Что такое гибкие солнечные панели

Гибкие солнечные панели: преимущества и отличия от жестких

Как реальная альтернатива традиционным жестким модулям, гибкие солнечные батареи начали появляться около 10 лет назад. Принцип их действия ничем не отличается от «классики», однако ряд конструктивных и физических особенностей открывает путь к блестящим перспективам. За минувшее десятилетие тонкопленочная фотовольтаика значительно повысила свой КПД и сегодня занимает около 20% рынка. По прогнозам специалистов, новые поколения «солнечных пленок» к 2040-2050 годам практически полностью вытеснят жесткие модификации.

Чем гибкие солнечные панели отличаются от жестких модулей

Первое отличие заключается в процессе производства. Базой «классики» служат выращенные по специальной технологии крупные кристаллы кремния. Далее они нарезаются на тонкие пластинки толщиной около 0,3 мм, которые становятся основой прямоугольных ячеек. Полученные элементы;

• укладываются рядами на стеклотекстолитовую подложку;
• соединяются в единую батарею, обычно в прочной алюминиевой раме;
• накрываются листом толстого каленого стекла;
• герметизируются.

Результатом становится тяжелый, неэластичный и сравнительно хрупкий модуль. Его невозможно смонтировать на криволинейную поверхность, он чувствителен к перегреву и направлению на солнце.

Гибкие солнечные панели конструктивно сильно отличаются от своих предшественников. Полупроводниковый слой – даже кремниевый – делают методом напыления на сверхтонкие стальные ленты. Таких слоев может быть несколько, причем не обязательно из одного материала. После подключения электродов основа ламинируется.

Полученная в итоге конструкция представляет собой тонкую пленку, способную изгибаться и даже перекручиваться под любыми углами. Наиболее современные модели печатаются на промышленных 3D-принтерах и легко сворачиваются в рулоны. Гибкие батареи могут:

• нарезаться произвольным образом;
• эффективно использоваться в портативных переносных устройствах;
• укладываться в чехлы или футляры;
• встраиваться в крыши, окна и т.д.

Они легче, долговечнее, менее чувствительные к неблагоприятным погодным условиям и дешевле в производстве. Исключение составляют только модификации на дорогостоящих редкоземельных металлах, которые используются аэрокосмической промышленностью.

Краткий обзор гибких солнечных панелей без применения кремния

Несмотря на то, что во многих тонкопленочных моделях по-прежнему используется кремний, большинство современных пленок изготавливаются по безкремниевой технологии.

1. Аморфный кремний A-Si.

С момента появления тонкопленочной технологии на базе аморфного кремния ожидалось, что именно эта модификация батарей второго поколения станет ведущей на мировом рынке. Однако к концу второго десятилетия 21 века, несмотря на повышение КПД A-Si до 14-16%, конкуренции с более производительными пленками CdTe та CIGS они не выдержали. Около 20% рынка фотоэлектрических элементов аморфный кремний сохранил. Но технологические наработки последних лет в основном «ушли» в сферу производства ЖК-дисплеев, микротранзисторов и рентгеновских пленок.

2. Теллурид-кадмиевые CdTe.

К 2020 году стали наиболее распространенной модификацией рынка гибких батарей, хотя сохранился выпуск и жестких вариантов. Пользуется популярностью благодаря низкой стоимости и высокой эффективности, в том числе в неидеальных условиях освещения. КПД серийных изделий достигает 20-22%. Температурный коэффициент в 2-3 раза ниже, чем у Mono-Si и Poli-Si, что способствует их массовому применению в жарком климате.

3. Сульфид индия/меди/галлия (CIGS).

Наиболее эффективный на сегодня вариант гибких панелей. Высокая себестоимость производства не позволяет массово использовать их «на земле», однако все космические аппараты оборудованы именно этим типом фотовольтаики. КПД лучших образцов достигает 35-40% и выше. Предельно надежны и минимально деградируют даже в экстремальных условиях чрезмерно низких и высоких температур.

4. Гибкие солнечные батареи на основе полимеров, органики и квантовых точек

Являются представителями третьего поколения тонких пленок. Массовому внедрению пока препятствует сравнительно низкий – менее года – срок эффективной службы, а также КПД в диапазоне 14-17%. Тем не менее, именно этот класс считается наиболее перспективным, ввиду достижения в самом ближайшем будущем:

• общедоступного и дешевого производства;
• максимальной функциональности;
• экологической безопасности;
• возможности делать пленки практически прозрачными.

