Химия для солнечной батареи

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

Солнечные панели (батареи): виды свойства и принцип действия

Солнечные батареи (солнечные панели) относятся к альтернативным источникам энергии. Они состоят из солнечных элементов, которые преобразуют солнечный ( и не только) свет в электричество. А полный комплект состоящий из солнечных панелей, инверторов, аккумуляторов, контроллеров называется солнечной электростанцией. Может показаться, что у таких устройств нет недостатков, но перед покупкой и установкой следует изучить основные характеристики. Это позволит ответить на вопрос, как подобрать солнечные батареи для дома с учетом Ваших нужд, ведь стоимость одного комплекта достаточно высокая.

Область применения

Сегодня отсутствуют ограничения на использование солнечных батарей. Это обусловлено их преимуществами, в частности, выработкой достаточного количества электроэнергии для энергообеспечения всего объекта или решения локальных проблем (применения в качестве элемента питания и пр.). Освещение – это пока основное направление применения таких модулей. Реже их используют для обогрева, причем в большинстве случаев солнечные батареи обсуживают малогабаритные объекты. Их применяют:

• в частных и многоквартирных домах;

Применение солнечных батарей в многоквартирных домах

• коммерческих зданиях;

Использование солнечных панелей на промышленных зданиях

• теплицах;

Солнечная энергетика в аграрном секторе

• на придомовой территории.

Крытый навес из солнечных панелей

Условия, при которых предпочтительно устанавливать такие модули:

• для обогрева/освещения местности, где отсутствуют ЛЭП, в данном случае применение преобразователей солнечной энергии позволит сократить затраты на энергообеспечение объекта, это более выгодный метод, если сравнивать с применением дизельных генераторов;
• в некоторых многоквартирных домах, построенных за последние годы, использовался альтернативный источник энергии (в системах водоснабжения) или в качестве резервного;
• в местности (селах, деревнях) время от времени случается отключение электричества, такие модули позволяют обеспечить бесперебойную работу техники.

Сколько служат солнечные батареи?

Производители часто указывают срок эксплуатации – 20-30 лет (в среднем -25 лет). На протяжении указанного периода устройство может работать без потери мощности, сбоев. Однако это не значит, что по окончании данного срока модули перестанут функционировать. Это заблуждение, т. к. солнечные батареи могут служить намного дольше (до 60 и более лет, как первая из запущенных в эксплуатацию конструкций). Только в данном случае будет постепенно снижаться производительность. Но скорость развития этого процесса низкая. Так, за 10 лет батареи могут потерять не более 10% мощности.

При регулярной эксплуатации, максимальной нагрузке модули быстрее теряют свойства. Чтобы остановить этот процесс, а также увеличить срок службы устройства, рекомендуется придерживаться рекомендаций:

• обеспечение защиты фотоэлементов: необходимо снизить вероятность механического повреждения, солнечные батареи нужно устанавливать на участках, где риск падения деревьев нулевой, а также уровень воздействия ветровой нагрузки умеренный (что позволит исключить срыв ветром);
• установка на открытой местности ветрозаградительных конструкций;
• выполнение обслуживания, своевременная очистка модуля от сора.

В продаже есть также готовые комплекты – устанавливаются преимущественно для энергообеспечения частного жилья. Они состоят из батарей, силовой электроники. Длительность эксплуатации каждого из элементов, узлов разная. Так, батареи могут прослужить 2-15 лет, силовая электроника – до 20 лет.

Виды солнечных панелей

Солнечные батареи функционируют долго, могут вырабатывать постоянный ток, даже если погода пасмурная. Вместе с тем появляется возможность предупредить возникновение скачков напряжения. Как результат, техника на объекте, подключенная к такому источнику электроэнергии, служит дольше, т. к. созданы более щадящие условия эксплуатации (исключается риск повышения, падения напряжения, отключение питания).

Модуль представляет собой панель, состоящую из нескольких преобразователей, объединенных между собой. Чтобы изменить характеристики солнечной батареи, добавляют такие конструкции. Но эффективность работы подобных устройств зависит не только от количества модулей, а еще и от того, насколько правильно была выполнена установка (учитывают углы наклона панелей, интенсивность солнечного освещения на участке). Модули представлены видами:

• Монокристаллические. Производятся из чистого материала – монокристаллического кремния. Его отличает высокие показатели эффективности. Причем КПД солнечных элементов – около 22%, а панелей на их основе – не более 18%. Такие модули рекомендуется применять в местности, где уровень освещенности часто низкий.

