Туристические солнечные батареи — какие они бывают: подборка с Aliexpress

История развития

Свое развитие батареи солнечные начали еще в далеком XIX веке. Предпосылкой этому стали революционные исследования о преобразовании энергии Солнца в более материальную составляющую.

Первые солнечные панели имели КПД всего 1%, а их химической основой являлся селен. Первый вклад в развитие таких элементов питания внесли А. Беккерель, У. Смит, Ч. Фриттс.

Но использование всего 1% от всей энергии, поступающей на солнечную панель – это очень мало. Данные элементы не могли обеспечить бесперебойное питание техники, поэтому исследования продолжались.

В 1954 году трое ученых – Гордон Пирсон, Дэррил Чапин и Кэл Фуллер – изобрели батарею уже с КПД 4%. Она работала на кремнии, а впоследствии ее КПД было увеличено до 20%.

На данный момент солнечные батареи продуцируют только 1% от всей энергии в мире. Их в основном проводят в места труднодоступные для электрификации. Широко применяют этот источник питания в космической промышленности. Специалисты считают, что такому аккумулятору открыты все пути, ведь с каждым годом солнечная активность возрастает.

В наших широтах данные элементы питания устанавливают в частных домах при экономии энергопотребления и заботе об окружающей среде.

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.

Плюсы и минусы солнечных батарей

Солнечная батарея обладает своими преимуществами и недостатками. Рассмотрим их более подробно.

Плюсы:

• Высокая экологичность. При эксплуатации не используются невосполнимые ископаемые, не возникает отходов.
• Отсутствие шума.
• Доступность. Каждый уголок Земного шара освещается Солнцем.
• Постоянство. Если ископаемые могут закончиться, их выработка уменьшиться, то наcчет солнечной энергии беспокоиться не стоит. По данным ученых, нашему светилу еще долго ничего не грозит.
• Обширная область использования. Панели могут применяться как в сельской местности, так и в космосе.
• Новые технологии. На солнечных батареях проводят испытания, на их усовершенствование тратятся громадные суммы, данная область постоянно модернизируется, подвергается инновациям.

Минусы:

• Дороговизна. Не каждый человек может позволить себе установить достаточное количество солнечных элементов питания для обеспечения своих нужд. Электрификация небольшого дачного домика обойдется в 1000-1200 долларов, в то время как на двухэтажных особняк может уйти до 10 000 у.е.
• Солнечное освещение – непостоянная единица. КПД батареи будет снижаться в ночное время, пасмурную погоду.

Характеристики панелей на основе кремния

Кремний для солнечных батарей изготавливают из кварцевого порошка – размолотых кристаллов кварца. Богатейшие залежи сырья есть в Западной Сибири и Среднем Урале, поэтому перспективы данного направления солнечной энергетики практически безграничны.

Даже сейчас кристаллические и аморфные кремниевые панели занимают уже более 80% рынка. Поэтому стоит рассмотреть их более подробно.

Монокристаллические кремниевые панели

Современные монокристаллические кремниевые пластины (mono-Si) имеют равномерный темно-синий цвет по всей поверхности. Для их производства используется наиболее чистый кремний. Монокристаллические фотоэлементы среди всех кремниевых пластин имеют самую высокую цену, но обеспечивают и наилучший КПД.

Большие монокристаллические солнечные панели с поворотными механизмами идеально вписываются в пустынные пейзажи. Там обеспечиваются условия для максимальной производительности

Высокая стоимость производства обусловлена сложностью ориентации всех кристаллов кремния в одном направлении. Из-за таких физических свойств рабочего слоя максимальный КПД обеспечивается только лишь при перпендикулярном падении солнечных лучей на поверхность пластины.

Монокристаллические батареи требуют дополнительного оборудования, которое автоматически поворачивает их в течение дня, чтобы плоскость панелей была максимально перпендикулярна солнечным лучам.

Слои кремния с односторонне ориентированными кристаллами вырезаются из цилиндрического бруска металла, поэтому готовые фотоэлектрические блоки имеют вид закруглённого по углам квадрата.

