Какие металлы используются в солнечных батареях

8

Сколько серебра нужно для производства солнечных панелей?

За последний год закупки солнечных панелей для жилых и коммерческих помещений увеличились. Серебро является важным компонентом солнечных панелей, но растущая цена металла вынуждает производителей задуматься об альтернативных вариантах.

В США федеральные налоговые стимулы для покупок технологий, связанных с возобновляемой энергии, истекают в 2022 году. Покупатели активно используют эту возможность, экономя деньги и сокращая углеродный след.

Приближение 2022 года привело к импульсным покупкам. В настоящее время многие ищут информацию о новых системах возобновляемой энергии и какие материалы используются для производства солнечных панелей.

Почему серебро?

Серебро является важной составляющей фотоэлектрических (PV) панелей. Производители солнечных батарей превращают серебро в пасту и используют ее при изготовлении кремниевых пластин. Когда солнечный свет достигает панели, кремний высвобождает электроны. Серебро же проводит полученный электрический ток к зданию или батарее для хранения.

В последнее время производители ограничили количество серебра, используемое в каждой панели. Недавнее повышение цены металла вызвало финансовые трудности у компаний, работающих в сфере солнечной энергетики. За последний год цена серебра выросла более чем на 70%.

Согласно ожиданиям специалистов, по мере открытия экономик после пандемии цена продолжит подниматься. Последствия роста серебра в настоящее время отражаются в снижении использования драгметалла в солнечных элементах с 400 до 130 миллиграммов в период с 2007 по 2016 год.

Ученые-экологи также прогнозируют увеличение выработки энергии. Без использования самых проводящих металлов повысить эффективность панелей довольно сложно. Требуемое повышение эффективности использования солнечной энергии ставит ребром вопрос: «Нужно ли солнечным панелям серебро?»

Нуждаются ли солнечные панели в серебре?

Некоторые эксперты ожидают, что коэффициент полезного действия серебряных солнечных элементов выровняется по сравнению с текущим. Электропроводящие свойства материала играют чрезвычайно важную роль для производства энергии, что затрудняет полное исключение серебра. Чтобы оценить значимость данного металла, нужно изучить его проводящие свойства.

Серебро — металл с самой высокой проводимостью. По шкале проводимости от 0 до 100 серебро демонстрирует максимальную эффективность. Материал также относительно пожаробезопасен, а это означает, что он не склонен к искрообразованию.

Кроме того, это легкий металл, позволяющий крышам выдерживать вес панели. Уникальные свойства серебра делают его ценным компонентом фотоэлектрических систем.

На данный момент уровни эффективности панели составляют от 15% до 20%, что делает серебро необходимым фактором для расширения производства энергии. Эксперты полагают, что технологические достижения приведут к увеличению выработки электроэнергии солнечными панелями.

Повышение эффективности при одновременном сокращении использования серебряного металла требует дальнейших углубленных исследований PV. Ученые могут использовать спектроскопию в ближней инфракрасной области для измерения отражательной способности некоторых материалов. Одна компания уже применяла этот метод для оценки контроля качества и эффективности использования материалов.

Они обнаружили, что каждый элемент уникальным образом влияет на производительность. Исследователи сосредоточились в основном на отражательной способности стекла, но эту технологию можно использовать для изучения эффективности металла.

При дальнейшей оценке ученые смогут выяснить, насколько необходимо серебро, или же можно подобрать аналогичный проводник.

Специалисты продолжают искать рентабельные решения для поддержки целей Парижского соглашения. Президент США Джо Байден планирует увеличить число источников возобновляемой энергии с нынешних 2%, отведенных на солнечную энергию. Когда коэффициент полезного действия повысится, а цены снизятся, закупки солнечных батарей для коммерческих и жилых помещений продолжат расти.

Текущие исследования в солнечной энергетике

Над решением проблемы роста цены серебра и повышения эффективности работают многие исследователи. Одним из жизнеспособных и экономичных вариантов является медь. Этот материал обладает аналогичными характеристиками по выработке энергии, но ученые видят потенциальные сложности.

Медь сложно использовать в трафаретной печати, что создает барьер для использования традиционных панелей. В попытках повысить эффективность исследователи также рассмотрели возможность изменения конструкции панели. Они реконструировали солнечные элементы, приблизив их друг к другу с помощью более тонких соединений и снизив необходимый объем серебряного металла.

К сожалению, реконструкция была дорогостоящей, что ограничило возможность увеличения продаж. При дальнейшем исследовании специалисты смогут найти надежное решение проблем, связанных с серебром.

В отчете S&P Global говорится, что инновации в процессах трафаретной печати, при которой серебросодержащие пасты наносятся на солнечные элементы в виде полос, являются одной из причин снижения запасов физического серебра.

