Краткие сведения о ФЭП

Устройство солнечной батареи. Виды солнечных панелей

Состав и устройство солнечной батареи, ее элементов определяют эффективность выработки энергии готовым изделием. В настоящее время, для генерации электрической энергии используются солнечные панели на основе кремния (с-Si, mc-Si & кремниевые тонкопленочные батареи), теллурида кадмия CdTe, соединения медь-индий (галлий)-селен Cu(InGa)Se2, а также концентраторные батареи на основе арсенида галлия (GaAs). Ниже будут даны краткие описания каждой из них.

Солнечные батареи на основе кремния

Солнечные батареи (СБ) на основе кремния составляют на сегодняшний день порядка 85% всех выпускаемых солнечных панелей. Исторически это обусловлено тем, что при производстве СБ на основе кремния использовался обширный технологический задел и инфраструктура микроэлектронной промышленности, основной "рабочей лошадкой" которой также является кремний. В результате, многие ключевые технологии микроэлектронной промышленности такие как выращивания кремния, нанесения покрытий, легирования, удалось адаптировать для производства кремниевых батарей с минимальными изменениями и инвестициями. Кроме того, кремний - один из самых распространенных элементов земной коры и составляет по разным данным 27-29% по массе. Таким образом, нет никаких физических ограничений для производства значительной доли электроэнергии Земли с имеющимися запасами кремния (Si).

Различают два основных типа кремниевых СБ - на основе монокристаллического кремния (crystalline-Si, c-Si) и на основе мультикристаллического (multicrystalline-Si, mc-Si) или поликристаллического. В первом случае используется высококачественный (и, соответственно, более дорогой) кремний выращенный по методу Чохральского, который является стандартным методом для получения кремниевых пластин-заготовок для производства микропроцессоров и микросхем. Эффективность СБ изготовленных из монокристаллического кремния составляет обычно 19-22%. Не так давно, фирма Panasonic заявила о начале промышленного выпуска СБ с эффективностью 24,5% (что вплотную приближается к максимально возможному теоретически значению ~30%).

Во втором случае для производства СБ используется более дешевый кремний произведенный по методу направленной кристаллизации в тигле (block-cast), специально разработанного для производства СБ. Получаемые в результате кремниевые пластины состоят из множества мелких разнонаправленных кристаллитов (типичные размеры 1-10мм) разделенных границами зерен. Подобные дефекты кристаллической структуры приводят к снижению эффективности - типичные значения эффективности СБ из mc-Si составляют 14-18%. Снижение эффективности данных СБ компенсируется их меньшей ценой, так что цена за один ватт произведенной электроэнергии оказывается примерно одинаковой для солнечных панелей как на основе c-Si так и mc-Si.

Тонкопленочные солнечные панели

Возникает вопрос - зачем разрабатывать другие типы модулей, если солнечные панели на основе моно- и поликристаллического кремния уже созданы и показывают неплохие результаты? Очевидный ответ - чтобы добиться еще большего снижения стоимости и улучшения технологичности и эффективности, по сравнению с обычными c-Si и mc-Si солнечными батареями.

Дело в том, что обычные кремниевые фотоэлектрические модули наряду с преимуществами, перечисленными выше, обладают и рядом недостатков. Кремний из-за своих особых электрофизических свойств (непрямозонный полупроводник) обладает довольно низким коэффициентом поглощения, особенно в области инфракрасных длин волн. Таким образом, толщина кремниевой пластины для эффективного поглощения солнечного излучения должна составлять довольно внушительные 100-300 мкм. Более толстые пластины означают больший расход материала, что ведет к удорожанию СБ.

В то же время, прямозонные полупроводники на вроде GaAs, CdTe, Cu(InGa)Se2, и даже некоторые модифицированные формы Si, способны поглощать требуемое количество солнечной энергии при толщине всего в несколько микрон. Открывается заманчивая перспектива сэкономить на расходных материалах, а также на электроэнергии, которой требуется значительно меньше для изготовления более тонкого слоя полупроводника. Еще одной положительной чертой СБ на основе вышеназванных полупроводников - в отличие от СБ на основе c-Si и mc-Si- является их способность не снижать эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую даже в условиях рассеянного излучения (облачный день или в тени).

Исследования СБ на основе теллурида кадмия (CdTe) начались еще в 1970-х годах ввиду их потенциального использования в качестве перспективных для космических аппаратов. А первое широкое применение "на земле" подобные СБ нашли в качестве элементов питания карманных микрокалькуляторов.