Монокристаллическая солнечная панель

• Поликристаллические. По стоимости они предпочтительнее, т. к. производятся из мультикристаллических пластин. Еще одна причина низкой цены – недостаточно высокая производительность. Рекомендуется применять такие модули, если в местности сравнительно одинаковый уровень освещенности в разное время, отсутствуют резкие перепады.

Поликристаллические солнечные панели

• Аморфные. Другое название – тонкопленочные солнечные батареи. Они отличаются универсальным действием (применяются на разных объектах, в различных целях). Могут устанавливаться там, где жаркое солнце внезапно сменяется облачной погодой. Теоретически аморфные панели в будущем будут использоваться не только на крышах, но и на сумках, других бытовых изделиях. Минусом таких панелей является более низкая производительность, если сравнивать с поли-, монокристаллическими.

Тонкопленочные (аморфные) солнечные панели

• Гетероструктурные. Считаются наиболее эффективными, их КПД достигает 25%. Панели вырабатывают электроэнергию при солнечной и пасмурной погоде. В России такую продукцию представляет марка «Хевел». Компания-производитель разрабатывает и внедряет собственную технологию производства гетероструктурных панелей.

Гетероструктурные солнечные панели

Основные элементы конструкции:

• аккумулятор, позволяющая устранить перепады напряжения, вызванные изменением освещенности панели, а еще одна накапливает энергию;
• инвертор – преобразователь тока (из постоянного в переменный);
• контроллер: обеспечивает стабильную работу модуля, т. к. контролирует все параметры (температуру, зарядное напряжение аккумулятора и др.).

В продаже встречаются готовые системы, а также отдельные элементы для сбора с учетом собственных потребностей.

Как работают солнечные батареи

Солнечный свет попадая на элементы солнечных панелей, преобразуется в постоянный электрический ток. Инвертор преобразовывает постоянный ток в переменный ( в привычные нам 220в), а он, попадая в контроллер, отправляется к потребителям (бытовой технике, осветительных устройств). Аккумулятор же выполняет роль буфера между солнечными батареями и инвертером. Мощность инверторов может быть разной: 250-8000 Вт. Главные параметры, на которые следует обращать внимание: напряжение, мощность. Причем нужно не просто изучить характеристики, а соотнести эти параметры друг с другом. Отмечают наиболее подходящие варианты, исходя из напряжения (В) и мощности (Вт):

• 12 В, 600 Вт;
• 24 В, 600-1500 Вт;
• 48 В, от 1500 Вт и выше.

Существующие разновидности преобразователей:

1. Автономные. Функционируют без подключения к основной энергосети. При выборе автономных преобразователей учитывают мощность всей подключаемой техники. Дополнительно делают запас, т. к. некоторые устройства при включении создают повышенную нагрузку из-за существенных значений пусковых токов.
2. Синхронные. Модуль подключен к основной энергосети. Он также оснащен аккумуляторной батареей, имеет свойство накапливать энергию. Излишки «сбрасываются» обратно в сеть. При возникновении перебоев (отмечается недостаток электроэнергии), модуль снова получает требуемое количество от основного источника.

Существуют также многофункциональные устройства. Они объединяют возможности первого и второго варианта. Кроме того, различают преобразователи по форме сигнала напряжения:

• синусоида: модули с таким элементами стоят дороже, т. к. обеспечивают более высокое качество тока, появляется возможность подключить крупногабаритную технику;
• прямоугольный: недорогие преобразователи, чаще всего используются для обеспечения питания осветительных приборов, многие виды техники несовместимы с источниками напряжения данной формы;
• псевдосинусоидальный: представители низкой ценовой категории, т. к. качество сигнала ниже, чем в первом случае, они подключаются к любым приборам.

Стоимость комплекта, обзор технических характеристик

Цена устройства формируется с учетом комплектующих:

• модуль;
• аккумуляторная батарея;
• контроллер;
• инвертор;
• кабель;
• клеммы;
• стеллаж.

Цена солнечных батарей разная. В зависимости от комплектующих стоимость меняется в пределах диапазона: от 300 тыс. руб. до 2 млн руб. Малогабаритные изделия для локального применения можно приобрести и за 10 тыс. руб., однако их допустимо применять для простейших нужд (в качестве элемента питания и др.). При выборе устройства обращают внимание на параметры:

• энергоэффективность;
• габариты панелей (могут составить несколько метров по одной стороне);
• мощность;
• температурный коэффициент (оказывает влияние на мощность и другие электрические параметры).