Требования потребителей

Пандемия COVID-19 способствовала дальнейшему росту экологического консьюмеризма. Чтобы оставаться конкурентоспособными в отрасли, компании должны повышать устойчивость своей практики и соответствовать требованиям потребителей. Они могут достичь этого путем перехода на фотоэлектрические системы.

Повышенный спрос может подтолкнуть производителей солнечных панелей к оценке рентабельных решений. Как только отрасль пересмотрит зависимость от серебра, фотоэлектрические системы станут доступнее, что поможет достичь цели Парижского соглашения.

Заключение

По данным Silver Institute, в 2020 году мировое предложение серебра составило 976,2 млн унций, а в 2021 году — 1.056,3 млн. Мировой спрос на серебро в 2020 составил 896,1 млн унций, а оценка на 2021 год — 1.033,0 млн.

Мы прогнозируем медленное сокращение спроса на серебро в период с 2020 по 2023 год, поскольку объем фотоэлектрических мощностей, добавляемых в год, будет падать, в то время как темпы экономии серебряного металла в фотоэлектрических панелях снизятся.

Алекс Лаугарн, CRU Group

В начале 2000-х спрос на серебро со стороны солнечной энергетики составлял менее процента от общего спроса. Согласно данным Metals Focus, в 2019 году на фотоэлектрический сектор пришлось 10%, что составляет 98,7 млн ​​унций при общем спросе в 991,8 млн.

Согласно We Recycle Solar, на серебро приходится до 6% от общей стоимости сборки каждой солнечной панели, а средняя панель требует до 20 граммов серебра.

Лондонская консалтинговая компания CRU изучила взаимосвязь между спросом на солнечную энергию и тенденцией на рынке серебряного металла. Исследование показало, что по состоянию на 2018 год промышленность по производству солнечных панелей потребляла около 8% годового мирового предложения физического серебра.

Флориан Клемент из Института систем солнечной энергии им. Фраунгофера ISE, крупной немецкой исследовательской группы, ожидает, что отрасль сможет вдвое сократить использование серебра на элемент в течение ближайшего десятилетия.

Как сказал Клемент, ожидается, что снижение до 50 миллиграммов на ячейку станет возможным в течение следующих 10 лет.

По словам аналитиков CRU Group и Metals Focus, это сокращение и изменение в темпах установки солнечных батарей во всем мире являются ключевыми факторами ожидаемого падения спроса на серебро со стороны фотоэлектрических систем.

Виды солнечных батарей, особенности производства, различия

В Европе активно развивают альтернативную энергетику, понимая ее безопасность и перспективность такого источника электроэнергии, как солнечные батареи. Желая организовать отопление жилых зданий ил промышленных за счет энергии земного светила, постройки оснащают именно ими. Эти устройства год от года становятся более совершенными, увеличивается их КПД, они становятся готовыми к работе в темное время и в малосолнечных областях.

Чтобы не ошибиться с выбором солнечных батарей, нужно знать достоинства каждого вида и отличия, потом что для конкретных климатических зон применяются разные виды таких устройств.

Принцип функционирования

Большая часть этих экологических солнечных устройств в действительности не что иное, как фотоэлектрический преобразователь, у которого на границе p-n перехода возникает эффект электрогенерации.

Основой себестоимости солнечных батарей является стоимость кремниевые пластины. Но, для того, чтобы они служили круглые сутки источником электрической энергии, одних пластин кремниевых недостаточно – придется приобрести оборудование дополнительное и, прежде всего, достаточно дорогие аккумуляторные батареи.

Устройство

Составляют панель солнечную два кремниевых элемента, отличающиеся по своим свойствам. В одном из них возникает под воздействием света недостаток частиц с отрицательным зарядом –электронов, в другом они присутствуют в избытке.

На каждой из пластин имеются медные полоски, проводящие ток, которые соединяют с преобразователями напряжения.

У солнечной батареи, предназначенной для промышленного применения, есть много фотоэлектрических ячеек, прошедших стадию ламинирования. Они между собой скреплены и закреплены на подложке гибкой или жесткой.

Эффективность солнечных батарей определяется во многом стадией очистки кремния, который используется в производстве, и ориентацией кристаллов в нем. Эти характеристики и стремятся улучшать разработчики. Ежегодно значение КПД удается увеличивать (в разных видах на неодинаковую величину), благодаря миллиардным инвестициям, вкладываемым в исследования фотогальванических элементов. Тем не менее, эффективность остается недостаточной для массового применения солнечных батарей.

Сложности

Основной проблемой является очистка кремния, точнее стоимость этого процесса, а также ориентирование кристаллов в пределах панели в одном направлении.

Могут использоваться для изготовления преобразователей полупроводниковых помимо кремния иные элементы – индий, например. Их применение не сказывается на принципе функционирования – он не меняется.

