Saulės baterijų tipai: lyginamoji dizaino apžvalga ir patarimai renkantis plokštes

Alternatyvi energetika Europoje vystosi maksimaliai, o tai rodo savo žadą rezultatais.Atsiranda naujų tipų saulės baterijų ir didėja jų efektyvumas.

Jei norite užtikrinti pramoninio pastato ar gyvenamųjų patalpų eksploatavimą naudojant saulės energiją, pirmiausia turite sužinoti apie įrangos skirtumus ir suprasti, kokios saulės baterijos yra tinkamos tam tikro regiono klimato sąlygoms.

Mes padėsime jums išspręsti šią problemą. Straipsnyje aptariamas fotoelektrinių keitiklių veikimo principas ir pateikiama įvairių saulės elementų tipų apžvalga, nurodant jų charakteristikas, privalumus ir trūkumus. Susipažinę su medžiaga, galėsite tinkamai pasirinkti efektyvią saulės sistemą.

Saulės baterijų veikimo principas

Didžioji dauguma saulės baterijų fizine prasme yra fotovoltiniai keitikliai. Elektros generavimo efektas atsiranda puslaidininkio p-n sandūros vietoje.

Būtent silicio plokštelės sudaro saulės kolektorių kainos pagrindą, tačiau naudojant jas kaip visą parą veikiančią elektros energijos šaltinį, teks papildomai pirkti brangias baterijas.

Skydas susideda iš dviejų skirtingų savybių turinčių silicio plokštelių. Šviesos įtakoje vienam iš jų atsiranda elektronų trūkumas, o kitam – jų perteklius.Kiekvienoje plokštėje yra varinių laidų juostos, kurios yra prijungtos prie įtampos keitiklių.

Pramoninė saulės baterija susideda iš kelių laminuotų fotovoltinių elementų, sujungtų ir sumontuotų ant lankstaus arba standaus pagrindo.

Įrangos efektyvumas labai priklauso nuo silicio grynumo ir jo kristalų orientacijos. Būtent šiuos parametrus inžinieriai bandė tobulinti per pastaruosius dešimtmečius. Pagrindinė problema yra didelė procesų, kuriais grindžiamas silicio gryninimas ir kristalų išdėstymas viena kryptimi visoje plokštėje, kaina.

Kiekvienais metais didžiausias įvairių saulės baterijų efektyvumas kinta aukštyn, nes milijardai dolerių investuojami į naujų fotovoltinių medžiagų tyrimus (+)

Fotoelektrinių keitiklių puslaidininkiai gali būti gaminami ne tik iš silicio, bet ir iš kitų medžiagų - akumuliatoriaus veikimo principas tai nesikeičia.

Fotoelektrinių keitiklių tipai

Pramoninės saulės baterijos skirstomos pagal jų konstrukcines ypatybes ir darbinio fotovoltinio sluoksnio tipą.

Atsižvelgiant į įrenginio tipą, yra šių tipų baterijos:

• lanksčios plokštės;
• standūs moduliai.

Lanksčios plonasluoksnės plokštės pamažu užima vis didesnę nišą rinkoje dėl savo tvirtinimo universalumo, nes jas galima montuoti ant daugumos įvairių architektūrinių formų paviršių.

Faktinės saulės baterijų charakteristikos dažniausiai yra mažesnės nei nurodytos instrukcijose. Todėl prieš įrengiant juos namuose, patartina patiems pamatyti panašų užbaigtą projektą.

Pagal darbinio fotovoltinio sluoksnio tipą saulės baterijos skirstomos į šiuos tipus:

1. Silicis: monokristalinis, polikristalinis, amorfinis.
2. Telūras-kadmis.
3. Indžio-vario-galio selenido pagrindu.
4. Polimeras.
5. Ekologiškas.
6. Galio arsenido pagrindu.
7. Kombinuotas ir daugiasluoksnis.