К преимуществам монокристаллических кремниевых батарей относят:

1. Высокий КПД со значением 17-25%.
2. Компактность – меньшая площадь размещения оборудования из расчета на единицу мощности, в сравнении с поликристаллическими кремниевыми панелями.
3. Долговечность – достаточная эффективность генерации электроэнергии обеспечивается до 25 лет.

Недостатков у таких батарей всего два:

1. Высокая стоимость и длительная окупаемость.
2. Чувствительность к загрязнению. Пыль рассеивает свет, поэтому у покрытых ею солнечных панелей резко снижается КПД.

Из-за потребности в прямых солнечных лучах монокристаллические солнечные панели устанавливаются в основном на открытых площадках или на высоте. Чем ближе местность к экватору и чем больше в ней солнечных дней, тем более предпочтительна установка именно этого типа фотоэлектрических элементов.

Поликристаллические солнечные батареи

Поликристаллические кремниевые панели (multi-Si) имеют неравномерный по интенсивности синий окрас из-за разносторонней ориентированности кристаллов. Чистота кремния, используемого при их производстве, несколько ниже, чем у монокристаллических аналогов.

Разнонаправленность кристаллов обеспечивает высокий КПД при рассеянном свете – 12-18%. Он ниже, чем в однонаправленных кристаллах, но в условиях пасмурной погоды такие панели оказываются более эффективны.

Неоднородность материала приводит и к снижению себестоимости производства кремния. Очищенный металл для поликристаллических солнечных панелей без особых ухищрений заливается в формы.

На производстве используются специальные технические приемы для формирования кристаллов, однако их направленность не контролируется. После остывания кремний нарезают слоями и обрабатывают по специальному алгоритму.

Поликристаллические панели не требуют постоянной ориентации в сторону солнца, поэтому для их размещения активно используются крыши домов и промышленных зданий.

Днем при легкой облачности преимуществ солнечных панелей из аморфного кремния заметно не будет, их достоинства раскрываются только при плотных тучах или в тени (+)

К достоинствам солнечных батарей с разнонаправленными кристаллами относят:

1. Высокая эффективность в условиях рассеянного света.
2. Возможность стационарного монтажа на крышах зданий.
3. Меньшая стоимость по сравнению с монокристаллическими панелями.
4. Длительность эксплуатации – падение эффективности через 20 лет эксплуатации составляет всего 15-20%.

Недостатки у поликристаллических панелей также имеются:

1. Пониженный КПД со значением 12-18%.
2. Относительная громоздкость – требуется больше пространства для установки из расчета на единицу мощности в сравнении с монокристаллическими аналогами.

Поликристаллические солнечные панели завоевывают всё большую рыночную долю среди других кремниевых батарей. Это обеспечивается широкими потенциальными возможностями для удешевления стоимости их производства. Ежегодно увеличивается и КПД таких панелей, стремительно приближаясь к 20% у массовых продуктов.

Солнечные панели из аморфного кремния

Механизм производства солнечных панелей из аморфного кремния принципиально отличается от изготовления кристаллических фотоэлектрических элементов. Здесь используется не чистый неметалл, а его гидрид, горячие пары которого осаждаются на подложку.

В результате такой технологии классические кристаллы не образуются, а затраты на производство резко снижаются.

Фотоэлементы из осажденного аморфного кремния можно закреплять как на гибкой полимерной подложке, так и на жестком стеклянном листе

На данный момент существует уже три поколения панелей из аморфного кремния, в каждом из которых заметно повышается КПД. Если первые фотоэлектрические модули имели эффективность 4-5%, то сейчас на рынке массово продаются модели второго поколения с КПД 8-9%.

Аморфные панели последней разработки имеют эффективность до 12% и уже начинают появляться в продаже, но они пока ещё достаточно дорогие.

За счет особенностей данной производственной технологии, создать слой кремния можно как на жесткой, так и на гибкой подложке. Из-за этого модули из аморфного кремния активно используются в гибких тонкоплёночных солнечных модулях. Но варианты с эластичной подложкой стоят намного дороже.