Достоинства и недостатки в сравнении с жесткими модулями

Гибкие панели выигрывают у классических конкурентов практически по всем параметрам. Главными из них являются два наиболее важных достоинства

1. Среднегодовая производительность.

Практически в любых регионах с количеством солнечных дней в году менее 300, тонкопленочные варианты оказываются эффективнее. Их КПД резко не «проседает» при рассеянном и падающем под большими углами свете.

Они малочувствительны к температурам вплоть до 60-70°C, в то время как кремниевые модули при таком нагреве теряют около 20% генерации. Это сильно сокращает срок окупаемости СЭС на «пленочной» базе и делает вложения в покупку более выгодными.

2. Функциональность.

Благодаря эластичности и малому весу, гибкие батареи могут широко применяться там, где установка традиционных модулей невозможна. Ими можно покрывать изогнутые крыши теплиц, дугообразных остановок общественного и частного транспорта, дизайнерских зданий с нелинейной формой кровли.

Тонкие пленки уже сегодня можно вставлять даже в одежду и обувь, чем часто пользуются модные дизайнеры. Кроме того, быстро набирает популярность комплектация гибкими панелями некоторых видов автомобилей и общественного транспорта. В Китае электробусы, питающиеся от тонкопленочных солнечных батарей, в нескольких небольших городах полностью вытеснили классический вид автобусов.

Частично прозрачные модификации обладают еще более широкими возможностями. В перспективах самого ближайшего будущего – переход на энергосберегающие панорамные окна в офисах крупнейших компаний всех развитых стран мира.

Основных недостатков на сегодняшний день тоже два.

1. КПД при идеальной освещенности и цены.

Доступные по цене гибкие панели пока проигрывают в максимальной эффективности лучшим модулям на базе кремния. У первых – как правило, это теллурид-кадмиевые CdTe – КПД в яркий солнечный день достигает 21%. Для монокристаллических ячеек этот показатель на 3-4% выше. При ухудшении условий освещения ситуация начинает меняться, но в южных солнечных регионах крупные СЭС пока предпочитают использовать Mono-Si и Poli-Si.

Обратная ситуация складывается с гибкими батареями на редкоземельных элементах. КПД у CIGS выше, но стоимость настолько высока, что их использование пока целесообразно только в высокотехнологичных отраслях, где цена изделия не критична.

2. Проблема с утилизацией.

Все без исключения гибкие солнечные батареи являются экологически чистыми в процессе эксплуатации. Однако по завершении срока службы их утилизация обходится производителям в немалые суммы. Причина этого – в ядовитости теллура, галлия, кадмия, германия и прочих редкоземельных элементов, что требует применения дорогостоящих технологий при их захоронении.

Решить проблему кардинально поможет только переход на третье поколение панелей, созданных на основе безопасных природных минералов и органики.

Сферы применения

Помимо ситуаций, где тонкопленочные модификации могут использоваться наравне с классикой, существует несколько сфер, где применение традиционных модулей неудобно или невозможно вовсе:

• благодаря чрезвычайно малой массе, гибкие батареи часто устанавливаются на дроны, а также электрические и гибридные автомобили:
• использование солнечных пленок очень удобно в портативных СЭС небольшой мощности, что быстро оценили любители многодневных походов пешком или на лодках;
• начинается постепенное внедрение тонкопленочной фотовольтаики в традиционные предметы гардероба – одежду, обувь, а также рюкзаки и сумки;
• эластичность и небольшой вес незаменимы при снабжении энергией солнца теплиц и прочих конструкций с нелинейной формой кровли, не приспособленных к высокой нагрузке;
• во многих странах гибкие панели массово покрывают навесы над стоянками авто и остановками общественного транспорта;
• в самом ближайшем будущем тонкие пленки начнут интегрироваться не только в крыши, но и в окна.

Новая гелио технология быстро завоевывает мир, хотя и находится пока в стадии становления. Основным ее преимуществом перед классическими жесткими вариантами является мобильность и варианции использования.

Традиционные кремниевые модули практически не имеют возможностей дальнейшего усовершенствования. Пленочные батареи, напротив, способны в разы увеличить свой КПД, стать еще более функциональными, дешевыми и абсолютно безопасными для окружающей среды.

Источник

Особенности эксплуатации гибких солнечных панелей

Высокая стоимость электроэнергии и частые проблемы с ее подачей заставляют обращать внимание на альтернативные источники. К таковым можно отнести гибкие солнечные панели. Их конструктивное исполнение позволяет переводить солнечную энергию в электрическую. Особое конструктивное исполнение делает возможным их крепление на различных поверхностях. Чтобы оценить, подойдут ли такие энергосберегающие конструкции для вашего дома или офиса, стоит познакомиться с отличительными особенностями.

