Химический состав солнечных батарей

Как устроены и работают солнечные батареи

Солнечная энергетика становится все более популярной во всем мире. Вместе с коллегами из специализированного портала Elektrik мы разбирались, как устроена солнечная батарея, из чего она состоит и куда отправляется получаемая энергия.

В наше время практически каждый может собрать и получить в свое распоряжение свой независимый источник электроэнергии на солнечных батареях (в научной литературе они называются фотоэлектрическими панелями).

Дорогостоящее оборудование со временем компенсируется возможностью получать бесплатную электроэнергию. Важно, что солнечные батареи – это экологически чистый источник энергии. За последние годы цены на фотоэлектрические панели упали в десятки раз и они продолжают снижаться, что говорит о больших перспективах при их использовании.

В классическом виде такой источник электроэнергии будет состоять из следующих частей: непосредственно, солнечной батареи (генератора постоянного тока), аккумулятора с устройством контроля заряда и инвертора, который преобразует постоянный ток в переменный.

Солнечные батареи состоят из набора солнечных элементов (фотоэлектрических преобразователей), которые непосредственно преобразуют солнечную энергию в электрическую.

Большинство солнечных элементов производят из кремния, который имеет довольно высокую стоимость. Этот факт определят высокую стоимость электрической энергии, которая получается при использовании солнечных батарей.

Распространены два вида фотоэлектрических преобразователей: сделанные из монокристаллического и поликристаллического кремния. Они отличаются технологией производства. Первые имеют кпд до 17,5%, а вторые – 15%.

Наиболее важным техническим параметром солнечной батареи, которая оказывает основное влияние на экономичность всей установки, является ее полезная мощность. Она определяется напряжением и выходным током. Эти параметры зависят от интенсивности солнечного света, попадающего на батарею.

Электродвижущая сила отдельных солнечных элементов не зависит от их площади и снижается при нагревании батареи солнцем, примерно на 0,4% на 1 гр. С. Выходной ток зависит от интенсивности солнечного излучения и размера солнечных элементов. Чем ярче солнечный свет, тем больший ток генерируется солнечными элементами. Зарядный ток и отдаваемая мощность в пасмурную погоду резко снижается. Это происходит за счет уменьшения отдаваемой батареей тока.

Если освещенная солнцем батарея замкнута на какую либо нагрузку с сопротивлением Rн, то в цепи появляется электрический ток I, величина которого определяется качеством фотоэлектрического преобразователя, интенсивностью освещения и сопротивлением нагрузки. Мощность Pн, которая выделяется в нагрузке определяется произведением Pн = IнUн, где Uн напряжение на зажимах батареи.

Наибольшая мощность выделяется в нагрузке при некотором оптимальном ее сопротивлении Rопт, которое соответствует наибольшему коэффициенту полезного действия (кпд) преобразования световой энергии в электрическую. Для каждого преобразователя имеется свое значение Rопт, которая зависит от качества, размера рабочей поверхности и степени освещенности.

Солнечная батарея состоит из отдельных солнечных элементов, которые соединяются последовательно и параллельно для того, чтобы увеличить выходные параметры (ток, напряжение и мощность). При последовательном соединении элементов увеличивается выходное напряжение, при параллельном – выходной ток.

Для того, чтобы увеличить и ток и напряжение комбинируют два этих способа соединения. Кроме того, при таком способе соединения выход из строя одного из солнечных элементов не приводит в выходу из строя всей цепочки, т.е. повышает надежность работы всей батареи.

Таким образом, солнечная батарея состоит из параллельно-последовательно соединенных солнечных элементов. Величина максимально возможного тока отдаваемого батареей прямо пропорциональна числу параллельно включенных, а электродвижущая сила — последовательно включенных солнечных элементов. Так, комбинируя типы соединения, собирают батарею с требуемыми параметрами.

Солнечные элементы батареи шунтируются диодами. Обычно их 4 – по одному, на каждую ¼ часть батареи. Диоды предохраняют от выхода из строя части батареи, которые по какой-то причине оказались затемненными, т. е. если в какой-то момент времени свет на них не попадает.

Батарея при этом временно генерирует на 25% меньшую выходную мощность, чем при нормальном освещении солнцем всей поверхности батареи.

При отсутствии диодов эти солнечные элементы будут перегреваться и выходить из строя, так как они на время затемнения превращаются в потребителей тока (аккумуляторы разряжаются через солнечные элементы), а при использовании диодов они шунтируются и ток через них не идет.

Получаемая электрическая энергия накапливается в аккумуляторах, а затем отдается в нагрузку. Аккумуляторы – химические источники тока. Заряд аккумулятора происходит тогда, когда к нему приложен потенциал, который больше напряжения аккумулятора.

