Солнечные элементы и их виды

Виды элементов солнечных батарей, их особенности и нюансы использования

В энергосистемах разного уровня и направленности (как промышленных, так и частных) возрастает популярность солнечных батарей. Преимущества их использования понятны и неоспоримы, что прежде всего касается экономичности их работы.

Солнечные источники энергии не зависят от центральных систем сбережения энергии, способствуют значительному снижению затрат на коммунальные расходы. Кроме того, они просты в эксплуатации и абсолютно экологичны и безопасны. В настоящее время существует несколько видов солнечных элементов, каждый из которых отличается особенностями производства, способу модификации солнечной энергии в электрическую.

Особенности работы солнечных батарей. Фотоэффект

Принцип работы этих элементов основан на процессе трансформации энергии солнечных лучей в электрическую энергию. Внешне это выглядит следующим образом: солнечные лучи падают на пластину, в результате чего указатель индикатора показывает величину электрического тока, получаемого в результате. Это явление можно объяснить с точки зрения физики. Оно носит название «фотоэффект» и его сущность заключается в способности некоторых видов материалов вырабатывать электричество от солнца.

Принцип действия фотоэффекта основан на функционировании электронов. Электроны, находящиеся в составе некоторых веществ (среди них, например, кремний), осуществляют поглощение потока солнечных лучей. Результат: создание и получение электронами импульса, который способствует их выталкиванию из орбит. В итоге происходит создание эффекта постоянного фототока, который представляет собой поток движущихся в одном направлении электронов.

Подобное описание является самым простым объяснением сложного процесса работы солнечных элементов энергии. Дело в том, что появление фотоэффекта возможно только в том случае, если обеспечено объединение двух типов полупроводников. Полупроводники первого типа отличаются нехваткой электронов, а второго типа – их избыточным количеством. При их объединении получаются солнечные батареи, имеющие в конструкции два слоя, представляющего собой эти полупроводники.

Фотоэлементы осуществляют свое взаимодействие по следующей схеме. Расположенный на верхних позициях структуры n-проводник подвергается прямому воздействию солнечных лучей, результатом которого является выбрасывание электронов из орбит. Вследствие создания добавочного энергетического импульса происходит переход частиц в проводник р типа. Результат: формирование направленного потока движения частиц. Для сбрасывания полученного фототока на пластины из полупроводников устанавливают нагрузку и тонкие проводниковые элементы.

Чаще всего в роли полупроводников обоих типов в составе солнечных элементов используют кремний с различными добавками. Дело в том, что этот химических элемент обладает массой преимуществ, среди которых простота в добыче и обработке, дешевизна, минимизация затрат и подходящие физические характеристики. Среди недостатков этого элемента в качестве основы для создания полупроводников является небольшая продуктивность, которая редко достигает более 20 % преобразования энергии. Некоторые химические вещества обладают более высоким показателем КПД при преобразовании солнечной энергии в электричество, но их использование нерентабельно из-за сложностей добычи и промышленной обработки.

Кремний лежит в основе производства солнечных батарей нескольких типов: поликристаллических, монокристаллических и тонких пленочных. Каждый тип отличается особым набором свойств и определяет основную отрасль применения.

Поликремний в составе фотоэлементов

Поликристаллические ячейки кремния отличаются неоднородной структурой темного цвета и имеют квадратную форму. В поликремнии содержится небольшой процент примесей.

Продуктивность работы поликремниевых ячеек, которая составляет около 17 %, ниже, чем монокремниевых (более 20%). Однако по ряду причин, включающих легкость выращивания поликремниевых кристаллов, минимум затрат на данный процесс, поликремниевые батареи намного дешевле.

Неравномерная структура поверхности этих ячеек определяет неравномерное поглощение солнечных лучей. Это способствует, с одной стороны, к большим потерям энергии, а с другой – снижению степени зависимости от траектории движения Солнца.

Монокремниевые фотоэлементы

Монокристаллический кремний, а точнее фотоэлементы на его основе, легко узнаваемы. Они отличаются ярким синим цветом, ровной и однородной поверхностью. Производство таких ячеек осуществляется из монокристаллов кремния, не имеющего примесей. Благодаря этому, такие ячейки отличаются высокими показателями качества и наиболее продуктивны. Их форма: квадрат со срезанными углами.

Характеристики монокремниевых фотоэлементов

Они отличаются самым высоким КПД при трансформации энергии. Причина заключается в однородности их состава, благодаря которой свет поглощается максимально равномерно и преобразуется в фотопоток. Точные показатели энергетической эффективности этих элементов зависят напрямую от свойств кристалла, процентного содержания в нем примесей, а также качества технологий их выращивания.