Классификация промышленных панелей солнечных происходит по типу рабочего слоя и конструктивным особенностям. Различают панели жесткие и гибкие.

Последние занимают все более широкую нишу благодаря универсальной установке: он и легко устанавливаются на любые поверхности, в том числе на вертикальны – фасады зданий. При этом они совершенно не портят архитектуру, а напротив привносят в не некую изюминку.

Как правило, действительные параметры солнечных батарей несколько ниже заявленных производителем, поэтому, прежде чем выбирать, желательно увидеть воочию уже действующий проект.

По типу фотоэлектрического слоя их подразделяют на:

• кремниевые. К ним относятся поли – , монокристаллические и аморфные;
• теллурий-кадмиевые. Их собирают на основе индия, меди и галлия;
• полимерные;
• органические;
• с использованием арсенида галлия;
• комбинированные и многослойные.

Не все перечисленные виды интересны потребителю, а лишь кристаллические, несмотря на то, что их КПД ниже некоторых других (правда, более дорогих, отчего и менее распространенных).

Процесс изготовления кремниевых конструкций

Для получения солнечных панелей применяют кремний, получаемый при перемалывании кристаллов кварца, огромными запасами которого славится Урал и в Сибирь. Именно из-за безграничных запасов это направление считается очень перспективным. Сегодня за кристаллическими и аморфными панелями почти 80% рынка.

Кремниевые монокристаллические панели

Описание

Их легко узнать при визуальном осмотре. В углах элементов хорошо различимы квадратики белого цвета.

Для самих же пластин характерна поверхность однородного синего цвета. Кремний в этом случае требует высокой очистки. Понятно, что технологический процесс по очистке его отличается дороговизной. Затратным является и процесс, результатом которого является ориентирование кристаллов в одном направлении.

Важно: Характеристики рабочего слоя наибольший КПД обеспечивают лишь в случае, когда лучи падают на панели пол прямым углом.

КПД у них достаточно высокий, но и цена тоже самая большая, в сравнении с другими видами пластин.

Солнечным панелям монокристаллическим большой площади необходимы поворотные устройства. В таком виде они считаются идеальным решением для пустынь. Там их производительность наилучшая.

Работать монокристаллические панели не смогут без дополнительного оборудования, способного поворачивать конструкцию вслед за движущимся солнцем, стараясь, чтобы на лучи падали на пластину максимально близко к прямому углу.

Из выращенного в условиях производства кристалла, имеющего вид цилиндра, вырезаются слои. Вот почему у готовых блоков углы скруглены.

Преимущества

• Высокий КПД – от 17 до 25 процентов;
• Небольшая площадь для установки;
• Период эксплуатации достигает 25 и более лет.

Рекомендуем:

: достоинства и недостатки, цена, характеристики : виды, особенности монтажа, цена
• Достоинства, недостатки и перспектива аморфных солнечных батарей

Недостатки

Их немного:

• достаточно высокая цена;
• небыстрая окупаемость;
• поверхности панелей слишком чувствительны к различным загрязнениям. Поскольку свет хуже рассеивается на покрытой пылью панели, то и эффективность ее резко падает;
• необходимость в прямых лучах требует их размещения только на открытых местах и высоко от земли.

Чем область ближе расположена к экватору, тем большее там количество в году солнечных дней. И это вид панелей, использующих энергию солнца, наиболее предпочтительный.

Поликристаллические

Описание

Все кремниевые устройства слишком реагируют на перегрев. Температура, рекомендуемая для измерения электрогенерации, составляет 25 градусов. Даже при ее увеличении всего на градус производительность уменьшается на 0,5%.

Поликристаллические конструкции также легко определить визуально, поскольку окрас их неравномерный, что связано с разной ориентированностью кристаллов, обеспечивающей высокое КПД в рассеянном свете. Хотя значение его меньше, чем в панелях однонаправленных, в непогоду наибольшей эффективностью отличаются именно они.

Чистота кремния намного ниже, чем у рассмотренных выше, также допускается присутствие примесей и инородных включений. Это снижает себестоимость. Для этого вида панелей металл просто разливается в формы. Затем, используя специальные приемы, формируют кристаллы, направленность которых контролировать не нужно.

Остывший кремний режут на слои, обрабатывая их по специальному алгоритму.

Эти батареи не нуждаются в непрерывном ориентировании на солнце, следовательно, для их установки пригодны крыши зданий.

Достоинства аморфного кремния в полной мере раскрываются в тени и с наступлением облачных дней и практически незаметны в солнечную погоду.

Не нужны им и поворотные механизмы, поскольку крепятся они стационарно.

Стоит такая разновидность панелей меньше, чем ориентированные. Эффективность их падает на 20% после 20-летнего использования.

Недостатки

Они, понятно, есть:

• Более низкий КПД;
• Необходимо большая площадь для монтажа.