Paprastam vartotojui įdomios ne visų tipų saulės baterijos, o tik pirmieji du kristaliniai potipiai.

Nors kai kurių kitų tipų plokštės pasižymi dideliu efektyvumu, jos nėra plačiai naudojamos dėl didelės kainos.

Silicio fotovoltiniai elementai yra gana jautrūs šilumai. Bazinė elektros energijos gamybos matavimo temperatūra yra 25°C. Jam padidėjus vienu laipsniu, plokščių efektyvumas sumažėja 0,45-0,5%.

Toliau bus išsamiai aptariamos saulės baterijos, kurios labiausiai domina vartotoją.

Silicio pagrindo plokščių charakteristikos

Silicis saulės elementams gaminamas iš kvarco miltelių – sumaltų kvarco kristalų. Turtingiausi žaliavų telkiniai yra Vakarų Sibire ir Vidurio Urale, todėl šios saulės energijos srities perspektyvos yra beveik neribotos.

Net ir dabar kristalinio ir amorfinio silicio plokštės jau užima daugiau nei 80% rinkos. Todėl verta juos išsamiau apsvarstyti.

Monokristalinės silicio plokštės

Šiuolaikinės monokristalinės silicio plokštelės (mono-Si) turi vienodą tamsiai mėlyną viso paviršiaus spalvą. Jų gamybai naudojamas gryniausias silicis. Monokristaliniai saulės elementai turi aukščiausią kainą tarp visų silicio plokštelių, tačiau taip pat užtikrina geriausią efektyvumą.

Didelės monokristalinės saulės baterijos su besisukančiais mechanizmais puikiai dera dykumos peizažuose. Yra sąlygos maksimaliam produktyvumui

Didelės gamybos sąnaudos atsiranda dėl to, kad sunku visus silicio kristalus orientuoti ta pačia kryptimi. Dėl šių fizinių darbinio sluoksnio savybių maksimalus efektyvumas užtikrinamas tik tada, kai saulės spinduliai yra statmenai plokštės paviršiui.

Monokristalinėms baterijoms reikalinga papildoma įranga, kuri dienos metu automatiškai jas sukasi, kad plokščių plokštuma būtų kuo statmenesnė saulės spinduliams.

Silicio sluoksniai su vienpusiais kristalais yra išpjauti iš cilindrinio metalo bloko, todėl baigti fotovoltiniai blokeliai atrodo kaip kampuose suapvalintas kvadratas.

Monokristalinio silicio baterijų pranašumai yra šie:

1. Didelis efektyvumas kurių vertė 17-25%.
2. Kompaktiškumas - mažesnis įrangos plotas vienam galios vienetui, palyginti su polikristalinio silicio plokštėmis.
3. Patvarumas — užtikrinamas pakankamas elektros energijos gamybos efektyvumas iki 25 metų.

Tokios baterijos turi tik du trūkumus:

1. Auksta kaina ir ilgalaikis atsipirkimas.
2. Jautrumas taršai. Dulkės išsklaido šviesą, todėl jomis padengtų saulės baterijų efektyvumas smarkiai sumažėja.

Dėl tiesioginių saulės spindulių poreikio, monokristalinis montuojamos saulės baterijos daugiausia atvirose vietose arba aukštyje. Kuo vietovė arčiau pusiaujo ir kuo daugiau saulėtų dienų, tuo geriau įrengti šio tipo fotovoltinius elementus.

Polikristaliniai saulės elementai

Polikristalinio silicio plokštės (multi-Si) turi mėlyną spalvą, kurios intensyvumas yra nevienodas dėl skirtingos kristalų orientacijos. Jų gamyboje naudojamo silicio grynumas yra šiek tiek mažesnis nei monokristalinių analogų.

Daugiakrypčiai kristalai užtikrina didelį efektyvumą išsklaidytoje šviesoje – 12-18%.Jis yra mažesnis nei vienakrypčiuose kristaluose, tačiau debesuoto oro sąlygomis tokios plokštės yra efektyvesnės.