Монокристаллические солнечные батареи отличаются следующими качествами:

• независимость равномерности выходных свойств от погоды. Даже высокий уровень облачности и холодное время года (при отрицательных температурах) не влияет на КПД таких батарей.
• гибкость, предотвращающая поломки вследствие физического воздействия.

Стоимость монокремниевых батарей превышает цену на поликристаллические.

Фотоэлементы на основе аморфного кремния

Их наиболее распространенное название «гибкие панели». Они отличаются гибкой структурой из тонких пленок. Их производство основано на использовании аморфного кремния или теллурида кремния. В настоящее время активно ведутся разработки по применению в качестве основного вещества органических компонентов.

Продуктивность гибких панелей зависит от типа полупроводника. Кремниевые панели дают 10% КПД, наиболее современные компоненты – 15-20 %.

Характеристики гибких тонкопленочных панелей:

• универсальность монтажа (возможен на любых формах);
• высокий уровень генерирования энергии при рассеянном падении лучей;
• маленькая толщина, достигающая около 1 мкм;
• низкая себестоимость и совокупная цена;
• высокие показатели эффективности при использовании в мощных системах (свыше 10 кВт).

Солнечные батареи тонкопленочного типа находят широкое применение в регионах с преобладанием облачной погоды, а также в жарких регионах.

К минусам этих элементов можно отнести их габариты, превышающие при аналогичном уровне мощности размеры кристаллических в два раза.

Транзисторные фотоэлементы

Фотоэлементы в составе солнечных батарей могут быть изготовлены из вышедших из эксплуатации транзисторов. Их можно сделать даже самостоятельно, в домашних условиях. Для этого потребуются транзисторы из полупроводников, с которых нужно снять крышки (для открытия переходов полупроводников). КПД таких фотоэлементов минимален, но есть возможность их объединения друг с другом в блоки, что будет способствовать в конечном итоге увеличению выходных параметров. Такие батареи подойдут для зарядки светильников, часов и маленьких аккумуляторов.

Размеры солнечных батарей: виды и на что стоит обратить внимание?

На размер солнечных батарей существенно влияет лишь один фактор – это технические характеристики используемых фотоэлементов. При выборе модуля, требуется детально ознакомиться с их параметрами. Обратить внимание следует на тип ячейки, мощность, ток, категорию качества и КПД. Отдельно стоит обратить внимание на наличие или отсутствие рамы – это тоже важный элемент конструкции батареи.

Типы размеров солнечных батарей

Солнечная батарея состоит из небольших ячеек, которые называются фотоэлементами. Они отличаются размером и формами. Напряжение панели не зависит от габаритов элементов, из которых она состоит, а определяется общим количеством ячеек. Каждая ячейка имеет одинаковое напряжение, которое составляет приблизительно 0,5 вольт.

Обычно у солнечных панелей размеры ячеек следующие:

Также существуют фотоэлементы и солнечные панели с размерами и габаритами в 26х156 мм, 52х19 мм, 52х38 мм, 80х75 мм. Выходной ток и мощность зависят от количества и типа ячеек. Для увеличения показателей, требуется параллельно соединить как можно больше последовательных цепочек элементов.

Основные характеристики панелей

На размеры влияют и другие характеристики комплектующих солнечных батарей. Так обязательно оценивается качество элементов. Модуль внимательно осматривают на возможные дефекты.

Существует 4 уровня качества панелей:

1. Grad A (без дефектов);
2. Grad B (есть некоторые изменения в цвете);
3. Grad С (сколы, трещины, цветовые изменения);
4. Grad D (низкое качество).

Как оцениваются солнечные панели по характеристикам и размерам?

Толерантность – допустимые погрешности от заводской мощности. Показатели бывают положительными и отрицательными.

Температурный коэффициент. Характеристика определяет потерю мощности при высоких температурах. Лучше приобретать модуль, где этот показатель меньше.

КПД солнечных электростанций. Чем выше этот показатель, тем больше электроэнергии генерирует батарея на протяжении светового дня.

Солнечная батарея размеры и мощность. Чем мощнее модуль – тем ниже цена за ватт при покупке. Размер конструкции определяется типом фотоэлемента.

Срок службы солнечных батарей. По техническим данным и позиции производителей, устройство прослужит не меньше 20-25 лет. Гарантия на работоспособность модуля предоставляется на 5-10 лет.

Сверху панель покрывается пленкой EVA и ПЭТ. Первый вариант закрывает батарею с внешней стороны, улучшая защиту фотоэлементов и уменьшая деградацию. Пленка служит в среднем 5-15 лет. Со временем она начинает желтеть и отслаиваться.