В последние годы, благодаря новым исследованиям и появляющимся технологиям, КПД неуклонно растет и у некоторых панелей достигает 20%.

Панели из аморфного кремния

Описание

Механизм их изготовления совершенно иной, чем у кристаллических фотоэлементов. Для них используется гидрид вместо чистого кремния. Его нагревают до парообразного состояния. Когда пары достигают подложки, они осаждаются на ней. Затраты на изготовления снижаются, а кристаллы не образуются (в понимании классическом).

Полученные фотоэлементы в основе имеют полимерную подложку гибкую либо жесткий стеклянный лист.

Разработано уже 3 поколения таких панелей, анализ характеристик которых дает право говорить о растущем КПД. Первые образцы отличались эффективностью, едва достигавшей 5%, у второго поколения это значение достигало 9, а у последних разработок это уже 12%. Их уже можно встретить в продаже, но цена на них пока остается высокой.

Благодаря особой структуре, подобные солнечные панели максимально поглощают энергию в слабом рассеянном свете, поэтому успешно применяются они в районах севера, где мало солнца и имеются огромные свободные площади.

Важно: на эффективности работы таких батарей не сказывается повышение температуры, хотя в сравнении с панелями на основе арсенида галлия, она ниже.

Преимущества

• гибкая основа, упрощающая монтаж и расширяющая область использования;
• в рассеянном свет высокий КПД;
• стабильность при высокой температуре;
• устойчивость к повреждениям механического характера;
• независимость от загрязнений.

При правильной эксплуатации они служат не менее 20 лет, за которые падение мощности составляет 15-20.

Недостатки

Единственным минусом считается потребность в большой площади.

Помимо кремниевых, производятся панели, в основе которых лежат редкие, значит, дорогостоящие металлы. КПД подобных конструкций превышает 30%, а цена в разы выше стоимости кремниевых. И, несмотря на это, свою нишу на рынке они успели занять.

Панели из редких металлов

Описание

КПД у них высокий. По этому показателю они впереди кремниевых. В основе устройств, способных к работе в условиях экстремальных, лежит теллурид кадмия. Применяются они для облицовки строений в экваториальных странах, где в дневное время поверхности нагреваться порой выше 80 градусов.

Также растет популярность селенид –индий – медно – галлиевых панелей и селенид- индий – медных.

Но, не забывая о токсичности кадмия, и о том, что галлий с индием достаточно редко встречающиеся металлы, невозможно даже предположить, что они будут использоваться для массового производства.

Их эффективность измеряется 35%, даже иногда 40%. Ранее применялись они в космической области, а сегодня – в тепловых электрических солнечных станциях (благодаря стабильности в диапазоне 130-150 градусов).

На панели маленькой площади концентрируются лучи сотен зеркал. Она генерирует ток и передает одновременно водяному теплообменнику тепло. Он нагревает воду до парообразного состояния. Пар приводит во вращение турбину, генерирующую энергию электрическую. То есть, с наибольшей эффективностью энергия солнца сразу двумя способами превращается в электрическую.

Органические аналоги и полимерные

Это самые новые разработки, появившиеся в последнее время – органические панели, которые отличаются абсолютной безопасностью для экологии и недорогим производственным процессом. Успехов в этом направлении удалось достичь больших.

Среди европейских компаний, успехом наибольшим похвастаться может фирма Heliatek, оснастившая своими пленочными конструкциями, у которых толщина всего миллиметр, ряд зданий. Их КПД находится в пределах 14-15%, цена же ниже в разы, чем у аналогов кристаллических.

Какой же панели отдать предпочтение?

Для загородных коттеджей не трудно выбрать батарею, если он находится на широте 45-60. И выбирать здесь нужно из кремниевых моно- и поликристаллических видов.

При недостаточности места рекомендуется выбрать первые, при отсутствии ограничений площади – вторые.

Производителя, мощность, способную решить все проблемы, оборудование дополнительное рекомендуется выбирать с менеджерами, занимающимися продажей и монтажом данного оборудования.

Видео: ABC-Solar – Виды солнечных панелей

Видео: Поликристаллическая солнечная панель против монокристаллической.

Типы и формы солнечных батарей: принцип работы

Существуют различные типы солнечных батарей. Отличаются они параметрами, размерами, технологией производства, сроком эксплуатации. Пожалуй, самые важные пункты, которые необходимо учитывать при выборе этого альтернативного источника энергии – КПД и цена.

Есть батареи, покрытие которых изготовлено из инновационных материалов, редкоземельных металлов, их КПД превышает КПД наиболее распространенных моделей. Однако высокая стоимость последних нивелирует данное преимущество и делает их бесполезными в плане краткосрочной или среднесрочной окупаемости. О том, какие существуют типы солнечных батарей и что подойдет лучше всего для бытового использования, вы узнаете из нашего материала.