Dėl medžiagos heterogeniškumo taip pat sumažėja silicio gamybos sąnaudos. Išvalytas polikristalinėms saulės baterijoms skirtas metalas be jokių ypatingų gudrybių pilamas į formas.

Gamyboje kristalams formuoti naudojama speciali technika, tačiau jų kryptingumas nekontroliuojamas. Po aušinimo silicis supjaustomas sluoksniais ir apdorojamas pagal specialų algoritmą.

Polikristalinės plokštės nereikalauja nuolatinės orientacijos į saulę, todėl jų išdėstymui aktyviai naudojami namų ir pramoninių pastatų stogai.

Dieną, esant nedideliems debesims, saulės baterijų, pagamintų iš amorfinio silicio, pranašumai nebus pastebimi, jų pranašumai atsiskleidžia tik po tankiais debesimis arba pavėsyje (+)

Saulės elementų su daugiakrypčiais kristalais pranašumai yra šie:

1. Didelis efektyvumas išsklaidytos šviesos sąlygomis.
2. Galimybė montuoti nuolat ant pastatų stogų.
3. Žemesnė kaina palyginti su monokristalinėmis plokštėmis.
4. Operacijos trukmė — efektyvumo kritimas po 20 eksploatavimo metų yra tik 15-20%.

Polikristalinės plokštės taip pat turi trūkumų:

1. Sumažintas efektyvumas kurių vertė 12-18%.
2. Santykinis tūringumas — vienam galios vienetui reikia daugiau įrengimo vietos, palyginti su monokristaliniais analogais.

Polikristalinės saulės baterijos užima vis didesnę rinkos dalį tarp kitų silicio baterijų. Tai užtikrina plačios galimybės sumažinti jų gamybos savikainą.Tokių plokščių efektyvumas taip pat kasmet didėja ir masinės gamybos gaminiams sparčiai artėja prie 20%.

Amorfinės silicio saulės baterijos

Saulės kolektorių gamybos iš amorfinio silicio mechanizmas iš esmės skiriasi nuo kristalinių fotovoltinių elementų gamybos. Čia naudojamas ne grynas nemetalas, o jo hidridas, kurio karšti garai nusėda ant pagrindo.

Dėl šios technologijos nesusidaro klasikiniai kristalai, o gamybos sąnaudos smarkiai sumažėja.

Amorfinio silicio saulės elementai gali būti montuojami ant lankstaus polimerinio pagrindo arba standaus stiklo lakšto

Šiuo metu jau yra trys amorfinio silicio plokščių kartos, kurių kiekviena žymiai padidina efektyvumą. Jei pirmųjų fotovoltinių modulių efektyvumas siekė 4-5%, tai dabar rinkoje plačiai parduodami antros kartos modeliai, kurių efektyvumas siekė 8-9%.

Naujausių amorfinių plokščių efektyvumas siekia iki 12% ir jau pradeda pasirodyti prekyboje, tačiau jos vis dar gana brangios.

Dėl šios gamybos technologijos ypatumų galima sukurti silicio sluoksnį tiek ant standaus, tiek ant lankstaus pagrindo. Dėl šios priežasties amorfiniai silicio moduliai aktyviai naudojami lanksčiuose plonasluoksniuose saulės moduliuose. Tačiau variantai su elastine atrama yra daug brangesni.

Amorfinio silicio fizikinė ir cheminė struktūra leidžia maksimaliai sugerti silpnos išsklaidytos šviesos fotonus, kad būtų sukurta elektros energija. Todėl tokias plokštes patogu naudoti šiauriniuose regionuose, kuriuose yra dideli laisvi plotai.

Amorfinio silicio pagrindu pagamintų baterijų efektyvumas nesumažėja net esant aukštai temperatūrai, nors šiuo parametru jos yra prastesnės už galio arsenido plokštes.