Что это такое

Гибкая солнечная панель состоит из тонкой подложки, на поверхность которой нанесен слой кремниевого полупроводника. Готовое изделие вместе с напыленным слоем имеет толщину менее 1 мкм. Принцип работы системы основан на фотовольтаике, предполагающую преобразование энергии фотонов в электричество. Под воздействием солнечных лучей полупроводник начинает нагреваться, это приводит к формированию направленного потока электронов. Элементы соединяются с выводами, обеспечивая тем самым формирование батареи, вырабатывающей электроэнергию.

Сравнительно недавно подобные конструкции имели большие размеры и невысокий КПД. Сегодня ситуация изменилась. Для выработки электрического тока батарее требуется немного света. При этом само устройства имеет небольшой вес, достаточно гибкое и мобильное. Его можно быстро переместить с одного места на другое.

Вместо аморфного кремния многие производители сегодня используют полимерные соединения, теллуриды кадмия, индиевые диселениды и другие вещества. Для увеличения КПД гибкие солнечные панели выполняют многослойными. Выбор в пользу каскадного строения позволил обеспечить многократное преобразования отраженного света, и за счет этого добиться повышения работоспособности элемента.

Для подачи электроэнергии внутрь дома потребитель должен иметь в наличии:

• аккумулятор, в котором будет накапливаться вырабатываемая электроэнергия. Он позволит предотвратить возможные негативные последствия, которые могут иметь место при скачках напряжения;
• инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный;
• система, позволяющая откорректировать уровень заряда аккумулятора.

Преимущества

Почти любая гибкая солнечная панель является востребованным источником энергии, так как:

• Компактна и легка. Размер и вес изделия сравнительно небольшой, что делает возможным их монтаж практически в любом месте. При установке гибких модулей можно отказаться от усиления основания.
• Экологична, что имеет важное значение при покупке подобных конструкций для электроснабжения жилых помещений. В процессе работы устройства не оказывают негативного влияние на состав и состояние воздуха внутри помещения. Они не выделяют вредных веществ.
• Производительны. Продуманное нестандартное решение существенно повышает эффективность изделий. Хотя они несколько уступают монокристаллическим, но при соблюдении правил и рекомендаций производителя по эксплуатации установленного оборудования можно добиться производительности порядка 18 %;
• Универсальны. Качественные гибкие элементы способны выдержать значительные температурные колебания. Они могут монтироваться на основание любой формы, повторяя контуры основы. Это делает возможным их размещение на любой открытой площадке и эксплуатацию в различных погодных условиях.
• Просты. Благодаря достаточно простому исполнению гибкие солнечные батареи могут монтироваться своими силами. Это существенно сокращает общие затраты на монтаж.
• Мобильны. Их необязательно монтировать на стационарную основу. При желании панель можно скрутить в трубочку и взять с собой в путешествие.

Недостатки

Хотя подобные энергосберегающие системы востребованы у пользователей, они не лишены недостатков. К таковым стоит отнести:

• Невысокий КПД, что не всегда позволяет выработать достаточно количество электроэнергии для полного обеспечения потребностей жителей частного дома. Для автономной работы системы электроснабжения потребуется большое количество мощных конструкций;
• Небольшую толщину напыляемого слоя, что существенно сокращает срок службы изделия. Многие изделия не способны прослужить более 20 лет. Гарантийный срок ограничен тремя годами. Через пять лет отдельные элементы начинают выходить из строя.

К недостаткам также стоит отнести продолжительный период окупаемости. Стоимость энергосберегающей конструкции сложно назвать бюджетной. Кроме самих элементов придется дополнительно приобрести специальное оборудование для обеспечения работоспособности монтируемой системы. Потребуется продолжительный период времени для окупаемости понесенных затрат. Эффективность системы зависит от погодных условий, а для ее функционирования надо дополнительно приобрести дорогостоящее оборудование.

Особенности эксплуатации

Чтобы гибкие солнечные панели работали максимально эффективно, при их эксплуатации надо учитывать определенные особенности:

• наибольший КПД обеспечивается в регионах с большим количеством солнечных дней;
• в пасмурные дни производительности снижается, а потому стоит заранее предусмотреть возможность подключения к аккумуляторной батарее либо к централизованной системе электроснабжения;
• нагрев фотоэлементов ведет к снижению производительности гелиопанелей;
• устанавливать системы стоит с южной стороны, монтируя под углом 35–40 градусов;
• предпочтительным местом установки являются крыши, если система предназначена для электрификации здания.

