Какая поверхность у солнечной батареи

Размеры солнечных батарей и другие их параметры: на что необходимо обратить внимание?

В предварительном расчете любой СЭС одной из важнейших характеристик являются размеры солнечных батарей. Исходя из длины, ширины и общего количества этих элементов будет определяться конфигурация их размещения на крыше или участке. Не менее принципиален и ряд других параметров – тип полупроводникового материала ячеек, категория качества, мощность панелей и станции в целом, и т.д. Поэтому перед покупкой следует внимательно изучить все основные показатели.

Площадь солнечной батареи и габариты отдельных ячеек

Гелио модуль представляет собой гибкую или жесткую конструкцию прямоугольной формы, основу которой составляют ряды полупроводниковых ячеек. Каждая из них генерирует напряжение около 0,5-0,6V и может иметь различные типоразмеры. Наиболее распространены следующие варианты габаритов (в миллиметрах):

Например, модуль Sunways ФСМ-270П из 60 ячеек (по 10 в длину и 6 – ширину) размером 156 × 156 мм каждая имеет размеры, с учетом рамы, 1640 × 992 мм. Площадь такой солнечной панели составит чуть больше 1,6 м2.

При монтаже необходимо устанавливать модули таким образом, чтобы не допустить частичного затенения одним рядом батарей соседнего. В связи с этим на одну панель 250 – 400 ватт обычно выделяется 1,5 — 2 квадратного метра пространства.

Устройство солнечной панели

Конструктивно каждый модуль состоит из следующих составляющих:

• жесткая или гибкая подложка;
• несколько рядов уложенных вплотную полупроводниковых ячеек, разделенных токопроводящими дорожками;
• рама по периметру, удерживающая ячейки вместе (в некоторых современных моделях отсутствует);
• полностью герметичное, защитное поверхностное стеклянное или полимерное покрытие с антибликовыми свойствами;
• выходные кабели для подключения к соседним модулям и электрической сети.

От размера и КПД солнечных батарей зависит их совокупная мощность. В настоящий момент выпускаются панели от десятых долей до 500 ватт. Наиболее легкие и компактные варианты используются в небольших автономных устройствах – часах, фонариках, туристических «кейсах» и т.д. Полноразмерные крупные модули служат основой частных и промышленных солнечных электростанций производительностью от нескольких сотен до миллионов киловатт-часов.

Виды солнечных батарей и их особенности

На эффективность фотоэлектрических ячеек огромное влияние оказывает тип полупроводника, отвечающего за преобразование излучения в электрический ток. Сегодня на рынке преобладают панели, созданные на базе:

• монокристаллического кремния Mono-Si;
• поликристаллического кремния Poli-Si.

Значительно реже в устройстве солнечных панелей применяются малопроизводительный аморфный кремний, редкоземельные элементы (например, теллурида кадмия Cd-Te) и дорогостоящие «аэрокосмические» германиево-галлиевые батареи типа CIGS. На стадии прототипов активно исследуется фотовольтаика следующего поколения, с использованием органики и минеральных перовскитов.

1. Монокристаллические.

Изготавливаются из выращенных методом Чохральского кремниевых кристаллов высокой степени очистки. Выдают максимальный КПД 22-24% при идеальных условиях освещения – ярком солнце, ориентации на юг и оптимальных углах наклона. Рекомендуются к установке в наиболее солнечных регионах на крышах домов и земляных участках, позволяющих провести размещение, близкое к оптимальному. Эффективный срок службы 25-30 лет.

2. Поликристаллические.

Отличаются от монокристаллов другим методом кристаллизации. Технология выращивания делает рабочую поверхность не гладкой, а «игольчатой». Это несколько снижает продуктивность поглощения при прямом солнце, но повышает (по данным многих исследований) производительность в не самых благоприятных условиях. При работе в средней полосе, при неидеальном положении относительно солнца среднегодовая генерация солнечных панелей данного вида с КПД 18-20% лишь немного уступает Mono-Si. Срок службы составляет 20-25 лет, но цена таких батарей на 8-10% ниже.

3. Тонкопленочные.