Несмотря на высокую стоимость, солнечные батареи приобретают достаточно часто. Это обусловлено сравнительно быстрой их окупаемостью. Срок возврата затраченных средств зависит от количества потребителей. Для сравнения, панели, обслуживающие дом, где проживает семья из 4 человек, окупятся уже через 4 года (средний показатель).

Для удовлетворения простых нужд может быть достаточно панелей «Хевел» сетевой солнечной электростанции мощностью не выше 5 кВт. Их допустимо устанавливать на крыше частного дома, объектах малого и среднего бизнеса (кафе, небольшие магазины, павильоны, гостевые дома). Такой способ позволяет снизить затраты на электроэнергию от основного источника.

Однако самостоятельно сложно понять, какой комплект следует приобрести. Не всегда просто рассчитать и достаточную мощность солнечных батарей. Если выбор пал на панели «Хевел», консультант поможет подобрать модель. От компании приходит специалист, ориентируется на месте: делает замеры, расчеты. Дома останется выполнить пусконаладочные работы. Производитель «Хевел» предоставляет гарантию (до 25 лет) на все комплектующие, а также модули.

Коллекторы: получение тепла из солнечной энергии

Солнечные батареи могут применяться для обогрева объектов, нагрева жидкости. Возможность получения тепла обусловлена способностью батареи накапливать энергию. Это позволяет повышать температуру теплоносителя в трубах, за счет чего обеспечивается не только нагрев жидкости, но и обогрев всего объекта. Солнечные коллекторы функционируют по определенной схеме. Их основные элементы конструкции:

• насосная станция;
• бак-аккумулятор;
• контроллер;
• трубы и фитинги.

• плоские: состоят из плоского абсорбера, покрытия, теплоизолирующего слоя;
• вакуумные (трубчатые): состоят из стеклянной колбы, теплоизоляционный материал заменен на вакуум, который заполняет емкость (в ней также находится абсорбер).

У второго варианта есть существенное преимущество – низкие теплопотери. По этой причине вакуумные коллекторы применяются повсеместно там, где не могут быть установлены плоские аналоги.

Обзор производителей

Лидером продаж является продукция китайских марок. Это обусловлено их доступностью. Для сравнения, цена китайских солнечных батарей в 2 раза ниже, чем немецких со сходными характеристиками. Популярные марки:

• Suntech Power Ко;
• Yingli Green Energy;
• HiminSolar.

Распространены также отечественные панели марок:

• «Sun Shines» (ООО «Автономные Системы Освещения»);
• ООО «Хевел»;
• ОАО «Рязанский завод металлокерамических приборов»;
• «Телеком-СТВ»;
• ЗАО «Термотрон-завод» и др.

Как выполнятся монтаж

Выбирают место, где будут фиксироваться панели. Оценивают факторы:

• тень: следует найти наиболее ярко освещаемый на протяжении всего дня участок;
• ориентация по сторонам света: если объект расположен на севере, модуль располагают лицевой панелью к югу и, наоборот;
• угол наклона: он должен соответствовать широте, в которой находится объект (в зависимости от положения относительно экватора осуществляется коррекция 12°).

Крепить панели можно на крыше дома или при помощи специальных ферм. В первом случае достаточно зафиксировать профили. К ним уже крепят модули при помощи болтового соединения. Когда же солнечные батареи монтируются на специальных конструкциях (фермах), этапы работ будут отличаться:

1. Выполняется сборка профилей, уголков.
2. Подготавливают болты нужного размера, инструмент.
3. Фиксируют панели так, чтобы не было люфта между ними и опорной конструкцией.

Подключение электроники предполагает необходимость присоединения батареи посредством проводов. Соединяют контроллер, инвертор согласно схеме. На последнем этапе вся конструкция подключается к потребителю (обслуживаемому объекту).

Итоги: есть ли перспективы развития альтернативного источника энергии

Сегодня многие страны ведут разработку различных проектов: подключение панелей в космическом пространстве, монтаж дорожных покрытий. К слову, уже сейчас создана и функционирует велодорожка, которая за год производит 9800 кВт/ч. Такой проект реализован в Голландии. Его эффективность уже подтверждена практическим путем. Чтобы батарея не повредилась, предусмотрено покрытие толщиной 1 см (прозрачным). Кроме того, в планах разработчиков – создание альтернативного источника питания малых габаритов, характеризующегося высокой производительностью.

Источник