Данные элементы представляют собой гетероструктуру из тонких слоев p-CdTe / n-CdS (суммарная толщина 2-8 мкм) напыленных на стеклянную подложку (основу). Эффективность современных фотоэлектрических элементов данного типа равняется 15-17%. Основным (и фактически единственным) производителем СБ на основе теллурида кадмия является американская фирма FirstSolar, которая занимает 4-5% всего рынка.

К сожалению, есть проблемы с обоими элементами входящими в состав соединения CdTe. Кадмий - это экологически вредный тяжелый металл, который требует особых методов обращения и ставит сложный вопрос утилизации старых изделий. В виду этого, законодательство многих стран ограничивает свободную продажу гражданам СБ этого типа (строятся только масштабных солнечных электростанций под гарантии утилизации от фирмы производителя). Второй элемент - теллур, довольно редко встречается в земной коре. Уже в настоящее время более половины всего добываемого теллура идет на изготовление солнечных панелей, а перспективы нарастить добычу - довольно призрачны.

Солнечные батареи на основе соединения медь-индий (галлий)-селен Cu(InGa)Se2 (иногда обозначаются как CIGS) являются новичками на рынке солнечной энергетики. Несмотря на то, что начало исследований элементов этого типа было положено еще в середине 70-х, в настоящее время коммерческий выпуск в более-менее солидных масштабах ведет всего лишь фирма Solar Frontier KKиз Японии. Отчасти это связано с технически сложным и дорогим процессом изготовления, хотя в некоторых (удачных!) случаях их эффективность может достигать 20%.

Несмотря на отсутствие экологически вредных элементов в составе этого соединения, значительному расширению производства данных солнечных модулей в будущем угрожает дефицит индия. Ведутся исследования с целью заменить дорогой In на более дешевые элементы и может быть скоро появятся новые изделия на основе соединения Cu2ZnSn(S,Se)4.

Фотоэлектрические модули на основе аморфного кремния a-Si:H.

Тонкопленочные солнечные батареи могут быть построены также и на основе хорошо известного кремния, если удастся каким-либо образом улучшить его способности к поглощению солнечного света. Применяются две основные методики:

- увеличить путь прохождения фотонов посредством многократного внутреннего переотражения;

- использовать аморфный кремний (a-Si), обладающий гораздо большим коэффициентом поглощения чем обычный кристаллический кремний (с-Si).

По первому пути пошла австралийская фирма CSG Solar Ltd, разработавшая СБ с эффективностью 10-13% при толщине слоя кремния всего 1,5 мкм. По второму - швейцарская Oerlikon Solar (которую сейчас перекупили японцы), создавшая комбинированные солнечные панели на основе слоев аморфного и кристаллического кремния a-Si / с-Si эффективность которых также составляет 11-13%. Своеобразной особенностью СБ из аморфного кремния является снижение эффективности их работы при понижении температуры окружающего воздуха (у всех остальных - наоборот). Так, фирма производитель рекомендует устанавливать данные модули в странах с жарким климатом.

Концентраторные солнечные модули.

Наиболее совершенные и самые дорогие на сегодняшний день солнечные модули обладают эффективностью фотоэлектрического преобразования до 44%. Они представляют собой многослойные структуры из разных полупроводников последовательно выращенных друг на друге слой за слоем. Наиболее успешной является структура состоящая из трех слоев: Ge (нижний полупроводник и подложка), GaAsи GaInP. Благодаря тому, что в подобной комбинации каждый отдельный полупроводниковый слой поглощает наиболее эффективно свой определенный диапазон солнечного спектра (определяемый шириной запрещенной зоны полупроводника), достигается наиболее полное поглощение солнечного света во всем диапазоне длин волн, недостижимое для СБ состоящих из одного типа полупроводника. К сожалению, процесс изготовления подобных многослойных полупроводниковых слоев очень сложен технически и, как следствие, весьма дорог.

Если солнечные батареи стоят очень дорого, фокусировка солнечного излучения на меньшей площади СБ может применяться как эффективный способ снижения финансовых затрат. Например, собрав при помощи линзы солнечный свет с 10 см2 и сфокусировав его на 1 см2 солнечной батареи, можно получить тоже количество электроэнергии, что и от элемента площадью 10 см2 без концентратора, но экономя при этом целых 90% площади! Но при этом, набор подобных ячеек (солнечная батарея + линза) должен быть смонтирован на подвижной механической системе (трекере), которая будет ориентировать оптику в направлении солнца в то время как оно движется по небу в течении дня, что увеличивает стоимость системы.