Польза солнечных батарей

Важнейшим источником энергии для нашей планеты является Солнце. Всего за 40 минут оно способно обеспечить энергетические потребности населения Земли на целый год вперед. А с учетом того, что наше светило предоставляет фактически неисчерпаемые ресурсы, их использование становится весьма перспективным. К тому же, солнечная энергия считается наиболее безопасной и экологичной, а потому и все более востребованной в различных областях человеческой деятельности.

Фото: ozon.ru

Извлекать конкретную пользу от энергии Солнца позволяют специальные устройства — солнечные батареи. Они представляют собой плоские панели, преобразующие солнечное излучение в электроэнергию. Популярность использования этих устройств с каждым годом растет.

Установка нескольких блоков таких панелей должна решать основную задачу — преобразование энергии Солнца в электрическую и обеспечение ею жилых и промышленных объектов без использования централизованной электросети. На данный момент использование солнечных батарей является наиболее эффективным и при этом экологически чистым способом превращения света в электроток. Все остальные альтернативные источники электроэнергии дают куда меньшую эффективность.

Существует несколько форм солнечных батарей. Чаще всего эти изделия имеют вид прямоугольников размером с лист шифера. Каждая такая панель вмещает 36 фотоэлементов, покрытых специальной пленкой или стеклом. Принцип действия устройства следующий. Солнечное излучение образует свободные электроны, которые проникают в панель через соединения и специальные туннели, накапливаясь внутри батареи в виде постоянного тока.

Как только этот ток достигает нужного значения, он преобразуется в переменный с напряжением в 220 В. Для этих целей используется инвертор. Чтобы обеспечить электрической энергией один дом хотя бы частично, требуется установка нескольких таких панелей.

История создания солнечных батарей

Сама идея использования бесплатной и безграничной солнечной энергии витала в умах человечества еще в давние времена. Впервые она была реализована в виде солнечных коллекторов (термальных электростанций), принцип работы которых существенно отличался от современных батарей. Вторая реализация уже представляла собой солнечные панели в нынешнем их виде. Эта попытка была достаточно удачной, давшей возможность массово обеспечивать электричеством самые разные объекты.

Несмотря на относительно короткий срок существования солнечной энергетики, она является следствием множества открытий и разработок. Но ключевым событием в области использования энергии Солнца послужило открытие явления фотоэлектрического элемента в середине позапрошлого века французским ученым Александром Эдмоном Беккерелем.

Позднее, в 1873 году, английским инженером Уиллоби Смитом был подмечен эффект фотопроводимости в селене. Наконец, спустя еще несколько лет был создан первый фотоэлемент. Американский изобретатель Чарльз Фриттс использовал для этого тонкий слой селена, расположив его между золотой и медной пластинами. КПД устройства, правда, составлял всего 1%.

Далее последовал целый ряд открытий. Так, в 1887 году Генрихом Герцем был открыт внешний фотоэффект, а двумя годами позже русский ученый Александр Столетов впервые описал закономерности, по которым этот фотоэффект происходит. Для этого изобретатель соорудил специальную установку, внутри которой из света удалось получить электрический ток. Альберт Эйнштейн также оставил свой след в этой области, объяснив в начале 20 века принцип фотоэлектрического эффекта с точки зрения квантовой механики, в связи с чем был удостоен Нобелевской премии.

После этого солнечные панели установили в некоторых городах и селах как автономный источник питания телефонной связи. Эта система успешно функционировала долгие годы. В космической отрасли также активно использовались фотоэлементы, которыми оснащались и продолжают оснащаться спутники, в том числе с использованием других полупроводников.

Принцип работы солнечных батарей

Работу солнечных панелей можно представить в виде следующих процессов:

• Поглощение кремниевой поверхностью батареи фотонов солнечного света.
• Взаимодействие фотонов с атомами кремния. При этом происходит отрыв электронов поверхности, что приводит к появлению напряжения. Свободные электроны под действием разницы потенциалов начинают двигаться, в итоге образуется электрический ток. Солнечная панель является полупроводником, поэтому она упорядочивает ток в одном направлении.
• Преобразование полученного электрического тока в постоянный. На этом этапе энергия аккумулируется в батарее и направляется к потребителю.

Фото: ozon.ru

При изготовлении солнечных батарей используется кварцевый песок, содержащий в себе необходимую двуокись кремния. В процессе синтеза данное сырье плавят при высоких температурах с добавлением других химических элементов. Этим достигается очистка кремния до степени 99%, требуемой для работы батарей. Производство кремниевых панелей достаточно дорогостоящее, поэтому сегодня разрабатываются фотоэлементы на основе иных, полимерных материалов. КПД таких прототипов достигает 30%.