Число последовательно и параллельно соединенных солнечных элементов должно быть таким, чтобы рабочее напряжение подводимое к аккумуляторам с учетом падения напряжения в зарядной цепи немного превышало напряжение аккумуляторов, а нагрузочный ток батареи обеспечивал требуемую величину зарядного тока.

Например, для зарядки свинцовой аккумуляторной батареи 12 В необходимо иметь солнечную батарею состоящую из 36 элементов.

При слабом солнечном свете заряд аккумуляторной батареи уменьшается и батарея отдает электрическую энергию электроприемнику, т.е. аккумуляторные батареи постоянно работают в режиме разряда и подзаряда.

Это процесс контролируется специальным контроллером. При циклическом заряде требуется постоянное напряжение или постоянный ток заряда.

При хорошей освещенности аккумуляторная батарея быстро заряжается до 90% своей номинальной емкости, а затем с меньшей скоростью заряда до полной емкости. Переключение на меньшую скорость заряда производится контроллером зарядного устройства.

Наиболее эффективно использование специальных аккумуляторов – гелевых (в батарее в качестве электролита применяется серная кислота) и свинцовыех батарей, которые сделанны по AGM-технологии. Этим батареям не нужны специальные условия для установки и не требуется обслуживание. Паспортный срок службы таких батарей – 10 — 12 лет при глубине разряда не более 20%. Аккумуляторные батареи никогда не должны разряжаться ниже этого значения, иначе их срок службы резко сокращается!

Аккумулятор подсоединяется к солнечной батарее через контроллер, который контролирует ее заряд. При заряде батареи на полную мощность к солнечной батареи подключается резистор, который поглощает избыточную мощность.

Для того чтобы преобразовать постоянное напряжение от аккумуляторной батареи в переменное напряжение, которой можно использовать для питания большинства электроприемников совместно с солнечной батарей можно использовать специальные устройства – инверторы.

Без использования инвертора от солнечной батареи можно питать электроприемники, работающие на постоянном напряжении, в т.ч. различную портативную технику, энергосберегающие источники света, например, те же светодиодные лампы.

Источник

Из чего делают солнечные батареи: особенности строения различных поколений панелей

До недавних пор на вопрос «из чего делают солнечные батареи» существовал всего один ответ – из кремниевых ячеек в жесткой раме с толстым защитным стеклом. Сегодня ситуация кардинально изменилась, хотя панели на основе кремния по-прежнему занимают большую часть мирового рынка. При изготовлении фотовольтаики дома, из подручных материалов, такие ячейки также применяются чаще других. Однако перспективные разработки последних лет создаются на совершенно иных технологиях и значительно отличаются от старых моделей конструктивно.

Краткая история модифицирования: три поколения солнечных батарей

Специалисты разделяют все фотоэлектрические устройства, способные поглощать световые фотоны и преобразовывать их в электрический ток, на три поколения.

1. Из чего состоят солнечные батареи первого поколения

Конструктивно такие модули состоят из следующих элементов:

• металлического листа-основы – базового контакта;
• нижнего присадочного слоя кремниевого полупроводника с преобладанием электронов n-типа – за счет добавления фосфора;
• верхнего кристаллического слоя, насыщенного электронами р-типа – обычно, путем легирования бором;
• антиотражающего покрытия – для максимизации поглощения излучения;
• тонкого металлизированного контакта сеточного типа с проводом для замыкания сети;
• толстого защитного стекла – как правило, сверхпрочного закаленного;
• обрамляющей рамы.

Толщина монокристаллических Mono-Si или поликристаллических Poli-Si кремниевых пластин в ячейках составляет около 200-300 мкм. Срок службы оценивается в 20-25 лет, с падением производительности в среднем на 0,5% ежегодно. КПД при идеальных условиях освещения достигает 22-24% и резко снижается при высоких температурах либо частичном падении освещенности.

2. Из чего сделаны солнечные батареи второго поколения

Следующее поколение батарей использует тот же физический принцип p/n перехода, однако создано на базе комбинаций редкоземельных элементов (реже – аморфного кремния). Вспомогательные конструкционные элементы панелей в большинстве случаев те же – металлическая основа, антиотражающая пленка и защитное стекло. Однако все чаще появляются и безрамные конструкции, а также тонкопленочные варианты, способные сворачиваться в рулоны и изгибаться под любыми углами.

Наиболее частыми полупроводниками для ячеек таких батарей служат:

• аморфный кремний a-Si;
• теллурид кадмия (CdTe);
• селенид индия/галлия/меди (CIGS).

