Активное изучение возможностей солнечных электростанций уже позволяет ряду городов, расположенных преимущественно в США, Германии, Канаде, существенно сократить потребление горючего топлива и перейти на возобновляемое энергопотребление. В России солнечные панели также получили высокую оценку пользователей и все чаще применяются для электроснабжения загородных домов. Рассмотрим, как работают солнечные батареи для дома, но для начала разберемся, как устроена солнечная батарея.
- Виды солнечных батарей
- Принцип работы
- Сравнительные характеристики разных видов солнечных панелей
- Вывод
- Дерево из солнечных панелей в Глайсдорфе (Австрия)
- Типы солнечных батарей
- Солнечная батарея на крыше дома
- Использование в космосе
- Солнечная батарея на МКС
- Использование в медицине
- Факторы, влияющие на эффективность фотоэлементов
- Недостатки солнечной электроэнергетики
- Основные типы солнечных панелей — сравнение
- Из чего сделаны разные солнечные панели
- Монокристаллические и поликристаллические солнечные панели
- Тонкопленочные солнечные панели
- Эффективность монокристаллических и поликристаллических солнечных панелей
- Эффективность тонкоплёночных солнечных панелей
- Как тип солнечной панели влияет на её стоимость
- Монокристаллические солнечные панели — самый дорогой вариант
- Поликристаллические солнечные панели — ощутимо дешевле
- Тонкопленочные солнечные панели — всё зависит от материала
- Так что же выбрать?
Виды солнечных батарей
КПД варьируется от 12 до 18%. Учитывая, что стоимость батарей невысока, можно приобрести несколько батарей для получения нужного объема энергии при наличии свободного места на крыше.
КПД варьируется от 18 до 24%. Эффективность монокристаллических фотоэлементов выше. Это связано с особенностями строения – благодаря меньшему числу граней электроны могут двигаться прямолинейно. Монокристаллические батареи преобразуют больше энергии, чем поликристаллические тех же размеров.
Их КПД сравним с эффективностью монокристаллических панелей, при это они стоят дороже последних в 1,5-2 раза.
Принцип работы
Работа обеспечивается за счет кремниевых полупроводников. Принцип работы солнечной батареи основан на явлении внутреннего фотоэффекта, который заключается в образовании возбуждённой электронно-дырочной пары на границе p-n-перехода.
В атомах кремниевого полупроводника есть лишние электроны n-типа, при этом электронов p-типа не хватает. N-слой используется в качестве катода, а P-слой – в качестве анода.
Фотоны света, попадая на поверхность кремниевого полупроводника, высвобождают электроны из атомов n-слоя. Далее их захватывают атомы р-слоя. Стремясь вернуться в свое изначальное положение, электроны «бегут по кругу», теряя энергию и заряжая аккумулятор.
Сравнительные характеристики разных видов солнечных панелей
Согласно этим показателям, в наиболее выигрышном положении кремниевые монокристаллические батареи, изготовленные из высококачественного кремния, который также используется и для производства компьютерной техники, поэтому на него более высокий спрос на рынке. Тем не менее львиная доля солнечных станций использует данный тип панелей, несмотря на высокую стоимость.
Поликристаллические устройства не выдерживают конкуренции с предыдущими. Хотя они дешевле на 35─40 % в производстве за счёт низкокачественного сырья, их продуктивность ниже на 28─46%, что существенно отражается на окупаемости.
По идентичным показателям проигрывают монокристаллическим кремниевым панелям оба гибких полимерных аналога: плёночные телурид кадмия и плёночные CIGS.
Плёночные панели не так эффективны, но свои преимущества имеют
Позже остальных на рынке появились гибкие солнечные панели с фотомодулями на кремниевых элементах р-типа производства компании Sunport Power. В них тонкие пластины из кремния имеют черное покрытие, созданное по технологии MWT второго поколения, что обеспечивает защищённость от трещин (причины повышенной деградации) в несколько раз большую, чем на полимерных образцах.
Таким образом, эти изделия, оставив преимущества обычных гибких плёночных батарей, сравнялись по производительности, и соответственно в цене, с ведущими монокристаллическими кремниевыми.
Вывод
Какие солнечные панели лучше для работы солнечной станции, однозначно сказать нельзя. Но среди описанных основных типов чётко выделяются два лидера. Покупать ли гибкие батареи? Если необходима лёгкость и технологичность в установке и позволяют финансовые возможности, то лучше всего приобретать гибкие солнечные панели с кремниевыми фотомодулями р-типа. В иных случаях можно обойтись монокристаллическими.