В настоящее время экономически оправдано использовать подобные дорогие концентраторные солнечные модули только в тех странах и регионах земного шара, где круглый год имеется в достатке прямое солнечное излучение (рассеянное излучение не может быть сфокусировано линзой). Так, французская фирма-производитель концентраторных СБ SOITEC устанавливает свои СБ в Калифорнии, ЮАР, на юге Франции (Прованс), в Испании.

Органические солнечные батареи и модули фотосенсибилизованные красителем

Есть новый тип тонкопленочных солнечных батарей, такой как сенсибилизированные красителем солнечные элементы, которые работают на совершенно ином принципе, чем все модули рассмотренные выше, на принципе больше напоминающем фотосинтез у растений. Но их пока нет в коммерческой продаже.

Номинальная мощность солнечной батареи. Что нужно и важно знать?

Для сравнения различных моделей фотоэлектрических модулей между собой и с изделиями других производителей используется параметр номинальной мощности солнечной батареи, например 280 Ватт.

Это означает, что солнечный модуль будет вырабатывать не менее 280 Ватт, в солнечный день при соблюдении определённых условий:

  • Освещенность не менее 1000 Ватт *м2 (а это достижимо только на экваторе, где солнечный поток перпендикулярен поверхности земли);
  • Ориентация строго на Юг и под углом, соответствующим азимуту;
  • Окружающая температура воздуха 25°С;
  • Отсутствие затенений

и другие менее значительные.

Каждое, из условий эксплуатации, влияющих на работу и вырабатываемую мощность солнечной батареи, стоит разобрать подробнее, но это мы сделаем позднее в разделе практических советов.

Если нет разницы, зачем платить больше? Разница между монокристаллическими и поли- (мульти)кристаллическими модулями

Солнечные батареи являются неотъемлемым элементом альтернативного направления развития энергетики под названием фотовольтаика, термина, под которым понимают получение электричества из солнечного света. В последнее время все чаще приходится слышать достаточно жаркие споры по поводу того, какой же тип солнечных панелей лучше: монокристаллические, поликристаллические, или, чем черт ни шутит, из аморфного кремния? Что ж, попробуем разобраться.

Для начала стоит уяснить, что к какому бы типу солнечные панели ни относились, изготовлены они из одного и того же материала - кремния. По большому счету фотовольтаика просто обречена на успех и интенсивное развитие, поскольку опирается на богатейшую ресурсную базу. Так уж получилось, что кремний является вторым по распространенности элементом в земной коре после кислорода. Стоит сказать, что фотовольтаика оправдывает возложенные на нее ожидания. Если в 1985 году все солнечные батареи мира суммарно выработали немногим более 20 мегаватт электроэнергии, то в 2010-м уже без малого 40 тысяч мегаватт!

Однако прежде чем кремний станет солнечной батареей, ему необходимо пройти через ряд технологических процедур. Для начала исходное сырье очищают от примесей (до содержания массовой доли кремния в единице объема в 99,99 процента), а затем расплавляют в специальных печах. Затем события могут развиваться по двум сценариям.

В первом случае кремниевую пластину выращивают вокруг одного базового монокристалла, добиваясь, таким образом, идеально ориентированной кристаллической решетки. Во втором - формирование происходит сразу вокруг нескольких базовых кристаллов. Строго говоря, поликристалл - это множество произвольно ориентированных по отношению друг к другу монокристаллов. По большому счету на этом технологические отличия и заканчиваются. Из-за чего тогда весь сыр-бор?

Из-за коэффициента полезного действия. Благодаря более гармоничной структуре монокристаллический кремний обладает немного большим по сравнению с поликристаллическим кремнием КПД. То есть, при одинаковой мощности солнечная батарея из моно-кремния будет иметь на несколько процентов меньшую площадь, чем панель, изготовленная из поликристаллического материала. Правда, этим преимущества и исчерпываются. Однако господа маркетологи успели возвести пресловутый КПД в абсолют, преподнося мизерный выигрыш в производительности, как величайшее достижение человеческой цивилизации.

Между тем, если вдуматься, монокристаллический кремний дороже в производстве. Прежде чем он станет солнечной батареей ему необходимо придать правильную форму и только потом нарезать на тонкие пластины. Технология производства поликристаллического кремния появилась сравнительно недавно, она проще, совершеннее и дешевле. Достаточно сказать, что в силу производственных особенностей базовый поликристалл удается создать гораздо большего, чем монокристалл размера, причем уже сразу правильной, прямоугольной формы. Таким образом, из технологического процесса производства солнечной батареи изымается как минимум одна процедура, что благотворно отражается на цене конечного продукта.

