Материал для производства солнечных батарей

Как устроена солнечная батарея и принцип ее работы

В этой статье мы рассмотрим устройство солнечной батареи. Современная солнечная батарея представляет собой соединение фотоэлементов, которое может преобразовывать солнечное электромагнитное излучение в электрическую энергию. Ее основными составляющими являются фотоэлементы, от количества которых зависит вырабатываемое напряжение и сила тока. Устройство солнечной батареи основано на явлении внутреннего фотоэлектрического эффекта, которое впервые было открыто ученым Эдмондом Беккерелем еще в 1839 году. В 1873 году другой ученый Уиллоуби Смит заметил такой эффект во время облучения солнечным светом пластины селена. Наибольшее распространение солнечные батареи получили, начиная с середины двадцатого века.

Виды солнечных батарей и их предназначение

В настоящее время используется несколько разновидностей солнечных батарей. Все они отличаются длительным сроком эксплуатации, который зачастую превышает 30 лет. Это достигается за счет отсутствия в конструкции механических компонентов и расходных частей.

Наибольшее распространение сегодня получили три вида фотоэлементов:

Самым распространенным видом являются поликристаллические панели, которые отличаются оптимальным соотношением цены и эффективности. В большинстве случаев их КПД достигает 12-13 %. Эти батареи отличаются кристаллической структурой и синим цветом. Монокристаллические солнечные панели являются более эффективными, так как их КПД достигает 15-16%. Однако, с учетом стоимости одного ватта мощности, их использовании обходиться дороже.

Монокристаллические и поликристаллические батареи имеют схожие функции:

• освещение жилых домов, хозяйств, тепличных комплексов;
• освещение садовой, парковой зоны, улиц;
• обеспечение электроэнергией медицинские и телекоммуникационные приборы;
• энергоснабжение систем подачи и очистки воды;
• подзарядка ноутбуков, мобильных телефонов.

Тонкопленочные обладают самым низким КПД, который не превышает 12%. В то же время, за счет низкой цены фотоэлементов, которые входят в конструкцию, один ватт мощности электроэнергии здесь обходиться дешевле, чем в остальных батареях. К тому же, тонкопленочные панели занимают в 2-3 раза большую площадь, чем моно- и поликристаллические. Поэтому, их лучше использовать для питания крупных систем мощностью более 10 кВт. Интересное: Солнечные батареи на 5 кВт.

Из какого материала изготавливаются солнечные батареи

Наиболее распространенным материалом для изготовления солнечных панелей является кристаллический кремний. Монокристаллический кремний изготавливается по методу Чохральского или тигельным способом. Более простым для изготовления считается поликристаллический кремний, который по структуре представляет собой совокупность кристаллов. Также в качестве материала для изготовления фотоэлементов может использоваться ленточный кремний. Для его производства два тонких слоя кремния накладываются друг на друга. Он более дешевый в изготовлении, но и менее эффективный.

Узнайте больше о самовозобновляемой и бесплатной энергии будущего. Солнечные батареи в действии.

Устройство солнечной батареи: основные элементы

Современное устройство солнечной батареи предусматривает обязательное наличие прочного корпуса, в котором будут размещаться фотоэлементы. Это связано с хрупкостью панелей. Корпус представляет собой коробку небольшого размера с небольшими боковыми ребрами. При этом, ребра не должны мешать солнечному свету попадать на выходы элементов. Размер коробки определяется количеством солнечных элементов. Следующим элементом конструкции является подложка, которая располагается в корпусе прямо на панели. Перед установкой подложки корпус нужно обработать специальными красками, которые имеют стойкость к микроорганизмам и влаге. Кроме того, в корпусе должны быть вентиляционные отверстия, за счет которых будет поддерживаться определенная температура и выводиться газы, которые выделяются при работе батареи в незначительном количестве.