Со́лнечная батаре́я, солнечная панель — объединение фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) — полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток, в отличие от солнечных коллекторов, производящих нагрев материала-теплоносителя.
Дерево из солнечных панелей в Глайсдорфе (Австрия)
Различные устройства, позволяющие преобразовывать солнечное излучение в тепловую и электрическую энергию, являются объектом исследования гелиоэнергетики (от гелиос греч. , Helios — «Солнце»). Производство фотоэлектрических элементов и солнечных коллекторов развивается в разных направлениях. Солнечные батареи бывают различного размера: от встраиваемых в микрокалькуляторы до занимающих крыши автомобилей и зданий.
Обычно, в состав солнечной электростанции входит одна или более солнечная панель, инвертор, и так же в некоторых случаях аккумулятор и солнечный трекер.
В 1839 году Александр Эдмон Беккерель открыл эффект преобразования света в электричество. (англ. ) начал использовать селен для превращения света в электричество. Первые прототипы солнечных батарей были созданы итальянским фото-химиком Джакомо Луиджи Чамичаном.
17 марта 1958 года, в США был запущен спутник с использованием солнечных батарей — «Авангард-1».
15 мая 1958 года в СССР также был запущен спутник с использованием солнечных батарей — «Спутник-3».
Типы солнечных батарей
Три типа солнечных батарей. Каждый из этих типов солнечных элементов сделан уникальным способом и имеет разный эстетический вид.
Для обеспечения электричеством и/или подзарядки аккумуляторов различной бытовой электроники — калькуляторов, плееров, фонариков и т. п.
Для подзарядки электромобилей.
Одним из проектов по созданию самолёта, использующего исключительно энергию солнца, является Solar Impulse.
Солнечные батареи на крыше коровника кибуца Гезер (Израиль)
Солнечная батарея на крыше дома
Солнечные батареи крупного размера, как и солнечные коллекторы, широко используются в тропических и субтропических регионах с большим количеством солнечных дней. Особенно популярны в странах Средиземноморья, где их помещают на крышах домов.
Использование в космосе
Солнечная батарея на МКС
Солнечные батареи — один из основных способов получения электрической энергии на космических аппаратах: они работают долгое время без расхода каких-либо материалов, и в то же время являются экологически безопасными, в отличие от ядерных и радиоизотопных источников энергии. В космосе используются солнечные фотопанели сделанного из арсенида галия.
Однако при полётах на большом удалении от Солнца их использование становится проблематичным, так как поток солнечной энергии обратно пропорционален квадрату расстояния от Солнца. На Марсе мощность солнечных батарей вдвое меньше чем на Земле, а около дальних планет гигантов солнечной системы мощность падает настолько, что делает солнечные батареи почти полностью бесполезными. При полётах же к , Венере и Меркурию, мощность солнечных батарей напротив, значительно возрастает: в районе Венеры в 2 раза, а в районе Меркурия в 6 раз.
Использование в медицине
Фотоэлементы и модули делятся в зависимости от типа и бывают: монокристалические, поликристалические, аморфные (гибкие, пленочные).
Факторы, влияющие на эффективность фотоэлементов
Особенности строения фотоэлементов вызывают снижение производительности панелей с ростом температуры.
Частичное затемнение панели вызывает падение выходного напряжения за счёт потерь в неосвещённом элементе, который начинает выступать в роли паразитной нагрузки. От данного недостатка можно избавиться путём установки байпаса на каждый фотоэлемент панели. В облачную погоду при отсутствии прямых солнечных лучей крайне неэффективными становятся панели, в которых используются линзы для концентрирования излучения, так как исчезает эффект линзы.
Недостатки солнечной электроэнергетики
Сейчас наиболее распространены такие типы солнечных панелей: монокристаллические, поликристаллические и тонкопленочные. Они имеют разный принцип производства, внешний вид, а самое главное — эффективность.
Основные типы солнечных панелей — сравнение
Рассмотрим преимущества и недостатки разных видов.
Ниже пройдёмся по эффективности и особенностям использования каждого типа.
Из чего сделаны разные солнечные панели
Основой производства фотоэлементов выступает полупроводниковый материал, благодаря которому происходит преобразование солнечной энергии в электрическую. В современных солнечных системах полупроводником чаще всего выступает кремний.
Монокристаллические и поликристаллические солнечные панели
В обоих случаях конструкция одинакова: кремниевые ячейки собираются в ряды, формируя прямоугольную конструкцию. Для защиты используется стеклянное покрытие и герметичная рамка.