Небольшая разница в КПД? Как мы уже говорили, она с успехом компенсируется незначительным увеличением площади поликристаллического солнечного модуля. Если кто вдруг запамятовал, Российская Федерация обладает крупнейшей в мире территорией и дефицит свободного пространства, как на земле, так и на крышах различного рода сооружений в ближайшие десятилетия нам точно не грозит. В свете всего вышесказанного небольшая прибавка в габаритах солнечной батареи не представляется сколько-нибудь серьезной проблемой.

Какие солнечные батареи лучше - большие или средние?

С точки зрения надежности пример:

Повреждение или выход из строя одной солнечной батареи 300 ватт - вы теряете 300 ватт мощности. Если бы у вас было вместо нее 3 солнечные батареи по 100 ватт и одна из них вышла из строя, то вы потеряете только 100 ватт мощности.

С точки зрения монтажа - чем больше солнечные батареи, тем их легче прикреплять к стене или к крыше. Для малых и средних солнечных станций это не критично, для больших - имеет значение.

Вывод - для частных домов оптимально брать 100 или 150 или 200 ваттные солнечные батареи. Для промышленных объектов оптимально брать 250-300-350 ваттные солнечные батареи.

Солнечные электростанции для дома (дачи) вырабатывают энергию на протяжении всего светового дня. Несмотря на относительно небольшую мощность одной солнечной батареи (для примера, 135-250 Вт при ярком солнце и 50-80 Вт при густой облачности), она работает непрерывно и продолжительное время. Тут же отметим, - солнечные батареи, по мере развития технологий, прибавляют в мощности на единицу площади. И сегодня мощность одной батареи может составлять 300 Вт и более.

Когда использование солнечной электростанции целесообразно?

Попытаемся очертить круг основных проблем, при решении которых могут быть использованы солнечные электростанции:

  • Электрическая сеть отсутствует.
  • Электроснабжение от сети плохого качества или недостаточной мощности.
  • По какой-либо причине цена электричества получаемого из сети слишком высока или существует возможность продажи собственной электроэнергии в сеть по разумной цене.
  • Сеть есть, но необходим второй источник энергии для питания потребителей высокого класса.
  • Необходим возобновляемый, экологически чистый, источник энергии.

Если вопрос о целесообразности собственной генерации не стоит, далее следует правильно оценить существующее энергопотребление, а также максимальную мгновенную мощность имеющихся потребителей. Эти данные можно рассчитать, зная мощности электроприборов и соответствующие коэффициенты спроса.

Зная существующее энергопотребление, крайне важно будет подумать об оптимизации расхода электричества. Здесь, как при постройке дома, чем тратить огромные деньги на отопление здания, лучше на этапе строительства сделать хорошую теплоизоляцию. Конечно, мы не можем отказаться от наших любимых электроприборов, таких, как холодильник и телевизор, однако было бы полезно заменить старый холодильник или стиральную машину на современное изделие с высоким, "А+" классом энергопотребления. Что касается электроплиты, то от нее лучше вообще отказаться в пользу газовой, работающей, допустим, от баллонного газа. Так или иначе, необходимо постараться перевести всю нагревательную часть на работу от топлива, это может быть магистральный газ, газгольдер, дизельное или твердое топливо.

Отопление дома солнечными батареями. Что нужно знать?

Основная проблема заключается в том, что на всей территории России среднее солнечное излучение в зимний период, когда и необходимо отопление, в разы ниже летного.

При этом, чем севернее находится здание, тем выше потребность в отоплении и тем ниже "зимняя" инсоляция. При недостаточной солнечной активности становится нецелесообразно использовать для отопления солнечные батареи, КПД которых не превышает 20%. Даже в паре с тепловым насосом за минусом потерь энергии на преобразование постоянного напряжения в переменное получим суммарный КПД системы не более 80%, что не превосходит эффективности солнечного коллектора - устройства для прямого нагрева теплоносителя от солнечного излучения. Поэтому для отопления целесообразнее использовать солнечный коллектор.

И последнее.

Обеспечить круглогодичную устойчивую электрическую и тепловую генерацию для собственных нужд посредством использования только ФЭП конечно можно, но не рационально и довольно дорого. Поэтому мы настоятельно рекомендуем Вам при создании собственной автономной системы энерго- и тепло- снабжения использовать ФЭП, ветровую генерацию, солнечные коллектора и традиционные дизельные генераторы как резервные источники.


ООО "Энерготрейд МСК" © 2017 г.