Технология изготовления

Вначале следует спаять фотоэлементы между собой. Если вы купили элементы с металлическими выступами, то тогда можно просто спаять ушки батарей между собой. Делать это нужно очень внимательно и аккуратно. После пайки соединенные компоненты необходимо приклеить к подложке в верхней части панели. Это лучше сделать при помощи специального силиконового клея, который никак не препятствует проникновению солнечных лучей. Кроме того, он способствует нормальному теплообмену. Однако, не переусердствуйте с клеем, так как это может привести к повреждению батарей. Клеить нужно только центр клеток. Далее все элементы нужно соединить с проводом, который подается в одной из заранее предусмотренных вентиляционных отверстий. Для закрепления провода к солнечным элементам лучше использовать силиконовую замазку. Интересное: Солнечная панель своими руками.

На следующем этапе поверх панелей устанавливается оргстекло. Однако, до этого следует подключить диод Шоттки от чувствительных теплопроводящих компонентов. Этот диод послужит блокирующим устройством, которое защитит фотоэлементы при перепадах напряжения. Кроме того, диод Шоттки будет отключать питание системы при маленькой мощности электросети. Так аккумуляторы, заряжаемые от солнца, не будут разряжаться при прекращении питания. Когда диод будет подключен, можно ставить оргстекло и закреплять его винтами. Технология изготовления солнечных панелей является достаточно простой и понятной. Единственное, важно правильно соблюдать последовательность соединения, иначе вся система не будет работать.

Как работает солнечная батарея

Принцип работы солнечной батареи основан на наличии полупроводника в виде двух пластин, соединенных друг с другом. Каждая пластина изготавливается из кремния с использованием дополнительных примесей. Благодаря этому пластины обладают своими уникальными свойствами. Первая из них имеет избыток валентных электронов, а вторая имеет недостаток этих электронов. Эти полупроводники получили название n и p. Если эти полупроводники соединить в единое целое, то можно получить PN-переход в месте контакта между ними. В то время, когда на батарею попадают прямые солнечные лучи, на обеих сторонах этого перехода начинают накапливаться положительные и отрицательные плавающие нагрузки. В результате генерируется напряжение и возникает магнитное поле. Если подсоединить к такому элементу провод, по нему потечет электричество.

Как подключить солнечную батарею

Как только вы изготовите солнечную панель, можно начинать заниматься ее подключением. Можно не подключать ее напрямую к сети, чтобы избежать потерь электроэнергии. То есть, желательно установить автономную систему с аккумуляторами. Они будут заряжаться от солнечных батарей каждый день и быстро разряжаться. При этом, глубина разрядки может быть довольно существенной. Поэтому, аккумуляторы могут быстро выйти из строя. Для того, чтобы этого не произошло, лучше оставить подключение к сети через гибридный батарейный инвертор. Это устройство будет отдавать фотоэлементам приоритет при распределении нагрузки. Инвертор не будет отдавать излишки электроэнергии в сеть, а будет передавать ее на аккумуляторы. Такой вариант является одним из наиболее оптимальных. Эта система состоит из гибридного инвертора, контроллера заряда солнечных панелей и аккумуляторов. Такой механизм сможет работать не только как основная, но и как резервная система электропитания.

Источник

Как выглядит технология производства солнечных батарей?

В мире наблюдается постоянный рост потребления электроэнергии, а запасы традиционных источников энергии уменьшаются. Поэтому постепенно растёт спрос на оборудование, которые вырабатывает электричество, используя нетрадиционные источники сырья. Одним из наиболее распространённых способов получения электричества являются солнечные батареи, работающие от энергии солнца. В их составе работают фотоэлектрические элементы, свойства которых позволяют преобразовывать солнечное излучение в электрический ток. Для их изготовления используется один из самых распространённых на Земле химических элементов – кремний. В этом материале мы поговорим о том, как кремний превращается в фотоэлектрические элементы. Проще говоря, мы рассмотрим, что представляет собой производство солнечных батарей, и какое оборудование для этого требуется.

