Разнообразие солнечных панелей: сравнительный анализ конструкций и рекомендации по выбору

Альтернативная энергетика стремительно прогрессирует в Европе, демонстрируя свою высокую жизнеспособность через результаты своей работы. На рынке появляются новые модели солнечных батарей с улучшенными характеристиками.

Если вы планируете обеспечить энергией ваше промышленное здание или жилое пространство, важно предварительно ознакомиться с различиями в оборудовании и выяснить, какие солнечные панели подойдут для климата вашего региона.

Мы поможем вам в этом. В данной статье мы обсудим, как функционируют фотоэлектрические преобразователи, рассмотрим различные типы солнечных батарей, их характеристики, плюсы и минусы. Ознакомившись с этой информацией, вы сможете сделать обоснованный выбор для создания эффективной солнечной энергетической системы.

Как работают солнечные панели

Основная маса солнечных панелей функционирует как фотоэлектрические преобразователи. Эффект генерации электричества возникает на уровне p-n перехода полупроводников.

Кремниевые пластины составляют основную составляющую себестоимости солнечных панелей, однако для их полноценного функционирования в качестве круглосуточного источника энергии вам понадобятся дополнительные дорогие аккумуляторы.

Панель состоит из двух кремниевых пластин с разными свойствами: в одной из них наблюдается недостаток электронов, в другой — их избыток. Каждая пластина снабжена токоотводящими медными полосками, которые подключаются к преобразователям напряжения.

Коммерчески доступные солнечные панели состоят из множества ламинированных фотоэлектрических ячеек, связанных между собой и установленным на гибкой или жесткой основе.

Эффективность данной технологии зависит во многом от чистоты кремния и ориентации его кристаллов. Эти аспекты инженерии активно улучшаются на протяжении последних десятилетий, однако высокая стоимость процессов очистки кремния и ориентации кристаллов остается серьезной проблемой.

С каждым годом уровень эффективности различных солнечных панелей растет благодаря колоссальным инвестициям в исследование новых фотогальванических материалов (+).

Помимо кремния, полупроводники для фотоэлектрических преобразователей могут быть выполнены из других материалов, что не изменяет принцип работы батарей.

Классификация фотоэлектрических преобразователей

Промышленные солнечные панели делятся на основе конструктивных особенностей и типа рабочего фотоэлектрического слоя.

Существует несколько типов панелей по конструкции:

• гибкие панели;
• жесткие модули.

Гибкие тонкопленочные солнечные панели завоевывают всё большую популярность благодаря своей универсальности в установке, так как их можно разместить на большинстве поверхностей с самыми разнообразными архитектурными формами.

Фактические характеристики солнечных панелей часто ниже указанных в инструкциях. Поэтому перед установкой желательно ознакомиться с уже выполненными проектами.

В зависимости от типа рабочего фотоэлектрического слоя, солнечные батареи подразделяются на следующие категории:

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.

Однако интерес для обычного потребителя представляют лишь первые два кристаллических типа панелей.

Хотя некоторые другие типы батарей обладают высоким КПД, их высокая стоимость ограничивает распространение.

Монокристаллические панели можно легко узнать по белым квадратам на углах отдельных элементов.

Поликристаллические панели желательно размещать на восток и запад, в то время как для южной стороны лучше выбирать монокристаллические.

Тонкопленочные солнечные панели востребованы в производстве портативных туристических батарей.

Солнечные панели с индием активно используются на космических спутниках.

Мышьяк в батареях на основе арсенида галлия становится токсичным только при контакте с водой.

Панели из редких металлов могут быть изготовлены в любых размерах и формах.

Органические солнечные панели еще не доступны для массового потребителя из-за недостаточной зрелости технологии.

Полимерные панели имеют низкий КПД, что ограничивает их распространение.

Кремниевые фотоэлектрические элементы весьма чувствительны к температуре. Базовая температура для измерения генерации электричества составляет 25°C. При её увеличении на один градус эффективность панелей снижается на 0,45-0,5%.