ПЭТ пленку устанавливают для защиты с тыльной стороны устройства.

Виды солнечных батарей и их особенности

Размеры панелей зависят от составляющих их фотоэлементов. Элементы бывают кремниевые (монокристаллические и поликристаллические) и с примесями (тонкопленочная технология). В составе фотоэлементов последнего вида, кроме кремния есть и другие материалы: теллурид кадмия, аморфный кремний, медь, галлий и т.п.

Монокристаллические батареи отличаются высоким КПД и хорошей мощностью. Поликристалл обладает приближенными характеристиками к монокристаллическим конструкциям, но стоит дешевле, при этом сам размер модулей приблизительно одинаковый, так поликристаллическая солнечная панель 250 Вт размеры имеет 164х99 мм. У тонкопленочных батарей большая разница в КПД, в зависимости от используемых материалов. Например, модели с аморфным кремнием имеют невысокий КПД, в то же время КПД аналогов с примесью теллурида кадмия сопоставим с характеристиками монокристаллических конкурентов.

Сравнивая разные типы фотоэлементов необходимо учитывать температурный коэффициент, деградацию, чувствительность к свету и эффективность работы. Монокристалл и поликристалл имеют приблизительно одинаковый температурный коэффициент, около 0,45 %.

Деградация модулей показывает степень ухудшения работы элементов при длительной эксплуатации, у монокристаллов этот показатель в районе 0,45% в год, а поликристаллов – чуть больше. Лучшая чувствительность к свету наблюдается у монокристаллов. У тонкопленочных моделей ситуация с деградацией та же, что и в случае с КПД – процент падения эффективности генерации электроэнергии зависит от технологий производства фотоэлементов.

Компания Green Tech Trade – официальный представитель американского производителя тонкопленочных батарей First Solar. Панели уникальным тем что имеют повышенную эффективность работа от рассеянного света и очень низким температурным коэффициентом. К тому же у них отсутствует рама, что упрощает обслуживание модуля зимой.

Характеристики типов солнечных панелей

Солнечные панели представляют возможный вариант альтернативной энергетики за счет энергии нашего светила. Альтернативные источники как геотермальные, ветра или гидроэнергия, солнечные источники становятся наиболее популярными.

Если мы посмотрим на мировое производство возобновляемой энергии около 5 × 10 20 Дж в год, то ветер это 0,3 %, геотермальная 0,2 %, биотопливо 0,2 %, а солнечная фотоэлектрическая составляет всего около 1,5 % согласно статистическому обзору мировой энергетики.

В последние годы технической модернизации не только обсуждается конкурентоспособная цена солнечной фотоэлектрической технологии, но и разрабатываются различные виды солнечных панелей и их характеристики.

Прогнозируется, что к 2030 году использование различных типов солнечных панелей будет доминировать по сравнению к другими источниками возобновляемой энергии.

Из исследования экономики затрат фотоэлектрики стоимость электростанции зависит от цены земли. Если электростанция находится рядом с подстанцией, вблизи населенного пункта стоимость земли будет высока. Если находится в отдаленном месте, стоимость земли низкая, но потери энергии при передаче будут высокими. С другой стороны, с меньшим населением и в отдаленном месте, использование энергии ограничено местным сообществом. В идеале электростанция должна располагаться в месте, где генерация энергии подключена непосредственно к энергосистеме на оптимальном расстоянии.

Положительные характеристики панелей солнечных батарей:

• необходимо меньше ресурсов для обслуживания
• длительная эксплуатация
• высокая производительность
• экологическая чистота
• более высокая эффективность
• стойкость к внешним воздействиям
• максимальная надежность

Что такое солнечная панель?

Солнечные панели преобразуют свет в электричество.

Самый мощный источник дающий солнечное излучение – Солнце, поэтому их называют “солнечными” панелями. Все виды элементов в их характеристиках называют фотоэлектрическими, что означает “свет- электричество”.

Используется множество соединенных элементов поэтому называется панелями.

Производство электроэнергии зависит от количества света, который попадает на фотоэлементы и от вида элементов.

Интересно, что космические аппараты обычно проектируются с солнечными батареями.

Способ обработки

Все виды солнечных батарей представляют несколько соединенных отдельных элементов, которые преобразовывают свет в электричество. Это преобразование обусловлено фотоэлектрическим эффектом, а панель батарей может называется как фотогальваническая.

Количество и размер требуемой панели батарей определяются доступным светом и требуемым количеством энергии. Размер панели должен соответствовать самым требовательным электрическим нагрузкам. Эти солнечные панели нужно установить на крыше, земле и где свет доступен.