Esant toms pačioms įrangos sąnaudoms, silicio hidrido saulės baterijos pasižymi didesniu našumu nei jų mono- ir polikristaliniai analogai (+).

Apibendrinant galime atkreipti dėmesį į šiuos amorfinių saulės baterijų privalumus:

1. Universalumas - galimybė gaminti lanksčias ir plonas plokštes, montuoti baterijas ant bet kokios architektūrinės formos.
2. Didelis efektyvumas išsklaidytoje šviesoje.
3. Stabilus darbas esant aukštai temperatūrai.
4. Dizaino paprastumas ir patikimumas. Tokios plokštės praktiškai nelūžta.
5. Išlaikyti našumą sudėtingomis sąlygomis — mažesnis efektyvumo sumažėjimas, kai paviršius dulkėtas, nei naudojant kristalinius analogus

Tokių fotovoltinių elementų tarnavimo laikas, pradedant nuo antros kartos, yra 20-25 metai, kai galia sumažėja 15-20%. Vieninteliai amorfinio silicio plokščių trūkumai – didesnių plotų poreikis, kad tilptų reikiamos galios įranga.

Įrenginių be silicio apžvalga

Kai kurių saulės baterijų, pagamintų naudojant retus ir brangius metalus, efektyvumas yra didesnis nei 30%. Jie yra kelis kartus brangesni nei silicio kolegos, bet vis tiek užima aukštųjų technologijų prekybos nišą dėl savo ypatingų savybių.

Retos metalinės saulės baterijos

Yra keletas retų metalų saulės baterijų tipų, ir ne visi jie yra efektyvesni už monokristalinio silicio modulius.

Tačiau galimybė veikti ekstremaliomis sąlygomis leidžia tokių saulės baterijų gamintojams gaminti konkurencingus produktus ir atlikti tolesnius tyrimus.

Kadmio telūrido plokštės aktyviai naudojamos pastatų apkalimui pusiaujo ir Arabijos šalyse, kur jų paviršius dieną įkaista iki 70-80 laipsnių

Pagrindiniai lydiniai, naudojami fotovoltinių elementų gamybai, yra kadmio teluridas (CdTe), indžio vario ir galio selenidas (CIGS) ir vario indžio selenidas (CIS).

Kadmis yra nuodingas metalas, o indis, galis ir telūras yra gana reti ir brangūs, todėl masinė saulės baterijų gamyba jų pagrindu yra net teoriškai neįmanoma.

Tokių plokščių efektyvumas siekia 25-35%, nors išskirtiniais atvejais gali siekti iki 40%. Anksčiau jie buvo naudojami daugiausia kosmoso pramonėje, tačiau dabar atsirado nauja perspektyvi kryptis.

Dėl stabilaus fotoelementų iš retųjų metalų veikimo 130-150°C temperatūroje jie naudojami saulės šiluminėse elektrinėse. Šiuo atveju saulės spinduliai iš dešimčių ar šimtų veidrodžių sukoncentruojami ant nedidelės plokštės, kuri vienu metu gamina elektros energiją ir užtikrina šiluminės energijos perdavimą vandens šilumokaičiui.

Šildant vandenį susidaro garai, dėl kurių turbina sukasi ir generuoja elektrą. Tokiu būdu saulės energija vienu metu paverčiama elektros energija dviem būdais ir maksimaliai efektyviai.

Polimerai ir organiniai analogai

Fotovoltiniai moduliai organinių ir polimerinių junginių pagrindu pradėti kurti tik pastarąjį dešimtmetį, tačiau mokslininkai jau padarė didelę pažangą.Europos bendrovė demonstruoja didžiausią pažangą Heliatek, kuri jau įrengė keletą daugiaaukščių pastatų su organinėmis saulės baterijomis.

Jo ritininės plėvelės struktūros storis yra HeliaFilm yra tik 1 mm.