В следующих разделах мы подробно обсудим солнечные панели, которые вызывают наибольший интерес у потребителей.

Характеристики кремниевых панелей

Кремний для солнечных батарей производится из кварцевого порошка — мелко размельченных кристаллов кварца. Значительные запасы этого сырья находятся в Западной Сибири и Среднем Урале, что дает большие перспективы для развития солнечной энергетики.

На сегодняшний день кристаллические и аморфные кремниевые панели уже занимают более 80% рынка, поэтому стоит рассмотреть их более детально.

Монокристаллические кремниевые панели

Современные монокристаллические кремниевые пластины (mono-Si) имеют равномерную темно-синюю окраску по всей поверхности. Для их изготовления используется наиболее высококачественный кремний. Монокристаллические фотоэлементы обладают самой высокой ценой среди всех кремниевых панелей, но и обеспечивают максимальную эффективность.

Большие монокристаллические солнечные панели с поворотными механизмами прекрасно подходят для установки в пустынных условиях, где обеспечивается максимальная производительность.

Высокие затраты на производство связаны с необходимостью ориентирования всех кристаллов кремния в одном направлении. Из-за этого физические свойства рабочего слоя позволяют достичь максимального КПД только при прямом попадании солнечного света на поверхность панели.

Монокристаллические батареи требуют дополнительного оборудования для автоматического поворота в течение дня, чтобы панель оставалась перпендикулярной солнечным лучам.

Слои кремния с одинаково ориентированными кристаллами вырезаются из цилиндрической заготовки, благодаря чему готовые фотоэлектрические модули имеют округлую форму с закругленными углами.

К плюсам монокристаллических кремниевых панелей можно отнести:

1. Высокую эффективность — от 17% до 25%.
2. Компактность — меньшая площадь, необходимая для установки, при равной мощности по сравнению с поликристаллическими панелями.
3. Долговечность — эффективность генерации электроэнергии может оставаться на высоком уровне до 25 лет.

Тем не менее, существуют и их недостатки:

1. Высокая цена и длительный срок окупаемости.
2. Чувствительность к загрязнению. Накопление пыли снижает светопропускание, что отрицательно сказывается на эффективности.

Монокристаллические солнечные панели требуют прямых солнечных лучей, поэтому их чаще всего устанавливают на открытых пространствах или на высоте. Чем ближе вы находитесь к экватору и чем больше солнечных дней в вашей местности, тем более целесообразна установка именно этого типа фотоэлектрических элементов.

Поликристаллические солнечные панели

Поликристаллические кремниевые панели (multi-Si) имеют неравномерный синий окрас благодаря разнонаправленной ориентации кристаллов. Чистота кремния, применяемого в производстве, несколько ниже, чем у монокристаллических панелей.

Разнонаправленная структура кристаллов дает возможность добиться хорошей эффективности при рассеянном свете — 12-18%. Этот показатель ниже по сравнению с однонаправленными кристаллами, однако при облачной погоде такие панели демонстрируют лучшую производительность.

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

На производстве применяются специальные технологии для формирования кристаллов, однако их ориентация не контролируется. После охлаждения кремний нарезают и обрабатывают в соответствии с заданной схемой.

Поликристаллические панели не нуждаются в постоянной ориентации к солнцу, что делает их идеальными для установки на крышах домов и промышленных объектов.

При легком облачении преимущества солнечных панелей на основе аморфного кремния не так явно, они становятся заметными лишь в условиях плотной облачности или тени (+).

Преимущества поликристаллических панелей включают:

1. Высокую способность при рассеянном свете.
2. Удобство стационарной установки на крышах зданий.
3. Низкую стоимость по сравнению с монокристаллическими изделиями.
4. Долговечность — падение эффективности через 20 лет составляет всего 15-20%.

Недостатки поликристаллических панелей также присутствуют:

1. Низкий коэффициент полезного действия — варьируется от 12 до 18%.
2. Большие размеры — требуют больше места для установки на единицу мощности по сравнению с монокристаллическими вариантами.