И там, и там основным материалом является кремний, но качество самого кремния отличается. Монокристаллические элементы вырезаются из цельного кристалла кремния. Для поликристаллических используют небольшие фрагменты кремния, которые переплавляют и прессуют в форме ячеек.
Тонкопленочные солнечные панели
В этом случае основой для производства служит аморфный кремний (a-Si) — некристаллическая версия кремния. Его соединение особым образом «напыляется» на гибкую основу, которая собирается в гибкую панель.
Сейчас в производстве тонкоплёночных моделей чаще всего используется теллурид кадмия (CdTe). Это поколение гибких панелей существенно отличается по эффективности от аморфных кремниевых предшественников.
Панели из селенида меди, индия, галлия (CIGS) также являются представителями тонкоплёночных технологий, но встречаются не так часто.
Эффективность монокристаллических и поликристаллических солнечных панелей
Из всех вариантов монокристаллические имеют самый высокий КПД и мощность. Их эффективность может превышать 20%, в то время как поликристаллические обычно имеют показатели 15-17%.
Большинство стандартных монокристаллических солнечных панелей достигают мощности более 300 Вт, а некоторые могут превышать 400 Вт. Поликристаллические в среднем производят 200 Вт, хотя дорогие модели могут превышать и 300 Вт.
Оба типа солнечных панелей поставляются с 60, 72 и 96 кремниевыми ячейками. Но при равном количестве ячеек монокристаллические системы способны производить больше электроэнергии.
Монокристаллические — дороже, но эффективнее
Эффективность тонкоплёночных солнечных панелей
Гибкие полимерные устройства ощутимо уступают по мощности кристаллическим аналогам. С учётом использования передовых полупроводников КПД достигает 11%.
Тонкоплёночные панели не имеют стандартизированных размеров, но сравнивая мощность кристаллических и тонкоплёночных систем на 1м2, можно сказать, что первые всегда обеспечат большим количеством электроэнергии.
Как тип солнечной панели влияет на её стоимость
Цены различаются из-за материала, который используется для производства солнечных элементов, и способа его обработки.
Монокристаллические солнечные панели — самый дорогой вариант
Производство таких фотоэлементов предполагает выращивание цельных кристаллов кремния. Этот процесс, известный как метод Чохральского, достаточно энергоемкий и иногда проходит неудачно. Повреждённые заготовки могут быть использованы для поликристаллических элементов.
Поликристаллические солнечные панели — ощутимо дешевле
Здесь процесс создания фотоэлементов намного проще в технологическом плане. Не нужно тратится на обработку цельных кристаллов — мелкие фрагменты просто плавятся и прессуются в формы. Это дешевле для производителя, а следовательно и для потребителя.
Тонкопленочные солнечные панели — всё зависит от материала
Сколько вы заплатите за тонкопленочные элементы, во многом будет зависеть от материала, который был использован для их производства. Дешевле всего обойдутся панели из CdTe и аморфного кремния, в то время как вариант из CIGS будет ощутимо дороже.
Нужно учитывать, что общая стоимость установки гибких солнечных панелей может быть ниже, чем монтаж монокристаллических или поликристаллических систем. Они легче и практичнее, что упрощает монтажникам возможность доставлять панели на крышу и закреплять их на месте.
Это позволяет снизить затраты на рабочую силу.
Так что же выбрать?
Монокристаллические, поликристаллические и тонкопленочные панели имеют свои преимущества и недостатки, и обычно решение о выборе того или иного варианта зависит от особенностей помещения и от уровня потребности домохозяйства в электроэнергии.
Владельцы недвижимости с большой площадью под солнечную электростанцию могут сэкономить, установив менее эффективные и недорогие поликристаллические панели. Если у вас ограниченное пространство, лучшим вариантом будет установка высокоэффективных монокристаллических модулей.
Тонкоплёночные панели обычно устанавливают на просторную крышу коммерческих/промышленных помещений, которые не могут выдержать дополнительный вес традиционного солнечного оборудования.
Кроме того, тонкопленочные панели иногда могут быть идеальным решением для портативных солнечных систем, например, на жилых автофургонах или лодках.
Все типы солнечных панелей имеют свои особенности производства, что влияет на их итоговую эффективность. Лучший КПД у монокристаллических, но если у вас достаточно места под солнечную систему, можно установить поликристаллические и сэкономить на расходах. Тонкоплёночные имеют самую низкую производительность, но удобны при монтаже.