Физико-химическая структура аморфного кремния позволяет максимально поглощать фотоны слабого рассеянного света для генерации электроэнергии. Поэтому такие панели удобны для применения в северных районах с большими свободными площадями.

Не снижается эффективность батарей на основе аморфного кремния и при высокой температуре, хотя они и уступают по этому параметру панелям из арсенида галлия.

При одинаковой стоимости оборудования солнечные панели из гидрида кремния показывают большую производительность, чем их моно- и поликристаллические аналоги (+)

Подытоживая, можно указать такие преимущества аморфных солнечных панелей:

1. Универсальность – возможность изготовления гибких и тонких панелей, монтаж батарей на любые архитектурные формы.
2. Высокий КПД при рассеянном свете.
3. Стабильная работа при высоких температурах.
4. Простота и надежность конструкции. Такие панели практически не ломаются.
5. Сохранение работоспособности в сложных условиях – меньшее падение производительности при запыленности поверхности, чем у кристаллических аналогов

Срок службы таких фотоэлектрических элементов, начиная со второго поколения, составляет 20-25 лет при падении мощности в 15-20%. К недостаткам панелей из аморфного кремния можно отнести лишь потребность в бо́льших площадях для размещения оборудования требуемой мощности.

Комплектация батарей

О солнечных батареях множество людей думают ошибочно. Ведь сама по себе панель на крыше не может дать переменный ток.

Чтобы обеспечить жилище электричеством, придется приобрести:

1. Собственно солнечные панели. Это тот элемент конструкции, который крепится на стены или крышу дома. При попадании кванта солнечного света кремниевые кристаллы начинают колебаться, и создается электрический ток.
2. Аккумулятор. Энергия, которая не пошла на расход бытовых нужд, аккумулируется в этом приборе, и потом ночью или в ненастную погоду она расходуется.
3. Контроллер напряжения. Этот элемент является скорее не обязательным, а желательным. Он повышает продолжительность жизни аккумулятора, сообщает о его предельно низком и высоком заряде.
4. Инвертор, или преобразователь энергии. В аккумуляторе электрический ток находится в постоянном значении, а для бытовых нужд необходим переменный. Инвентор и совершает данное преобразование.

Как мы видим, солнечные панели – это лишь малая часть системы. Они сами состоят из более мелких элементов – модулей. Раз устройство данных элементов питания модульное, при необходимости посредством подсоединения составляющих вы можете добавить панели или убрать лишние.

Виды солнечных батарей

Солнечная панель состоит из компонентов, и они могут быть разными:

• монокристаллическими;
• поликристаллическими;
• пленочными.

В первом случае один фотоэлемент – это один кристалл кремния. Данные батареи имеют наибольший КПД (до 25%), но они являются очень дорогими. Пластины насыщенного синего цвета, а их края немного скругленные.

Поликристаллические фотоэлементы объединяют несколько кристаллов кремния. Они широко распространены, их КПД колеблется в районе 20-23%. Структура неоднородна, и они хуже поглощают солнечный свет, нежели монокристаллические панели. По стоимости они более доступны.

Тонкопленочные (аморфные) фотоэлементы представляют собой напыление полупроводника на подложку. Основное преимущество в том, что их можно расположить буквально на любой поверхности, они гибкие. Недостаток – небольшая производительность.

По техническому принципу электрификацию солнечными элементами делят на:

• открытые системы;
• закрытые системы (автономные);
• комбинированные.

Открытой система называется, когда солнечная панель подключена к общей электросети. В таком случае необходимость приобретения аккумулятора и контролера отпадает. Солнечные батареи подсоединяются к общей сети с помощью инвертора. Если потребляемая бытовыми приборами мощность не превышает ту, которую производят панели, то из общей электросети ток не берется. В случае, когда вы включили приборы повышенного энергопотребления, и батареи не могут их обеспечить током, электричество берется из общей сети. Особенностью является то, что если тока не будет в основной сети, то батареи работать не станут.

С автономными системами все понятно: они замкнутые и не требуют внешней сети. Энергия накапливается в аккумуляторе и расходуется по мере необходимости.

Комбинированные сети не получили широкого распространения, так как они дороги. Сложная конструкция объединяет тип открытой и закрытой системы. При излишке электроэнергии, вырабатываемой батареями, ее можно перенаправить в общую сеть.

Какую солнечную панель выбрать?

Выбор солнечных панелей для загородных домов на широте 45-60 ° не труден. Здесь стоит рассматривать лишь два варианта: поликристаллические и монокристаллические кремниевые панели. При дефиците места предпочтение лучше отдать более эффективным моделям с односторонней ориентацией кристаллов, при неограниченной площади рекомендуется приобрести поликристаллические батареи.

Ориентироваться на прогнозы аналитических компаний развития рынка солнечных панелей не стоит, ведь лучшие их образцы, возможно, ещё не изобретены

Выбирать конкретного производителя, требуемую мощность и дополнительное оборудование лучше при участии менеджеров компаний, занимающихся продажей и установкой такого оборудования. Следует знать, что качество и цена фотоэлектрических модулей у крупнейших производителей отличаются мало.

Следует учитывать, что при заказе комплекта оборудования «под ключ», стоимость самих солнечных панелей будет составлять всего лишь 30-40% от общей суммы. Сроки окупаемости таких проектов составляют 5-10 лет, и зависят от уровня энергопотребления и возможности продажи излишков электроэнергии в городскую сеть.

Применение солнечных батарей

Кроме космонавтики и обеспечения частных домов электроэнергией, панели или батареи солнечные применяют в следующих сферах:

• Автомобилестроение. Экологичный транспорт приобретает популярность, ведь выхлопы бензина и газов загрязняют атмосферу, а цены на топливо постоянно растут. Машины на солнечной энергии способны развивать скорость до 140 км/ч.
• Эксплуатация водного транспорта (барж, катеров, яхт). Такой транспорт можно встретить в Турции. Лодки развивают небольшую скорость (до 10 км/ч), и это позволяет туристом осмотреть достопримечательности и роскошные пейзажи этой страны.
• Энергообеспечение зданий. В развитых странах Европы многие муниципальные здания и сооружения полностью обеспечивают свои нужды с помощью энергии, которую выделяют солнечные панели.
• Самолетостроение. Благодаря наличию батарей, самолет в полете может длительное время не расходовать топливо.

На что обратить внимание при покупке солнечных батарей для дома

Данная информация будет полезна, если вы решили перейти на солнечный источник энергии. Приобретая все комплектующие для такой системы, нужно знать, где можно сэкономить, а на что обратить особое внимание:

1. Покупайте составляющие (панели, аккумулятор, инвертор) в конце зимы-начале весны. Как правило, магазины в это время предоставляют большие скидки.
2. Не покупайте сразу много солнечных батарей. Помните, что эта система модульная, и добрать необходимое количество для обеспечения нужд бытовой техники очень просто.
3. Желательно заменить все лампы накаливания в доме на светодиодные или LED. Они потребляют меньше энергии, а срок службы у них дольше.
4. Для дома приобретайте солнечные батареи с выходным напряжением в 12 В. Именно такие значения подойдут для бытовой техники, очень мало приборов используют 24 В и 48 В. Все показатели напряжения вы можете найти в паспорте устройств.

При выборе солнечных батарей обратите внимание, что каждая должна быть помещена в защитный корпус из алюминия. Этот металл легкий, прочный, стойкий к коррозии. Сверху защитное стекло должно быть матовым, не давать глянца и бликов.

Обеспечивать свой дом уютом, теплом и не платить за электричество вполне возможно. Для этого нужно установить такую систему энергоснабжения. Но стоит учитывать, что она тоже требует значительных вложений и обладает рядом нюансов. Изучив все положительные и отрицательные стороны, мы надеемся, что вы сделаете правильный выбор.