Технология производства солнечных батарей

В сфере производства солнечных батарей уже сформировался довольно большой рынок, на котором присутствуют крупные компании. Здесь уже вращаются миллионы долларов и есть бренды, заработавшие репутацию производителей качественной продукции. Имеется в виду как мировой рынок, так и российский. Технологии, положенные в основу производства солнечных батарей, совершенствуются по мере развития научных исследований в этом направлении. Сейчас выпускаются солнечные батареи самых разных размеров и назначения. Есть совсем маленькие, используемые в калькуляторах и часах на солнечной батарее. А есть крупные панели, применяемые в гелиосистемах и солнечных электростанциях. Один фотоэлемент имеет небольшую мощность и вырабатывает совсем небольшой ток. Поэтому их объединяют в солнечные модули. Теперь рассмотрим, как производятся фотоэлементы.

Производство фотоэлементов

Прежде всего, стоит сказать, что на выходе производители получают три вида фотоэлементов:

• Монокристаллические;
• Поликристаллические;
• Из аморфного кремния.

Поликристаллические элементы производятся проще. При их создании нет цели вырастить слиток из одного кристалла и добиться высокой однородности структуры. Они имеют меньшую стоимость, но расплачиваются за это меньшим КПД. Визуально их можно отличить по неоднородной расцветке.

В результате температурной обработки кремния получают бруски цилиндрической формы. Из него нарезают пластины малой толщины. В результате этой операции на поверхности пластин появляются повреждения, которые удаляются травлением и текстурированием. Это необходимо для того, чтобы улучшить поглощение светового излучения. После такой обработки на поверхности кремниевых пластин образуются микроскопические пирамиды, расположенные хаотичным образом. При попадании на них свет отражается на боковые поверхности других таких пирамид. Разрыхление текстуры снижает отражающую способность примерно на четверть. Сам процесс травления представляет собой ряд последовательных обработок щелочами и кислотами. Как говорят, специалисты, здесь нельзя перестараться и протравить лишнего. Слой тонкий и пластина может оказаться непригодной для дальнейшего использования.

Технология производства солнечных фотоэлементов

Для укладки на кремниевую пластину полупроводника n-типа на производстве используется фосфорная диффузия. Этот слой находится у поверхности пластины, уходя в глубину примерно на 0,5 мкм. В результате под действием солнечного света носители заряда противоположного знака проникают на небольшую глубину. Это сделано специально для того, чтобы путь к зоне p-n перехода быть максимально быстрым. В противном случае они могут погасить друг друга при встрече. В этом случае они не генерируют электрического тока, а значит, расходуются впустую.

В результате диффузии происходит замыкание между лицевой поверхностью пластины с решёткой для съёма тока и обратной стороной, являющейся сплошным контактом. Для удаления этого замыкания применяются различные технологии. Это может быть плазмохимическое или химическое травление. И также это может выполняться лазером или механическим способом. С помощью плазмохимического травления замыкание удаляется сразу для стопки кремниевых пластин. Результат этой процедуры во многом зависит от времени обработки, химического состава, площади поверхности элементов и многих других факторов.

При создании металлизированной сетки с лицевой стороны пластин представляет собой сложную задачу. С одной стороны минимум оптических потерь достигается, если линии сетки тонкие и расположены на существенном расстоянии друг от друга. Если сделать сетку больше, то часть зарядов не будет достигать контакта и будут теряться вхолостую. С другой стороны, если полосы сетки будут слишком тонкими, то пространства для поглощения света будет много.

Но тонкие линии не могут проводить большой ток. Поэтому ищется «золота середина». Есть стандартизированные значения размеров линий и расстояния между ними для различных металлов. Технология металлизация основана на трафаретном печатании. В качестве материала чаще всего используется паста с содержанием серебра. Благодаря её использованию КПД пластин может быть увеличен до 15 процентов.

Теперь, давайте, рассмотрим производство солнечных батарей на этапе сборки их из полученных фотоэлементов.