Область использования

Гибкие солнечные панели являются универсальными конструкциями. Они используются в различных областях, где существует потребность в электрической энергии. Модули способны стать достойной альтернативой кровельному материалу. Однако их крепят на крыше, покрытой черепицей, металлопрофилем, шифером. В результате строение получает оригинальный внешний вид, а система вырабатывает электроэнергию для обеспечения его потребностей.

Такой способ электроснабжения может являться основным и дополнительным. Если дом располагается в регионе с большим количеством солнечных дней, актуален первый вариант. Во всех остальных случаях желательно, чтобы гибкие панели дублировали традиционную схему электроснабжения. Так как при снижении эффективности конструкции на некоторый период времени дом может оказаться обесточенным.

Актуальны не только для электрификации зданий, но и при изготовлении различных электронных изделий, в авто- и авиастроении, при оснащении космических аппаратов. Гибкая солнечная панель имеет небольшой вес, что делает актуальным ее использование для обеспечения электричеством:

• электромобилей и электросамокатов;
• многочисленных гаджетов во время длительных прогулок и пеших переходов: панели нашиваются непосредственно на рюкзаки и куртки для обеспечения подзарядки аккумуляторных батарей непосредственно во время движения;
• охотничьих домиков, туристических палаток;
• яхт и других плавательных средств.

Порядок монтажа

Чтобы система работала эффективно, до начала монтажных работ выполняется расчет необходимого количество модулей. Это позволит понять, какое количество панелей надо приобрести, и какими характеристиками они должны обладать. После закупки необходимого количества и ознакомления с инструкцией производителя, начинается крепление элементов к основанию.

Расчет количества элементов

Чтобы правильно выполнить расчет, надо разработать проект будущей системы. Для этого потребуется значение:

• полная сумма электроэнергии, которую вы потребляете;
• полное значение мощности панелей;
• число панелей;
• аккумуляторная емкость.

Уровень энергопотребления

Правильность и стабильность работы системы зависит от правильности подключения. Гибкая солнечная батарея подключается к аккумулятору через контроллер. При этом необходимо соблюдать полярность. Ток от аккумулятора должен сначала поступить на инвертор, а затем на электроприборы.

При определении суммарного уровня потребления электроэнергии учитываются все электроприборы, которые есть в доме и в теории могут использоваться одновременно. Найти актуальное значение мощности конкретного устройства можно в документах либо на корпусе. Учитывается не только мощность электроприборов, но и осветительных устройств. Если в люстре несколько лампочек, учитываются затраты энергии, необходимой для работы каждой.

После того, как суммарная мощность будет найдена, выбирается инвертор. Он необходим для преобразования постоянного тока в переменный с заданной частотой. При выборе инвертора обязательно предусматривается запас по мощности минимум 0.5 кВт.

Емкость аккумулятора

Далее подбирается аккумуляторная батарея, основным показателем для которых является емкость. Она показывает, силу тока, который будет подаваться в течение часа при заданном напряжении. Для ориентировочного расчета данного параметра суммарная мощность делится на выходное напряжение.

Найденное значение является приблизительным, так как большинство батарей нельзя полностью разряжать. Это может стать причиной непродолжительного срока службы аккумулятора. В некоторых устройствах минимальный уровень заряда не должен опускаться ниже 40 %. Это обязательно учитывается при расчете путем введения в состав формулы поправочного коэффициента. При расчете суммарную мощность делят на значение выходного напряжения, умноженного на 0.4.

Количество панелей

При расчете требуемого количества панелей учитывается мощность выбранных моделей и регион, в котором они будут устанавливаться. Желательно найти величину дневного света для конкретной местности. Для расчета потребуется минимальное годовое значение, соответствующее значению солнечной радиации в регионе в конце декабря. Его можно найти в справочной литературе.

Исходя из найденного значения, определяется уровень инсоляции. Он позволит определить, какое количество киловатт сможет выработать один квадрат батареи в декабре. Для этого показатель умножается на количество дней в месяце. Обычно берется 31 день. Так, для Сочи – 1.25×31=38.75 кВт/м², а для Москвы значение будет равно 0.33×31=10.23 кВт/м².

Зная суточное потребление электроприборов, можно определить, какой объем энергии нужен на месяц. Так, если все приборы в доме потребляют 750 Вт, то в месяц потребуется около 25 кВт. Надо обязательно предусмотреть небольшой запас по мощности на случай, если придется пользоваться какими-то другими электроприборами либо имеющиеся будут заменены на более мощные. Так, расчетное значение в 25 кВт можно смело округлять до 30 кВт.

