaFilm составляет всего 1 мм.

При производстве полимерных панелей используются такие вещества, как углеродные фуллерены, фталоцианин меди, полифенилен и другие. КПД таких солнечных элементов уже достигает 14-15%, а стоимость производства в несколько раз ниже, чем у кристаллических солнечных панелей.

Остро стоит проблема времени разрушения органического рабочего слоя. Пока невозможно достоверно подтвердить уровень его эффективности после нескольких лет эксплуатации.

Преимущества органических солнечных батарей:

  • возможность экологической утилизации;
  • невысокая стоимость изготовления;
  • гибкий дизайн.

К недостаткам таких фотоэлементов можно отнести относительно невысокий КПД и отсутствие достоверной информации о стабильных периодах работы панелей. Не исключено, что через 5-10 лет все недостатки органических солнечных элементов исчезнут и станут серьезным конкурентом кремниевых пластин.

Какую солнечную панель выбрать?

Выбор солнечных батарей для загородных домов на широтах 45-60 ° не составляет труда. Здесь можно рассмотреть только два варианта: панели из поликристаллического и монокристаллического кремния.

При нехватке места лучше отдать предпочтение более производительным моделям с односторонней ориентацией кристалла; при неограниченной площади рекомендуется приобретать поликристаллические батареи.

Не стоит заострять внимание на прогнозах аналитиков по развитию рынка солнечных панелей, ведь их лучшие образцы, возможно, еще не изобретены

подбирать конкретного производителя, необходимый блок питания и дополнительное оборудование лучше при участии руководителей компаний, занимающихся продажей и установкой такого оборудования. Следует знать, что качество и цена фотоэлектрических модулей от крупнейших производителей мало различаются.

Следует учитывать, что при заказе комплекта оборудования под ключ стоимость самих солнечных батарей составит всего 30-40% от общей суммы. Срок окупаемости таких проектов составляет 5-10 лет и зависит от уровня энергопотребления и способности продавать излишки электроэнергии в городскую сеть.

Некоторые мастера предпочитают собирать солнечные батареи своими руками. На нашем сайте есть статьи с подробным описанием технологии изготовления таких панелей, их подключения и устройства солнечных систем отопления .

Советуем прочитать:

  1. Как сделать солнечную панель своими руками: инструкция по самостоятельной сборке
  2. Гелиотермические системы: анализ технологий подготовки отопления на базе гелиосистем
  3. Схема подключения солнечных панелей: к контроллеру, к батарее и к обслуживаемым системам

Выводы и полезные видео по теме

Представленные видеоролики показывают работу различных солнечных панелей в реальных условиях. Они также помогут вам разобраться в выборе сопутствующего оборудования.

Правила выбора солнечных батарей и сопутствующего оборудования:

Типы солнечных панелей:

Испытания монокристаллических и поликристаллических панелей:

Для населения и небольших промышленных предприятий пока нет реальной альтернативы панелям из кристаллического кремния. Но темпы развития новых типов солнечных элементов вселяют надежду, что солнечная энергия вскоре станет основным источником электроэнергии во многих загородных домах.

Приглашаем всех, кто интересуется выбором и использованием солнечных батарей, оставлять комментарии, задавать вопросы и участвовать в обсуждениях. Форма обратной связи находится в нижнем блоке.

Источник – https://sovet-ingenera.com/eco-energy/sun/vidy-solnechnyx-batarej.html
Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Все об инженерных системах
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: