Гибкие солнечные батареи: обзор типовых конструкций, их характеристик и особенностей подключения

TOPCon солнечные элементы

TOPCon означает Tunnel Oxide Passivated Contact и в настоящее время это наиболее продвинутая технология для солнечного элемента N-типа. Технология позволяет уменьшить рекомбинационные потери в переходе, что ведет к повышению эффективности. Вследствие различных причин, в солнечном элементе часть электронов рекомбинируется с дырками, что ведет к потерям тока. Ультратонкий слой TOPCon помогает уменьшить эти потери при минимальной цене в производстве. Впервые концепция TOPCon была предложена немецким институтом  Fraunhofer ISE в 2014 году, но до 2019 года она не получила значимого распространения. Только после того, как ее начали использовать такие крупные производители, как Trina Solar, JA Solar и Longi Solar, были получены в серийном производстве солнечные панели с КПД выше 22%.

Ссылки на использованные материалы

1. Top 10 Solar Panels – Latest Technology 2021
2. What are shingled solar panels?
3. pv-manufacturing.org

Эта статья прочитана 1320 раз(а)!

Преимущества и недостатки

Преимущества гибких солнечных панелей неоспоримы. Именно благодаря многочисленным достоинствам материал стал пользоваться спросом у потребителей.

Однако существует и ряд недостатков гибких панелей. Какие именно плюсы и минусы имеет материал, рассмотрим далее.

Плюсы

Тонкопленочные солнечные батареи имеют такие преимущества:

• маленький вес;
• простота транспортировки и монтажа;
• пропускает солнечные лучи, что позволяет фиксировать продукт даже на окнах;
• хорошая гибкость, благодаря чему монтировать устройства можно на любые основания и даже вшивать в одежду;
• повышенная прочность – материал не травмируется даже при механических воздействиях.

Минусы

Тонкопленочные солнечные батареи имеют такие недостатки:

• Высокая стоимость. Цена пластин в несколько раз превышает стоимость кристаллических материалов. Если цена находится на одном уровне, то пленочные батареи имеют низкую производительность, что делает их покупку нецелесообразной.
• Низкий коэффициент полезного действия. Одна пленка не сможет зарядить даже гаджет слабой мощности.
• Сильно нагревается. Это особенно заметно, когда на улице стоит жара в 300.

Метод вакуумирования

В принципе, использовать можно любые подходы, например, ионное распыление, но все методы имеют свои сложности, такие как образование пленки как на подложке, так и на внутренней поверхности камеры. Другая сложность связана с поставками индия, активно применяемого для изготовления плоскопанельных мониторов.

Хотя активно развиваются панели этого типа, их востребованность невелика и не превышает 2%.

Большую популярность завоевали пленки, в изготовлении которых используется кадмия теллурид, Их КПД 16% (против 18%). Большой популярностью пользуются батареи аморфно-кремниевое. Их КПД удалось увеличить до 10%.

Как выбрать систему подогрева бассейна?

Чтобы приобрести подходящее солнечное оборудование, необходимо корректно определить его мощность, а также общую площадь коллектора. Другие темы для размышлений — количество солнечных дней в тот период, когда будет использоваться бассейн, и потенциальный расход теплой воды для него.

Для того чтобы определить общую площадь солнечной батареи, понадобится:

учесть вид резервуара: закрытый или открытый бассейн; подобрать оптимальное место для установки нагревательной системы; выбрать тип солнечного коллектора, найти правильный угол наклона, его ориентированность; обратить внимание на особенности бассейна: на глубину, площадь, объем, тип укрывного материала, цвет покрытия резервуара; определить идеальные температурные значения для местности, необходимую интенсивность подачи подогретой воды

Для любого бассейна эти расчеты индивидуальны, однако есть и общие правила. При открытых искусственных водоемах площадь батарей должна составлять 70-100% от площади резервуара. Для закрытых конструкций — 50-70%.

Подогрев бассейна солнечными батареями – операция, зависящая от нескольких факторов. Если искусственный водоем предназначается для коммерческого использования, то идеальным вариантом станет покупка вакуумного оборудования: оно даст возможность круглогодичной работы бассейна. О полноценном подогреве с помощью одного солнечного оборудования мечтать не приходится, но такие гелиосистемы смогут компенсировать примерно 40% затрат.

Панельные водонагреватели рекомендуют приобретать, если чашу с водой хозяева планируют использовать только в период купального сезона. В этом случае результат будет достигнут, однако зимой эффективность этих устройств заметно падает.

Пирамидальные или гибкие солнечные коллекторы — хороший вариант для небольших бассейнов открытого типа. Если закрывать емкость на то время суток, когда купаться никто не собирается, то теплопотери можно сократить примерно в 2 раза.

Типы

Классификация промышленных панелей солнечных происходит по типу рабочего слоя и конструктивным особенностям. Различают панели жесткие и гибкие.

Последние занимают все более широкую нишу благодаря универсальной установке: он и легко устанавливаются на любые поверхности, в том числе на вертикальны – фасады зданий. При этом они совершенно не портят архитектуру, а напротив привносят в не некую изюминку.

По типу фотоэлектрического слоя их подразделяют на:

• кремниевые. К ним относятся поли — , монокристаллические и аморфные;
• теллурий-кадмиевые. Их собирают на основе индия, меди и галлия;
• полимерные;
• органические;
• с использованием арсенида галлия;
• комбинированные и многослойные.

Не все перечисленные виды интересны потребителю, а лишь кристаллические, несмотря на то, что их КПД ниже некоторых других (правда, более дорогих, отчего и менее распространенных).

Выбор и покупка

При выборе и приобретении гибких солнечных батарей следует обращать внимание на такие параметры:

• мощность и напряжение – это зависит от количества электроэнергии, потребляемой подключенным аппаратом;
• масса – для транспортировки следует приобретать легкие пластины, для использования в домашних условиях вес не имеет значения;
• материал – это параметр зависит от местности, в которой будет эксплуатироваться прибор.

Сколько нужно панелей зависит от того, какие приборы будут подключены к батареям и их количество.

Тонкопленочные солнечные батареи – материал, который удобно брать с собой в путешествие для зарядки гаджета или карманного фонарика. В домашних условиях пластины использовать нецелесообразно из-за низкого КПД.

Солнечные батареи – прочие важные характеристики

Среди прочих наиболее принципиальных параметров фотоэлектрических панелей выделяют следующие показатели.

1. Толеранс. 

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. 

3. Уровень деградации LID.

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.

Обзор бескремниевых устройств

Некоторые солнечные панели, изготовленные с применением редких и дорогостоящих металлов, имеют КПД более 30%. Они в разы дороже своих кремниевых аналогов, но всё-таки заняли высокотехнологичную торговую нишу, благодаря своим особенным характеристикам.

Солнечные панели из редких металлов

Существует несколько типов солнечных панелей из редких металлов, и не все они имеют КПД выше, чем у монокристаллических кремниевых модулей.

Однако способность работать в экстремальных условиях позволяет производителям таких солнечных панелей выпускать конкурентоспособную продукцию и проводить дальнейшие исследования.

Панели из теллурида кадмия активно используются при облицовке зданий в экваториальных и аравийских странах, где их поверхность нагревается днем до 70-80 градусов

Основными сплавами, применяемыми для изготовления фотоэлектрических элементов, являются теллурид кадмия (CdTe), селенид индия- меди-галлия (CIGS) и селенид индия-меди (CIS).

Кадмий – токсический металл, а индий, галлий и теллур являются довольно редкими и дорогостоящими, поэтому массовое производство солнечных панелей на их основе даже теоретически невозможно.

КПД таких панелей находится на уровне 25-35%, хотя в исключительных случаях может доходить до 40%. Ранее их применяли в основном в космической отрасли, а сейчас появилось новое перспективное направление.

Из-за стабильной работы фотоэлементов из редких металлов при температурах 130-150°C их используют в солнечных тепловых электростанциях. При этом лучи солнца от десятков или сотен зеркал концентрируются на небольшой панели, которая одновременно генерирует электроэнергию и обеспечивает передачу тепловой энергии водяному теплообменнику.

В результате нагрева воды образуется пар, который заставляет вращаться турбину и генерировать электроэнергию. Таким образом солнечная энергия преобразуется в электрическую одновременно двумя путями с максимальной эффективностью.

Полимерные и органические аналоги

Фотоэлектрические модули на основе органических и полимерных соединений начали разрабатывать только в последнем десятилетии, но исследователи уже добились значительных успехов. Наибольший прогресс демонстрирует европейская компания Heliatek, которая уже оснастила органическими солнечными панелями несколько высотных зданий.

Толщина её рулонной пленочной конструкции типа HeliaFilm составляет всего 1 мм.

При производстве полимерных панелей используются такие вещества, как углеродные фуллерены, фталоцианин меди, полифенилен и другие. КПД таких фотоэлементов уже достигает 14-15%, а стоимость производства в разы меньше, чем кристаллических солнечных панелей.

Остро стоит вопрос срока деградации органического рабочего слоя. Пока что достоверно подтвердить уровень его КПД через несколько лет эксплуатации не представляется возможным.

Преимуществами органических солнечных панелей являются:

• возможность экологически безопасной утилизации;
• дешевизна производства;
• гибкая конструкция.

К недостаткам таких фотоэлементов можно отнести относительно низкий КПД и отсутствие достоверной информации о сроках стабильной работы панелей. Возможно, что через 5-10 лет все минусы органических солнечных фотоэлементов исчезнут, и они станут серьезными конкурентами для кремниевых пластин.

Плёночные батареи на основе теллурида кадмия

Кадмий — это материал, который обладает высоким уровнем светопоглощения, открытый как материал для солнечных батарей в 70-х годах. На сегодняшний день, этот материал применяется уже не только в космосе, на околоземной орбите, но и активно используется в качестве материала для солнечных панелей обычного, домашнего пользования.

Самой главной проблемой в использовании такого материала является его ядовитость. Однако исследования говорят о том, что уровень кадмия. который уходит в атмосферу, слишком мал, чтобы наносить вред здоровью человека. Также, несмотря на низкий КПД в районе 10%, стоит единица мощности в таких батареях меньше, чем у аналогов.

Технические характеристики солнечной панели

Посмотреть их можно в инструкции на изделие. К техническим характеристикам гелиопанелей относится;

Пример характеристики солнечной панели

– Мощность солнечных панелей и размеры. Чем больше мощность, тем меньше стоимость на ватт. Для большой мощности выгоднее приобретать большие панели;

– Допустимые пределы отклонения по мощности или толеранс. Отклонение может быть положительным и отрицательным. Покажем на примере, толеранс 0 + 4 ватта;

– КПД солнечной панели. Конечно же, лучше приобретать панели с высоким КПД;

– Температурный коэффициент – это влияние температуры на такие параметры как мощность, напряжение и ток. Температурный коэффициент должен быть минимальным;

– Срок службы солнечных панелей. Отдельные производители дают 20 лет эксплуатации панелям с гарантией 5 лет. Правильная установка солнечных батарей может резко поднять эффективность. После 15 лет работы гелиопанели могут снизить производительность на 10%, а после службы в 30 лет на 20%. Хорошего качества панели могут работать в диапазоне температур -40 +90 °С.

Курьезы солнечной энергетики

В свете вышесказанного особенно забавными выглядят так называемые «обзоры», которые можно найти в youtube.

Автор сравнивает модули разных поколений. Моно — с 2 шинами, поли — с 3 шинами. При переходе от 2 к 3 шинам, также как и переходе к стандартным сейчас 4 токосъемным шинам, эффективность солнечных элементов растет на несколько процентов. Потому разница в мощности — не из-за типа кристалла, а из-за поколения и качества исполнения солнечных элементов. Тем более, что у торговой марки, которую «обозревает» автор, источник солнечных элементов неизвестен, и от партии к партии могут применяться элементы различных производителей.

Иногда на просторах интернета можно прочитать и такой «бред»:

Наиболее эффективны в пасмурную погоду кремниевые поликристаллические батареи, хорошо поглощающие не только прямое солнечное излучение, но и рассеянный свет, проникающий через облака. Связано это с тем, что в поликристаллических элементах кристаллы кремния ориентированы не упорядоченно, а хаотически, что, с одной стороны, снижает эффективность батареи при прямом падении солнечного излучения, а, с другой, снижает ее незначительно при характерном для пасмурной погоды рассеянном освещении.

Устройство гибких солнечных панелей

Преобразование энергии солнца в электрическую люди изучили достаточно давно, но коммерческие образцы солнечных панелей появились на рынке только в последние годы. Ещё несколько десятилетий назад они использовались только в космонавтике или военной сфере. Сейчас выпущено множество устройств, которые функционируют от солнечной энергии. В качестве примера можно привести калькуляторы, аккумулятор для телефона с солнечной панелью, солнечная батарея для зарядки автомобильной АКБ, всевозможные водонагреватели и системы обогрева частных домов.

Самые первые солнечные батареи были тяжёлыми и крупногабаритными. Кроме того, у них был небольшой КПД. Но постепенно конструкция совершенствовалась, размеры уменьшались, а эффективность росла. Сейчас им уже не требуется максимальный солнечный свет для выработки электричества. Затем появились гибкие солнечные батареи, что стало существенным прорывом в области альтернативных источников энергии.

Гибкая панель – это полупроводниковый слой, который напылён на тонкую подложку. Современные образцы имеют толщину около 1 микрометра. При этом по производительности они примерно соответствуют обычным кристаллическим моделям. Первоначально такие батареи производились на базе аморфного кремния. Затем стали использовать:

• диселениды медь-индий, медь-галлий;
• теллуриды и сульфиды кадмия;
• полимерные соединения.

Чтобы увеличить эффективность гибких панелей производители используют многослойную конструкцию. В таких полупроводниковых модулях происходит отражение света и его преобразование происходит несколько раз. Современные технологии позволяют выпускать достаточно износостойкие и прочные панели, которые имеют малую толщину и все. Такие солнечные батареи можно складывать, сгибать, сворачивать. Естественно, что это нужно делать «без фанатизма». На грубую силу они не рассчитаны, но поход или туристическую поездку переносят без проблем.

Какие характерные особенности имеют гибкие солнечные модули? Можно назвать следующие:

• Есть возможность использования на криволинейной поверхности;
• Вырабатывают электричество даже в облачную погоду. То есть, имеют высокую общую выработку энергии;
• Эффективны в южных широтах;
• Высокий уровень оптического поглощения лучей солнца. То есть, более полное усвоение и переработка солнечной энергии;
• Хорошо работают в составе мощных гелиоустановок. По этой причине первоначально гибкие панели использовали на крупных гелиостанциях.

Стоит отметить и ещё один важный плюс гибких модулей. Они дешевле, чем кристаллические панели. Это положительно сказывается на конечной цене изделий из них. Не обходится и без недостатков. Гибкие батареи при одинаковой площади с кристаллическими моделями имеют в два большую площадь поверхности. А значит, занимают больше места при размещении.

Гибридная солнечная панель

Стоит отдельно сказать про такую разновидность солнечных панелей, как гибридные. Это название они получили за то, что умеют вырабатывать сразу два типа энергии, тепло и электричество.

Гибридные солнечные панели, ещё называемые PVT, являются соединением фотоэлектрической батареи и коллектора тепла. Этот симбиоз даёт возможность в 2 раза уменьшить площадь развёртывания системы из теплового коллектора и фотоэлектрических батарей на каком-нибудь здании.

Существенный плюс заключается в том, что гибридная панель имеет возможность отбирать избыточное тепло от фотоэлементов. Это обеспечивает теплоноситель в коллекторе. Именно нагрев фотоэлемента уменьшает эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую. В случае гибридной батареи эта проблема частично решается.

На практике гибридные панели пока не получили широкого распространения. В настоящий момент они успешно используются в роли тепловых насосов, нагрева воды в бассейне, аккумулирования тепла скважины и т. п.

https://youtube.com/watch?v=t5Os8yisXI0

Это интересно: Как правильно паять светодиодную ленту — разбираемся детально

Итоги

Если сравнивать вышеперечисленные устройства с точки зрения «экономности», учитывая при этом все представленные технические характеристики, то бесспорно на первом месте окажется модель от китайской компании Zohan – EX 260. При достаточно большой выходной мощности и небольшом весе она уверенно обходит своих конкурентов в ценовой категории, что является немаловажным фактором при построении альтернативной энергетической системы. Если же у кого-то возникнут сомнения в надежности китайского производителя, то можно смело приобретать продукцию от фирмы Weswen, но в этом случае надо быть готовым к тому, что за систему крепления придется раскошелиться, вследствие весьма приличного веса панели.

Очевидно, что чем мощнее будет полученная в итоге система солнечных батарей, тем дороже она обойдется своему владельцу. Тут все зависит от цели, которая преследуется при установке подобной альтернативной энергетической системы. Для небольшой дачи вполне хватит мощности в 250-500 ватт. Этого достаточно, чтобы организовать освещение, работу телевизора, персонального компьютера и небольшого насоса для подачи воды. Если же речь идет о загородном доме, то конечно, для комфортного энергоснабжения таких показателей уже будет явно недостаточно, и следует подумать об организации более мощной энергосистемы для покрытия основных нужд своего хозяйства.

В любом случае, применение альтернативного электроснабжения на основе солнечных батарей приводит к существенной экономии основных энергоносителей в доме, а в ряде случаев – к их полной замене. Экологическая чистота, отсутствие дальнейших, дополнительных затрат, большой срок эксплуатации и простое, минимальное обслуживание — обеспечивают подобным устройствам полное превосходство над традиционными, альтернативными источниками электроэнергии.