Ток, полученный от солнечных панелей представляет постоянный ток, который непосредственно не используются для бытовой техники. Для этого используется инвертор. Мы можем сразу использовать ток от батарей для некоторых специфических применений как сотовый телефон, свет.

Как сделаны панели?

Фотовольтаические панели могут произвести электричество от ряда частот света и это зависит от конструкции.

В настоящее время наилучшая практическая эффективность составляет около 20,1%.

В новых коммерческих продуктах, как правило, ниже эффективность их изолированных ячеек. Высокоэффективные солнечные панели массового производства имеют плотность энергии до 175 Вт / м 2

Виды солнечных панелей конкурируют за доминирование на рынке:

• кремниевые;
• тонкая пленка;
• ячейка Гретцеля с применением диоксида титана.

Кремниевые технологии

В настоящий момент около 80 – 85% всех фотоэлектрических модулей изготовлены с использованием кремниевых технологий и включают изготовление особой чистоты слитков из поли или монокристаллического кремний материала, как правило, из природного кварца. Эти слитки легированы бором. Слитки нарезаются на пластинки и легируются на поверхность люминофором с помощью процесса термической диффузии, образующих р-n-полупроводниковое соединение.

Некоторые производители выращивают тонкие ленты кремния напрямую из расплавленного материала, избегая требования отрезать или пилить из слитков, таким образом, экономя значительное количество дорогостоящего кремния. Некоторое количество этих ячеек после этого соединяются в солнечную панель. Преимущества технологии кремния выше, эффективность ячейки (до 20%), простая и доказанная технология, в то время как недостатками являются количество дорогостоящего кремния, необходимого для производства заданного количества электроэнергии и выше производственные затраты.

Технологии тонкой пленки

Технологии солнечных батарей тонкой пленки на основе полупроводниковых материалов, как аморфный кремний, теллурид кадмия (CdTe), селенид меди-индия-галлия.

Тонкая пленка изготавливается путем нанесения нескольких слоев этих различных материалов на субстрат стекла, металла или полимера. Эти полупроводниковые переходы формируются по-разному, либо как p-i-n устройство в аморфном кремнии или как гетеро-переход для теллурид кадмия и селенид меди-индия-галлия. Прозрачный проводящий оксидный слой как окись олова формирует передний электрический контакт ячейки и металлический слой другого контакта.

Преимуществом этой технологии можно отнести более низкую стоимость в пиковой электрической мощности к более низкой стоимостью материалов и другим производственным затратам и легкость масштабируемости к большим панелям.

Недостатки: эффективность превращения энергии (до 13%) приводит к более большой зоне для производства заданного количества электроэнергии по сравнению с кремнием и сложности самой технологии.

Ячейка Гретцеля

Есть также сенсибилизированные красителем солнечные элементы которые называют ячейка Гретцеля в честь швейцарского ученого Михаэля Гретцеля.

Принцип использует окислительно-восстановительную реакцию, протекающую в электролите с применением диоксида титана (TiO₂).

Наночастицы диоксида титана, покрытые молекулярным красителем, поглощают солнечный свет, как хлорофилл в зеленых листьях. Этот диоксид титана погружают в раствор электролита, над которым находится катализатор на основе платины. Как в обычной щелочной батарее, анод (диоксид титана) и катод (платина) помещены на любой стороне жидкостного проводника (электролита). Солнечный свет проходит сквозь прозрачный электрод в слой краски, где он может возбуждать электроны, которые затем перетекают в диоксид титана. Электроны текут навстречу прозрачному электроду, где они собираются до замыкания цепи. После пропускания через внешнюю цепь, они приходят назад в электролит. Электролит тогда транспортирует электроны обратно к молекулам красителя.

Сенсибилизированные красителем солнечные элементы еще не развиты в промышленные приборы из-за наличия недостатков.

К недостаткам относятся: использование жидкого электролита, который имеет проблемы стабильности температуры.

• При низких температурах электролит может замерзнуть, прекращая производство электроэнергии и потенциально может привести к физическим повреждениям.
• Высокая температура сильно расширяет жидкость, делая герметичные панели серьезной проблемой.
• Другим недостатком является то, что дорогостоящий рутений (краситель), платина (катализатор) и проводящее стекло или пластик необходимы для того, чтобы произвести ячейку Гретцеля.
• Недостатком является то, что раствор электролита содержит летучие органические соединения, растворители, которые должны быть тщательно загерметизированы по мере опасности для здоровья человека и окружающей среды.
• Кроме того КПД составляет порядка 10%.

Таким образом, практичные виды солнечных панелей на основе кристаллического кремния и тонкой пленки.