Такие виды солнечных панелей последних поколений тоньше и легче классических моделей, за счет гибкости могут устанавливаться на криволинейные поверхности. Они наименее чувствительны к ухудшению условий освещения и обладают самым низким температурным коэффициентом. Максимально удобны в миниатюрных мобильных солнечных станциях, активно используются автотуристами и любителями многодневных походов пешком или на лодках.

Категории качества фотоэлектрических панелей

Помимо размера, номинальной мощности и КПД солнечных батарей, критически важной характеристикой является качество их исполнения. На гелио рынке по данному показателю модули делятся на четыре категории.

Первая – Grad A.

Характеризуется наивысшим качеством. Производится компаниями из всемирно известного ТОП рейтинга TIER-1 от Bloomberg. Отличительные черты:

• минимальная степень деградации ячеек со временем;
• идеальная внутренняя кристаллическая структура;
• однородная поверхность без цветовых перепадов и дифракционной картины;
• полное отсутствие сколов, микротрещин и скрытых дефектов.

Вторая – Grad B

Первой категории солнечных батарей по характеристикам уступает незначительно. Отличается:

• наличием небольших перепадов насыщенности цветового оттенка;
• несколько большей скоростью деградации.

Производители – менее престижные, но хорошо зарекомендовавшие себя на рынке компании, преимущественно из юго-восточной Европы, Турции и Китая.

Третья – Grad С

Категория представлена панелями «no name» фирм из Поднебесной или европейской б/у продукцией. Характерные признаки:

• визуально различимые небольшие поверхностные дефекты;
• цветовая неоднородность поверхности;
• невысокий срок эксплуатации.

Несмотря на существенно сниженную стоимость, для полноценных новых СЭС использовать такую продукцию не рекомендуется.

Четвертая – Grad D

Включает все виды солнечных батарей с низким КПД и непредсказуемым сроком службы. Отличительные черты:

• большое количество явных дефектов;
• некачественная пайка;
• сильные перепады цвета.

Ввиду невозможности оценить эффективность и длительность использования, покупка нежелательна даже для второстепенных целей. Приобретаются обычно на запчасти.

Солнечные батареи – прочие важные характеристики

Среди прочих наиболее принципиальных параметров фотоэлектрических панелей выделяют следующие показатели.

Представляет собой допустимое положительное и отрицательное отклонение от номинальной мощности. Например, обозначение 300  3 Вт означает толеранс, соответствующий 1%.

2. Температурный коэффициент.

Одной из особенностей полупроводниковых ячеек является снижение эффективности при сильном перегреве панелей. Для элементов на базе кремния падение составляет около 0,4-0,5% на каждый градус выше 25°C. Под прямыми лучами летнего солнца рабочая поверхность способна нагреваться до 65-75°C, что соответствует снижению КПД на 20-25%. Редкоземельные солнечные батареи малочувствительны к высоким температурам, их температурный коэффициент в несколько раз ниже.

Диапазон рабочих температур всех типов высококачественных модулей примерно одинаков и колеблется в пределах от – 45°C до +90°C.

С течением времени фотоэлектрические ячейки постепенно теряют свою эффективность. На графике процесс деградации выглядит как гиперболическая кривая. У качественных панелей категории Grad A падение производительности составляет 2-3% в первый год, до 10% за 10 лет и до 20% спустя 25-30 лет. Солнечные батареи не столь высокого качества деградируют быстрее.

4. Фотоэлектрическая чувствительность к интенсивности освещения.

Худшими показателями в этой категории обладают монокристаллические ячейки, у которых снижение эффективности при падении яркости освещения максимально. Поликристаллические элементы на 3-4% менее чувствительны.

5. Удельная эффективность.

Измеряется как отношение номинальной мощности к единице площади. У монокристаллов она максимальна, поскольку эти солнечные панели характеризуются наивысшим КПД и сроком эксплуатации. Для достижения тех же показателей СЭС на базе Poli-Si потребуется большая площадь и размеры отдельных модулей.

6. Защитное покрытие.

В дешевых моделях лицевая рабочая сторона закрывается обычным стеклом. Дорогостоящие модули премиального класса комплектуются сверхпрочной каленой разновидностью. Сами ячейки покрываются специальной пленкой EVA, а тыльная часть батареи – полиэтиленом высокой плотности ПЭТ.

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