Зная требуемую мощность и уровень инсоляции, определяется мощность, приходящаяся на 1 пикочас. Для столичного региона при потребляемой мощности в 30 кВт она составит 30/10.23 = 2.93 кВт. После этого можно рассчитать требуемое количество панелей. Для этого найденное значение делится на мощность одного элемента. Так, если одна гибкая солнечная панель имеет мощность 0.15 кВт, для выработки достаточной мощность потребуется 2.93/0.15= 20 штук. Если батарею планируется брать с собой в туристические походы, для обеспечения работоспособности ноутбука потребуется одна панель с мощностью минимум 15 Вт.

При выборе модели стоит обратить внимание не только на мощность изделия, но и на его вес. Для монтажа на крышу можно выбирать изделия потяжелее, для туристических походов — полегче.

Материал элементов может отличаться. Если их планируется эксплуатировать в северном регионе, предпочтительны гелиопанели из текстурированного стекла. Если количество солнечных дней ограничено, стоит обратить внимание на изделия из микроморфного кремния.

Монтажные работы

Монтажные работы могут быть выполнены самостоятельно. Для этого сначала выбирается наиболее подходящее место для монтажа. Кроме крыши задания для размещения панелей можно выбрать:

• фасад дома;
• конструкцию, устанавливаемую отдельно от здания;
• комбинированный вариант.

Монтаж на крыше получил наибольшее распространение. Однако не всегда конфигурация кровли позволяет эффективно разместить систему. В этом случае можно смонтировать дополнительный каркас специально для размещения батареи. Это увеличит затраты на выполнение монтажных работ. Однако, если крыша является труднодоступной или затененной, такой вариант является оптимальным.

К монтажу на фасаде прибегают в том случае, если, на крыше не хватает места. В этом случае панели не только вырабатывают необходимое для функционирования строения количество электроэнергии, но и позволяют украсить дом. Если такой вариант неприемлем, устанавливают отдельную конструкцию, выбирая для ее размещения хорошо освещаемую площадку.

В некоторых ситуациях прибегают к комбинированному варианту, располагая элементы одновременно на нескольких поверхностях. В этом случае удается максимально повысить эффективность смонтированной системы.

После того, как будет выбрано место для размещения конструкции, прибегают к непосредственному монтажу. Каждая гибкая солнечная панель на обратной стороне имеет липкий смолянистый слой, позволяющий надежно зафиксировать элемент на основании без использования специализированного инструмента.

Монтажные работы выполняются в следующей последовательности:

• основание моется и очищается от грязи и пыли, чтобы обеспечить плотное прилегание к основе;
• с обратно стороны панели снимается защитный слой;
• элементы приклеивается к выбранному основанию.

Если работы будут выполняться на крыше, стоит позаботиться о безопасности, чтобы избежать возможного травматизма. Также важно придерживаться выбранной схемы подключения, чтобы обеспечить достаточную эффективность смонтированной системы. У каждого модуля есть два кабеля, выведенных с одной стороны. Каждую панель располагают таким образом, чтобы их можно было последовательно соединить между собой одной шиной.

Особенности ухода

Чтобы система работала эффективно, в процессе эксплуатации за ней надо правильно ухаживать. Для этого следует своевременно очищать поверхность от пыли, грязи, следов жизнедеятельности птиц. Любой слой на поверхности модулей способен существенно сократить производительность системы в целом, так как в этом случае уровень поглощения фотоэлементами солнечного света существенно снижается.

Удалить скопившиеся загрязнения только одной водой не всегда представляется возможным. В таком случае для удаления грязи с батареи, основу которой составляет аморфный кремний, используют влажную губку либо тряпку из микрофибры. Высокая стойкость к воздействию воды позволяет их постоянно мыть.

В зимний период с поверхности элементов надо систематически удалять снег. В противном случае они просто не будут функционировать. Удалять снежный покров следует аккуратно, оказывая минимальное механическое воздействие, чтобы не повредить поверхность.

Учитывая, что при сильном загрязнении производительность конструкции значительно уменьшается, и требуется удаление загрязнений, при выборе места для размещения системы, следует предусмотреть мероприятия по ее обслуживанию. Именно по этой причине от установки модулей на сложной кровле чаще всего отказывается. Если другой вариант монтажа не подходит, для очистки панелей в труднодоступных местах привлекают специалистов.

Видео по теме

Источник