Gaminant polimerines plokštes naudojamos tokios medžiagos kaip anglies fullerenai, vario ftalocianinas, polifenilenas ir kt. Tokių fotovoltinių elementų efektyvumas jau siekia 14-15%, o gamybos savikaina kelis kartus mažesnė nei kristalinių saulės baterijų.

Aktuali yra organinio darbinio sluoksnio skilimo laiko problema. Kol kas patikimai patvirtinti jo efektyvumo lygį po kelerių metų veikimo neįmanoma.

Organinių saulės baterijų privalumai yra šie:

• aplinkai saugaus šalinimo galimybė;
• mažos gamybos sąnaudos;
• lankstus dizainas.

Tokių fotovoltinių elementų trūkumai yra palyginti mažas efektyvumas ir patikimos informacijos apie plokščių stabilaus veikimo laikotarpius trūkumas. Gali būti, kad po 5-10 metų išnyks visi organinių saulės elementų trūkumai, o jie taps rimtais konkurentais silicio plokštelėms.

Kurią saulės bateriją pasirinkti?

Saulės baterijų pasirinkimas kaimo namams 45-60° platumoje nėra sunkus. Čia verta apsvarstyti tik du variantus: polikristalinės ir monokristalinės silicio plokštės.

Jei trūksta vietos, geriau teikti pirmenybę efektyvesniems modeliams su vienpuse kristalų orientacija, jei yra neribotas plotas, rekomenduojama įsigyti polikristalines baterijas.

Nereikėtų pasikliauti analitinių kompanijų prognozėmis dėl saulės baterijų rinkos plėtros, nes geriausi jų pavyzdžiai galbūt dar nebuvo sugalvoti

Geriau pasirinkti konkretų gamintoją, reikiamą galią ir papildomą įrangą, dalyvaujant įmonių, užsiimančių tokios įrangos pardavimu ir montavimu, vadovams. Turėtumėte žinoti, kad didžiausių gamintojų fotovoltinių modulių kokybė ir kaina mažai skiriasi.

Reikėtų atsižvelgti į tai, kad užsakant galutinį įrangos komplektą, pačių saulės baterijų kaina bus tik 30-40% visos sumos. Tokių projektų atsipirkimo laikotarpis yra 5-10 metų ir priklauso nuo energijos suvartojimo lygio ir galimybės parduoti elektros perteklių miesto tinklams.

Kai kurie meistrai nori surinkti saulės baterijas savo rankomis. Mūsų svetainėje yra straipsnių su išsamiu tokių plokščių gamybos technologijos aprašymu, jų prijungimu ir saulės šildymo sistemų išdėstymu.

Patariame perskaityti:

1. Kaip savo rankomis pasidaryti saulės bateriją: savarankiško surinkimo instrukcijos
2. Saulės šildymo sistemos: saulės sistemomis pagrįstų šildymo technologijų analizė
3. Saulės kolektorių pajungimo schema: prie valdiklio, prie akumuliatoriaus ir aptarnaujamų sistemų

Išvados ir naudingas vaizdo įrašas šia tema

Pateiktuose vaizdo įrašuose parodytas įvairių saulės baterijų veikimas realiomis sąlygomis. Jie taip pat padės suprasti susijusios įrangos pasirinkimo klausimus.

Saulės kolektorių ir su jais susijusios įrangos pasirinkimo taisyklės:

Saulės baterijų tipai:

Monokristalinių ir polikristalinių plokščių bandymai:

Gyventojams ir mažiems pramonės objektams šiuo metu nėra realios alternatyvos kristalinio silicio plokštėms.Tačiau naujų tipų saulės baterijų kūrimo tempai leidžia tikėtis, kad saulės energija netrukus taps pagrindiniu elektros energijos šaltiniu daugelyje kaimo namų.

Kviečiame visus, besidominčius saulės baterijų pasirinkimo ir naudojimo problematika, komentuoti, užduoti klausimus ir dalyvauti diskusijose. Kontaktinė forma yra apatiniame bloke.