Солнечные панели на основе поликристаллического кремния становятся всё более популярными на рынке, заняв значительную долю среди других кремниевых технологий. Это связано с возможностью снижения их производственных затрат. Ежегодно наблюдается рост их эффективности, которая стремится к 20% для массовых моделей.

Системы на основе аморфного кремния

Процесс создания солнечных панелей из аморфного кремния отличается от производства кристаллических фотогальванических клеток. В данном случае используется не чистый кремний, а его гидрид, который в виде горячих паров осаждается на подложку.

Благодаря этой технологии не образуются традиционные кристаллы, что значительно снижает затраты на производство.

Фотоэлементы, полученные из аморфного кремния, могут крепиться как на гибкой полимерной основе, так и на жестком стеклянном листе.

На данный момент разработано три поколения панелей из аморфного кремния, и каждое поколение демонстрирует рост коэффициента полезного действия. Первые модули имели КПД 4-5%, тогда как сейчас в продаже доступны модели второго поколения с КПД 8-9%.

Недавние разработки в области аморфных панелей достигают эффективности до 12% и начинают поступать на рынок, но пока они довольно дороги.

Благодаря уникальной технологии производства, возможно создавать кремниевый слой как на жесткой, так и на гибкой основе. Это делает аморфные модули актуальными для тонкоплёночных солнечных панелей. Однако гибкие варианты значительно дороже.

Структура аморфного кремния позволяет эффективно поглощать фотоны даже в условиях слабого освещения для генерации электроэнергии. Поэтому такие панели хорошо подходят для северных регионов с большим количеством свободного пространства.

Эффективность панелей на основе аморфного кремния сохраняется даже при высоких температурах, хотя в этом отношении они уступают панелям из арсенида галлия.

При равной стоимости оборудования солнечные панели на гидриде кремния обеспечивают большую продуктивность по сравнению с моно- и поликристаллическими вариантами.

Подводя итог, можно выделить следующие преимущества аморфных солнечных панелей:

1. Гибкость — возможность производства тонких и гибких панелей, их установка на любые архитектурные конструкции.
2. Высокая эффективность при рассеянном свете.
3. Надежность в условиях высоких температур.
4. Простота и долговечность конструкции — такие панели практически не требуют ремонта.
5. Сохранение работоспособности в сложных условиях — снижение потерь производительности при загрязнении поверхности значительно меньше, чем у кристаллических аналогов.

Срок службы таких фотоэлементов, начиная с второго поколения, составляет 20-25 лет при снижении мощности на 15-20%. Основным недостатком аморфных панелей остается необходимость в больших площадях для установки необходимого оборудования.

Обзор безкремниевых технологий

Некоторые солнечные панели, изготовленные с использованием редких и дорогих металлов, могут достигать более 30% коэффициента полезного действия. Несмотря на свою высокую стоимость по сравнению с кремниевыми аналогами, они нашли свою нишу на высокотехнологичном рынке благодаря уникальным качествам.

Панели на основе редких металлов

Существует ряд типов панелей, сделанных из редких металлов, и не все из них могут похвастаться эффективностью выше, чем у монокристаллических кремниевых модулей.

Тем не менее, их способность функционировать в экстремальных условиях дает производителям возможность создавать конкурентоспособная продукция и продолжать исследования.

Панели из теллурида кадмия активно применяются в строительстве зданий в экваториальных и арабских странах, где их поверхностная температура может достигать 70-80 градусов Цельсия.

Основные сплавы, используемые для создания фотоэлектрических элементов, — это теллурид кадмия (CdTe), селенид индия- меди-галлия (CIGS) и селенид индия-меди (CIS).

Кадмий является токсичным металлом, а индий, галлий и теллур — редкими и дорогими элементами, что делает массовое производство солнечных панелей на их основе практически невозможным.

Коэффициент полезного действия таких панелей колеблется в пределах 25-35%, хотя в исключительных случаях может достигать 40%. Раньше они использовались преимущественно в космосе, но сейчас развиваются и новые перспективные области.