Производство солнечных батарей

Производство солнечных батарей можно разделить на следующие основные этапы:

• Тестирование. На этом этапе проводится замер электрических характеристик. Для этого используются вспышки мощных ксеноновых ламп. На основании результатов испытаний фотоэлементы сортируют и направляют на следующую стадию производства;
• На второй стадии производства выполняется пайка элементов в секции. Из них формируются секции на стеклянной подложке. Собранные секции переносятся на стекло с помощью вакуумных захватов. Это обязательное требование для исключения механического или иного воздействия на поверхность пластин. Блоки обычно включают в себя 4─6 секций. Секции, в свою очередь, состоят из 9─10 фотоэлектрических панелей;
• Следующий этап производства – ламинирование. Соединённые с помощью пайки блоки фотоэлементов ламинируют при помощи этиленвинилацетатной плёнки. А также наносится специальное защитное покрытие. Все это делается на оборудовании с ЧПУ. Компьютер следит за такими характеристиками, как давление, температура и др. В зависимости от используемого материала, параметры ламинирования можно изменять;
• И завершающий этап заключается в изготовлении рамки из алюминиевого профиля и специальной соединительной коробки. Чтобы обеспечить надёжность соединения применяют клей-герметик. На этом же этапе производства проводится тестирование солнечных батарей. При этом измеряются токи короткого замыкания, выдаваемые напряжение (рабочее и холостого хода), сила тока.

Используемое оборудование

Солидные производители используют при производстве солнечных батарей современное оборудование с программным управлением. Такой подход обеспечивает минимальную погрешность и разброс параметров собираемых солнечных батарей. Кроме того, компьютерное оборудование позволяет проводить более точное и полное тестирование. В результате уменьшается количество брака и увеличивается срок службы батарей.

Оборудование для производства солнечных батарей

• Столы для перемещения сборок. На этих столах выполняется обрезка, укладка элементов, присоединение соединительной коробки и так далее. Подобные столы имеют неметаллические шарики на поверхности столешницы. Это даёт возможность легко перемещать сборки и не повреждать элементы;
• Ламинатор. Это оборудование используется для ламинации и все параметры настраиваются в специальном программном обеспечении для автоматической работы. Хотя возможен и ручной режим работы;
• Инструмент для резки ячеек. Резка выполняется с помощью волоконного лазера. Параметры также задаются программным путём;
• Оборудование для чистки стеклянных подложек. Процедура проходит в несколько этапов. Сначала используются нейлоновые щётки и моющее средство. Затем проводится поэтапное полоскание деионизированной водой. После этого проводится сушка горячим и холодным воздухом.

Крупные производители солнечных батарей

Производство солнечных панелей и готовых гелиосистем является прибыльным и перспективным делом. Число приобретаемых батарей растёт из года в год. В результате имеется постоянный рынок сбыта, на который обращают внимание многие крупные производители.

В первую очередь этот рынок осваивают фирмы из Китая. Низкой стоимостью они выдавливают с рынка все остальные компании. Так, из-за китайской экспансии были вынуждены свернуть производство четыре немецкие компании среднего размера, а также один американский производитель. Работы в этом направлении закрыли Сименс и Бош. Результат закономерен, поскольку солнечные батареи, сделанные в Китае, стоят в два раза европейской и американской продукции.

Производители солнечных батарей

• Yingli Green Energy. Ежегодно компания выпускает солнечных батарей общей мощностью 2 гигаватта. Они выпускают батареи из монокристаллических и поликристаллических элементов;
• First Solar. Они были вынуждены закрыть предприятие в Германии, но всё равно являются одними из самых крупных в мире. Выпускают панелей в год общей мощностью 3,5 гигаватт;
• Suntech Power Ко. Это китайский гигант, производящий продукции на 1,8 гигаватт. Их производственные мощности находятся в восьмидесяти странах мира.

Солнечные батареи российского производства выпускают следующие компании:

• ООО «Хевел» (Новочебоксарск);
• «Телеком-СТВ» (Зеленоград);
• ЗАО «Термотрон-завод»;
• ОАО «Рязанский завод металлокерамических приборов» (Рязань).

Источник