Иногда на предложение привести примеры, из чего делают солнечные батареи тонкопленочного типа, профильные специалисты приводят и другие, более экзотические варианты. Однако их совокупная доля не превышает 0,1% и используется преимущественно в лабораторных исследованиях.

Название «тонкопленочные» происходит от значительно меньшей толщины рабочих слоев – от 1 до 3 мкм, что почти в 100 раз меньше, чем у кремниевой «классики». КПД при идеальных условиях тонких пленок составляет 16-20%. Однако при рассеянном свете и/или больших углах падения излучения панели CdTe / CIGS могут быть более эффективны.

3. Из чего состоит солнечная батарея третьего поколения

Принцип действия панелей 3-го поколения по-прежнему фотоэлектрический, но конструкция принципиально иная. Полупроводниковые материалы в них, за исключением квантовых точек, не используются вовсе, уступая место органике и полимерам.

Такие батареи часто не имеют ни рамы, ни защитного стекла, печатаются на 3D-принтерах либо изготавливаются методом травления, подобно компьютерным платам.

Главное их достоинство – фантастическая дешевизна производства, широчайшие возможности геометрии и прозрачность. Третье поколение – это панели ближайшего будущего, которые будут повсеместно встраиваться в дома, окна, одежду и даже мельчайшие бытовые предметы.

Основной недостаток на сегодня – низкий КПД, составляющий от 0,1 до 7%.

Полупроводниковые материалы – из чего делают солнечные батареи сегодня

Основными полупроводниковыми материалами, которые используются для производства 99% фотоэлектрических ячеек на современном мировом рынке, являются:

1. Монокристаллический кремний — Выращивается в виде крупных кристаллов по методу профессора Чохральского. Далее кремниевые цилиндрические «чушки» режутся на очень тонкие диски толщиной 0,2-0,4 мм и подвергаются специализированной химической обработке. Практически готовые ячейки обтачиваются, шлифуются, покрываются защитным покрытием и металлизируются. При желании сделать солнечную батарею своими руками такие фотоэлектрические элементы покупаются в магазине, а остальные детали моноблока изготавливаются самостоятельно из подручных материалов.
2. Поликристаллический кремний — Производится в металлургических тиглях более дешевым методом направленной кристаллизации (block-cast). После расплава кремниевого сырья его медленно остужают, что приводит к образованию «игольчатых» разнонаправленных кристаллов. В эксплуатации такая поверхность чуть хуже монокристалла при идеальной освещенности, но более эффективна в остальных случаях. По этой причине, устанавливая комплект батарей на крышах, на южные скаты часто монтируют Mono-Si, а на юго-западные и юго-восточные – Poli-Si.
3. Аморфный кремний – из чего делают солнечные батареи этого типа Основой батарей данного типа служит гидрогенезированный кремний с большим коэффициентом лучевого поглощения. Современные модели комбинируют из нескольких слоев, обогащенных германием и углеродом. Это позволяет устранить главный недостаток панелей a-Si – быструю деградацию ячеек.

Такая модификация носит название уже не аморфного, а микроморфного кремния и показывает КПД до 12%. Низкая эффективность компенсируется дешевизной производства, поскольку на такие ячейки элементов требуется в 200 раз меньше полупроводника чем для Mono-Si или Poli-Si.

4. Из чего сделаны тонкопленочные солнечные батареи CdTe

Теллурид кадмия считается лучшим однопереходным полупроводниковым материалом по совокупности трех показателей – поглощающая способность, надежность, стоимость. CdTe значительно производительнее кремния и намного дешевле более эффективных пленок на базе дорогостоящих германия и индия.

Подложка пленки может быть не металлической, а стеклянной, а сами ячейки – полужесткими или гибкими. CdTe отличается стабильностью, долговечностью, малой чувствительностью к изменению освещения и быстро растущим КПД новых поколений модулей.

5. Особенность строения солнечных панелей типа CIGS

Основой батарей на сульфидах редкоземельных элементов является композитное смешение галлия, индия и меди. Такие панели являются «чемпионами» по КПД и стойкости, но стоят очень дорого.

Коммерческое применение пока ограничено только космосом и авиационной отраслью, поскольку добыча индия и галлия на планете ограничена всего несколькими сотнями тонн в год. Даже если бы все они пошли на изготовление батарей, общая мощность панелей едва достигла бы 10 ГВт.

6. Из чего состоят солнечные батареи типов GaAs и InP

Базовыми редкоземельными элементами этой группы панелей служат арсенид галлия GaAs и фосфид индия InP. Отличительная черта обоих вариантов ячеек – практически полное сохранение КПД при температурах в несколько сотен градусов Цельсия.