Благодаря стабильной работе фотоэлементов из редких металлов при температурах от 130 до 150 градусов Цельсия, их применяют в солнечных тепловых электростанциях. Солнечные лучи, отразившиеся от десятков или сотен зеркал, сосредоточиваются на небольшой панели, которая одновременно производит электрическую и тепловую энергию.

Под воздействием тепла вода превращается в пар, который приводит в движение турбину, производя электричество. Таким образом, солнечная энергия преобразуется в электрическую несколькими способами с максимальной эффективностью.

Полимерные и органические решения

Разработка фотоэлектрических модулей на основе органических и полимерных соединений началась всего лишь в последнем десятилетии, но уже достигнуты значительные успехи. Особенно выделяется европейская компания Heliatek, которая уже оборудовала органическими солнечными панелями несколько высотных зданий.

Толщина её рулонных проектов типа HeliaFilm составляет всего 1 мм.

При создании полимерных панелей применяются такие вещества, как углеродные фуллерены, фталоцианин меди и полифенилен. Эффективность этих фотоэлементов уже достигает 14-15%, а затраты на производство в несколько раз ниже, чем на кристаллические панели.

Однако существует проблема с деградацией органического рабочего слоя. На данный момент трудно подтвердить его эффективность после нескольких лет эксплуатации.

Среди достоинств органических солнечных панелей можно выделить:

• возможность безопасной утилизации;
• низкие затраты на производство;
• гибкая конструкция.

К недостаткам таких фотоэлементов относятся относительно низкий КПД и отсутствие точной информации о сроках надежной работы панелей. Возможно, через 5-10 лет все минусы органических солнечных фотоэлектрических элементов будут устранены, и они станут серьезными конкурентами кремниевым технологиям.

Как выбрать солнечную панель?

При выборе солнечных панелей для загородных домов на широте 45-60° стоит рассмотреть два основных варианта: поликристаллические и монокристаллические панели.

При нехватке места стоит предпочесть модели с высокой эффективностью и односторонней ориентацией кристаллов, в то время как при достаточной площади можно остановиться на поликристаллических системах.

Лучше не полагаться на прогнозы аналитиков о дальнейшем развитии рынка солнечных панелей, так как лучшие технологии могут еще не быть представленными на рынке.

Выбор конкретного производителя, мощности и дополнительного оборудования желательно осуществлять с помощью консультантов компаний, которые занимаются продажей и установкой такого оборудования. Следует учесть, что качество и цена фотоэлектрических модулей у крупных производителей в основном схожи.

Важно помнить, что при заказе комплекта оборудования “под ключ” стоимость самих солнечных панелей составляет 30-40% от общей цены. Сроки окупаемости таких проектов обычно составляют от 5 до 10 лет и зависят от уровня потребления энергии и возможностей продажи излишков электроэнергии в городскую сеть.

Некоторые мастера предпочитают самостоятельно собирать солнечные батареи. На нашем сайте можно найти статьи с подробными инструкциями по созданию таких панелей, их подключению и организации отопительных систем на базе солнечной энергии.

1. Как собрать солнечную панель своими руками: пошаговая инструкция
2. Тепловые солнечные системы: анализ технологий обустройства отопления на основе солнечной энергии
3. Схема подключения солнечных панелей: к контроллеру, аккумулятору и другим системам

Заключение и видео по теме

Представленные видео показывают функционирование различных солнечных панелей в реальных условиях. Они также помогут лучше разобраться в выборе сопутствующего оборудования.

Рекомендации по выбору солнечных панелей и сопутствующего оборудования:

Типы солнечных панелей:

Сравнение монокристаллических и поликристаллических панелей:

На данный момент кристаллическим кремниевым панелям нет реальной альтернативы, однако быстрое развитие новых типов солнечных батарей внушает надежду, что солнечная энергия станет основным источником электроэнергии в загородном строительстве.

Всех, кого интересует выбор и использование солнечных батарей, приглашаем оставлять комментарии, задавать вопросы и участвовать в обсуждениях. Форма для контакта находится в нижней части страницы.