Солнечные панели отличаются друг от друга гибкостью и жесткостью в зависимости от состава рабочего слоя и конструктивных особенностей. Большую популярность сегодня набирают гибкие изделия, выгодно выделяющиеся простотой монтажа даже на вертикальных поверхностях. Это качество позволяет добавлять к архитектуре зданий черты практичного и инновационного хайтека.

По составу фотоэлектрического слоя различают:

• Полимерные панели (КПД 7%).
• Теллурий-кадмиевые панели на основе галлия, меди, селена и индия (КПД до 15%).
• Кремниевые панели (КПД 7% в аморфной, КПД 15% в монокристаллической, КПД 13% в поликристаллической модификациях).
• Панели с использованием арсенида галлия.
• Органические панели.
• Комбинированные панели.

Чаще всего покупают наиболее дешевые кристаллические батареи, несмотря на то, что они наименее эффективны.

Основные типы современных солнечных батарей

Итак, самыми популярными на сегодня являются моно- и поликристаллические, а также тонкопленочные изделия. Эти типы различаются между собой и технологией производства, и внешним видом, и КПД.

Следует рассмотреть плюсы и минусы всех разновидностей.

• Высокий КПД
• Привлекательный внешний вид

• Дороговизна

• Дешевизна

• Относительно низкий КПД

• Компактность и гибкость
• Небольшой вес
• Привлекательный внешний вид

• Относительно низкий КПД

Далее разберем более подробно эффективность каждого вида солнечных батарей и особенности их использования.

Виды солнечных батарей: сравнительный обзор конструкций и советы по выбору панелей

Альтернативная энергетика максимально развивается в Европе, показывая результатами свою перспективность. Появляются новые виды солнечных батарей, повышается их КПД.

При желании обеспечить работу промышленного здания или жилого помещения за счет энергии солнца, необходимо предварительно узнать об отличиях оборудования, понять, какие солнечные панели подходят под климатические условия определенного региона.

Мы поможем разобраться в этом вопросе. В статье рассмотрен принцип работы фотоэлектрических преобразователей, приведен обзор разных видов солнечных батарей с указанием их характеристик, преимуществ и недостатков. Ознакомившись с материалом, вы сможете сделать правильный выбор для обустройства эффективной гелиосистемы.

Принцип работы солнечных панелей

Подавляющее большинство солнечных панелей являются в физическом смысле фотоэлектрическими преобразователями. Электрогенерирующий эффект возникает в месте полупроводникового p-n перехода.

Панель состоит из двух кремниевых пластин с различными свойствами. Под действием света в одной из них возникает недостаток электронов, а в другой – их избыток. Каждая пластина имеет токоотводящие полоски из меди, которые подсоединяются к преобразователям напряжения.

Промышленная солнечная панель состоит из множества ламинированных фотоэлектрических ячеек, скрепленных между собой и закрепленных на гибкой или жесткой подложке.

КПД оборудования зависит во многом от чистоты кремния и ориентации его кристаллов. Именно эти параметры пытаются улучшить инженеры последние десятилетия. Основной проблемой при этом является высокая стоимость процессов, которые лежат в основе очищения кремния и расположения кристаллов в одном направлении на всей панели.

Полупроводники фотоэлектрических преобразователей могут изготавливаться не только из кремния, но и из других материалов — принцип работы батареи при этом не изменяется.

Типы фотоэлектрических преобразователей

Классифицируют промышленные солнечные панели по их конструкционным особенностям и типу рабочего фотоэлектрического слоя.

Различают такие виды батарей по типу устройства:

;
• жесткие модули.

Гибкие тонкопленочные панели постепенно занимают всё большую нишу на рынке благодаря своей монтажной универсальности, ведь установить их можно на большинстве поверхностей с разнообразными архитектурными формами.

По типу рабочего фотоэлектрического слоя солнечные батареи разделяются на такие разновидности:

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.

Интерес для широкого потребителя представляют не все типы солнечных панелей, а только лишь первые два кристаллических подвида.

Хотя некоторые другие типы панелей и имеют большие КПД, но из-за высокой стоимости они не получили широкого распространения.

Кремниевые фотоэлектрические элементы довольно чувствительны к нагреву. Базовая температура для измерения электрогенерации составляет 25°C. При её повышении на один градус эффективность панелей снижается на 0,45-0,5%.

Далее будут подробно рассмотрены солнечные панели, которые представляют наибольший потребительский интерес.

Характеристики панелей на основе кремния

Кремний для солнечных батарей изготавливают из кварцевого порошка — размолотых кристаллов кварца. Богатейшие залежи сырья есть в Западной Сибири и Среднем Урале, поэтому перспективы данного направления солнечной энергетики практически безграничны.

Даже сейчас кристаллические и аморфные кремниевые панели занимают уже более 80% рынка. Поэтому стоит рассмотреть их более подробно.