Применение их на земле финансово нецелесообразно, но практически все солнечные панели космических спутников, зондов, МКС и телескопов сделаны именно на их основе. Теоретический КПД этой группы, при условии использовании в конструкции дополнительных концентраторов, может достигать 85%. Практические рекорды сегодня колеблются в зоне 35-45%.

7. Из чего делают органические солнечные батареи

Несмотря на низкий КПД (лабораторный рекорд на сегодня – 10,8%, коммерческие прототипы – до 7%) панели на органической основе 3-го поколения сегодня активно исследуются. Для полимеров органического происхождения характерны следующие важные черты:

• простота и дешевизна создания;
• отсутствие проблем с утилизацией;
• неограниченность сфер применения;
• возможность изготовления в прозрачном виде.

Подобные панели практически невесомы, а при использовании технологии «tandem solar batteries» (тандемное соединение) их можно встраивать в окна и регулировать прозрачность.

8. Из чего состоят солнечные батареи на красителях

Конструктивно в них присутствует тонкая стеклянная подложка и напыляемая токопроводящая «краска». Ее основой является нанокристаллические «катод» и «анод», а также неагрессивный электролит – например, диоксид титана. Удобство использования состоит в возможности получения любых цветовых оттенков и нанесения на любые поверхности сверхтонким слоем.

9. Особенности солнечных батарей с квантовыми точками

Последний перспективный вид батарей ближайшего будущего построен на свойствах физических квантовых точек – микроскопических включений полупроводников в тот или иной материал. Геометрически такие «точки» имеют размер в несколько нанометров и распределяются в материале так, чтобы охватить поглощение излучения всего солнечного спектра – ИК, видимого света и УФ.

Огромным преимуществом подобных панелей является возможность работать даже ночью, генерируя около 40% максимальной дневной мощности.

Физико-технические характеристики, сертификация и маркировка

Независимо от того, из чего сделаны солнечные батареи, каждая из них обладает рядом следующих важных характеристик:

• механические – геометрические параметры, общая масса, тип рамы, защитного стекла, количество ячеек, вид и ширина коннекторов;
• электрические или вольтамперные – мощность, напряжение холостого хода, сила тока при максимальной нагрузке, эффективность панели в целом и отдельных ячеек в частности;
• температурные – изменение КПД при повышении температуры на определенную единицу величины (обычно – 1 градус);
• качественные – срок службы, скорость деградации ячеек, присутствие в рейтинговых списках Bloomberg;
• функциональные – необходимость и удобство ухода, простота монтажа/демонтажа.

Промышленные солнечные панели, из каких бы материалов они не были сделаны, обязательно должны быть сертифицированы. Минимальными требованиями являются сертификаты качества ISO, СE, TUV (международные) и/или Таможенного союза (при продаже в его пределах).

Обязательной является и международные правила маркировки. Например, аббревиатура CHN-350M-72 содержит следующие сведения:

• CHN – идентификатор компании-изготовителя (в данном случае – китайской СhinaLand);
• 350 – мощность панели в ваттах;
• M – обозначение монокристаллического кремния;
• 72 – число фотоэлектрических ячеек в модуле.

Из чего можно сделать солнечные батареи своими руками дома

Для этого необходимо следующее:

1. Предварительно начерченная схема и проведенные расчеты.
2. Определенное количество солнечных ячеек заводского изготовления – купить их дешевле всего в сети, например, на сайте Aliexpress или в других сетевых магазинах. Обращайте внимание на то, чтобы все элементы имели одинаковые электрические характеристики.
3. Самодельный каркас из бруса и фанеры – правила его сборки можно посмотреть на многочисленных видео в сети.
4. Оргстекло или плексиглас для поверхностного защитного покрытия.
5. Краска и термостойкий клей для обработки деревянных поверхностей.
6. Контактные полосы и провода для соединения ячеек. Схемы различные способов соединения также можно изучить в интернете.
7. Паяльник и припой. Паяльные работы следует проводить очень внимательно, чтобы не испортить будущее изделие.
8. Силиконовый клей и саморезы для закрепления сборной батареи в каркасе.

Небольшая батарея потребует около 30-50 долларов вложений, в то время как заводской вариант аналогичной мощности обойдется всего на 10-20% дороже. Разумеется, подобная самодельная конструкция не прослужит 25 лет, не будет обладать мощностью полноценной солнечной электростанции и не сможет похвастаться значительным КПД. Однако стоимость ее будет минимальной настолько, насколько это возможно.

Источник