Монокристаллические кремниевые панели

Современные монокристаллические кремниевые пластины (mono-Si) имеют равномерный темно-синий цвет по всей поверхности. Для их производства используется наиболее чистый кремний. Монокристаллические фотоэлементы среди всех кремниевых пластин имеют самую высокую цену, но обеспечивают и наилучший КПД.

Высокая стоимость производства обусловлена сложностью ориентации всех кристаллов кремния в одном направлении. Из-за таких физических свойств рабочего слоя максимальный КПД обеспечивается только лишь при перпендикулярном падении солнечных лучей на поверхность пластины.

Монокристаллические батареи требуют дополнительного оборудования, которое автоматически поворачивает их в течение дня, чтобы плоскость панелей была максимально перпендикулярна солнечным лучам.

Слои кремния с односторонне ориентированными кристаллами вырезаются из цилиндрического бруска металла, поэтому готовые фотоэлектрические блоки имеют вид закруглённого по углам квадрата.

К преимуществам монокристаллических кремниевых батарей относят:

1. Высокий КПД со значением 17-25%.
2. Компактность — меньшая площадь размещения оборудования из расчета на единицу мощности, в сравнении с поликристаллическими кремниевыми панелями.
3. Долговечность — достаточная эффективность генерации электроэнергии обеспечивается до 25 лет.

Недостатков у таких батарей всего два:

1. Высокая стоимость и длительная окупаемость.
2. Чувствительность к загрязнению. Пыль рассеивает свет, поэтому у покрытых ею солнечных панелей резко снижается КПД.

Из-за потребности в прямых солнечных лучах монокристаллические солнечные панели устанавливаются в основном на открытых площадках или на высоте. Чем ближе местность к экватору и чем больше в ней солнечных дней, тем более предпочтительна установка именно этого типа фотоэлектрических элементов.

Поликристаллические солнечные батареи

Поликристаллические кремниевые панели (multi-Si) имеют неравномерный по интенсивности синий окрас из-за разносторонней ориентированности кристаллов. Чистота кремния, используемого при их производстве, несколько ниже, чем у монокристаллических аналогов.

Разнонаправленность кристаллов обеспечивает высокий КПД при рассеянном свете – 12-18%. Он ниже, чем в однонаправленных кристаллах, но в условиях пасмурной погоды такие панели оказываются более эффективны.

Неоднородность материала приводит и к снижению себестоимости производства кремния. Очищенный металл для поликристаллических солнечных панелей без особых ухищрений заливается в формы.

На производстве используются специальные технические приемы для формирования кристаллов, однако их направленность не контролируется. После остывания кремний нарезают слоями и обрабатывают по специальному алгоритму.

Поликристаллические панели не требуют постоянной ориентации в сторону солнца, поэтому для их размещения активно используются крыши домов и промышленных зданий.

К достоинствам солнечных батарей с разнонаправленными кристаллами 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 — падение эффективности через 20 лет эксплуатации составляет всего 15-20%.

Недостатки у поликристаллических панелей также имеются:

1. Пониженный КПД со значением 12-18%.
2. Относительная громоздкость — требуется больше пространства для установки из расчета на единицу мощности в сравнении с монокристаллическими аналогами.

Поликристаллические солнечные панели завоевывают всё большую рыночную долю среди других кремниевых батарей. Это обеспечивается широкими потенциальными возможностями для удешевления стоимости их производства. Ежегодно увеличивается и КПД таких панелей, стремительно приближаясь к 20% у массовых продуктов.

Солнечные панели из аморфного кремния

Механизм производства 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 подложку.

В результате такой технологии классические кристаллы не образуются, а затраты на производство резко снижаются.

На данный момент существует уже три поколения панелей из аморфного кремния, в каждом из которых заметно повышается КПД. Если первые фотоэлектрические модули имели эффективность 4-5%, то сейчас на рынке массово продаются модели второго поколения с КПД 8-9%.

Аморфные панели последней разработки имеют эффективность до 12% и уже начинают появляться в продаже, но они пока ещё достаточно дорогие.

За счет особенностей данной производственной технологии, создать слой кремния можно как на жесткой, так и на гибкой подложке. Из-за этого модули из аморфного кремния активно используются в гибких тонкоплёночных солнечных модулях. Но варианты с эластичной подложкой стоят намного дороже.

Физико-химическая структура аморфного кремния позволяет максимально поглощать фотоны слабого рассеянного света для генерации электроэнергии. Поэтому такие панели удобны для применения в северных районах с большими свободными площадями.

Не снижается эффективность батарей на основе аморфного кремния и при высокой температуре, хотя они и уступают по этому параметру панелям из арсенида галлия.

Подытоживая, можно указать такие преимущества аморфных солнечных панелей:

1. Универсальность — возможность изготовления гибких и тонких панелей, монтаж батарей на любые архитектурные формы.
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 — меньшее падение производительности при запыленности поверхности, чем у кристаллических аналогов

Срок службы таких фотоэлектрических элементов, начиная со второго поколения, составляет 20-25 лет при падении мощности в 15-20%. К недостаткам панелей из аморфного кремния можно отнести лишь потребность в бо́льших площадях для размещения оборудования требуемой мощности.

Обзор бескремниевых устройств

Некоторые солнечные панели, изготовленные с применением редких и дорогостоящих металлов, имеют КПД более 30%. Они в разы дороже своих кремниевых аналогов, но всё-таки заняли высокотехнологичную торговую нишу, благодаря своим особенным характеристикам.

Солнечные панели из редких металлов

Существует несколько типов солнечных панелей из редких металлов, и не все они имеют КПД выше, чем у монокристаллических кремниевых модулей.

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

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

Кадмий – токсический металл, а индий, галлий и теллур являются довольно редкими и дорогостоящими, поэтому массовое производство солнечных панелей на их основе даже теоретически невозможно.

КПД таких панелей находится на уровне 25-35%, хотя в исключительных случаях может доходить до 40%. Ранее их применяли в основном в космической отрасли, а сейчас появилось новое перспективное направление.

Из-за стабильной работы фотоэлементов из редких металлов при температурах 130-150°C их используют в солнечных тепловых электростанциях. При этом лучи солнца от десятков или сотен зеркал концентрируются на небольшой панели, которая одновременно генерирует электроэнергию и обеспечивает передачу тепловой энергии водяному теплообменнику.

В результате нагрева воды образуется пар, который заставляет вращаться турбину и генерировать электроэнергию. Таким образом солнечная энергия преобразуется в электрическую одновременно двумя путями с максимальной эффективностью.

Полимерные и органические аналоги

Фотоэлектрические модули на основе органических и полимерных соединений начали разрабатывать только в последнем десятилетии, но исследователи уже добились значительных успехов. Наибольший прогресс демонстрирует европейская компания Heliatek, которая уже оснастила органическими солнечными панелями несколько высотных зданий.

Толщина её рулонной пленочной конструкции типа HeliaFilm составляет всего 1 мм.

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

Остро стоит вопрос срока деградации органического рабочего слоя. Пока что достоверно подтвердить уровень его КПД через несколько лет эксплуатации не представляется возможным.

Преимуществами органических солнечных панелей являются:

• возможность экологически безопасной утилизации;
• дешевизна производства;
• гибкая конструкция.

К недостаткам таких фотоэлементов можно отнести относительно низкий КПД и отсутствие достоверной информации о сроках стабильной работы панелей. Возможно, что через 5-10 лет все минусы органических солнечных фотоэлементов исчезнут, и они станут серьезными конкурентами для кремниевых пластин.

Какую солнечную панель выбрать?

Выбор солнечных панелей для загородных домов на широте 45-60° не труден. Здесь стоит рассматривать лишь два варианта: поликристаллические и монокристаллические кремниевые панели.

При дефиците места предпочтение лучше отдать более эффективным моделям с односторонней ориентацией кристаллов, при неограниченной площади рекомендуется приобрести поликристаллические батареи.

Выбирать конкретного производителя, требуемую мощность и дополнительное оборудование лучше при участии менеджеров компаний, занимающихся продажей и установкой такого оборудования. Следует знать, что качество и цена фотоэлектрических модулей у крупнейших производителей отличаются мало.

Следует учитывать, что при заказе комплекта оборудования «под ключ», стоимость самих солнечных панелей будет составлять всего лишь 30-40% от общей суммы. Сроки окупаемости таких проектов составляют 5-10 лет, и зависят от уровня энергопотребления и возможности продажи излишков электроэнергии в городскую сеть.

Некоторые мастера предпочитают собирать солнечные батареи собственноручно. На нашем сайте есть статьи с подробным описанием технологии изготовления таких панелей, их подключению и обустройству отопительных гелиосистем .

Выводы и полезное видео по теме

Представленные видеоролики показывают работу различных солнечных панелей в реальных условиях. Также они помогут разобраться в вопросах выбора сопутствующего оборудования.

Правила выбора солнечных панелей и сопутствующего оборудования:

Виды солнечных панелей:

Тестирование монокристаллической и поликристаллической панелей:

Для населения и небольших промышленных объектов реальной альтернативы кристаллическим кремниевым панелям пока что нет. Но темпы разработки новых типов солнечных батарей позволяют надеяться, что скоро энергия солнца станет главным источником электроэнергии во многих загородных домах.

Всем заинтересованным в вопросе выбора и использования солнечных батарей предлагаем оставлять комментарии, задавать вопросы и участвовать в обсуждениях. Форма для связи расположена в нижнем блоке.